第四章-材料强化机制

第二节材料强化机制材料的强化机制导致材料失效的最大应力结构材料陶瓷材料高分子材料金属材料强度疲劳强度抗拉强度断裂强度屈服强度材料强度的唯一性判据通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服强度和断裂强度。断裂强度屈服强度σb≥σkσb≤σk脆性材料塑性材料脆性材料的强度通常以σk表示塑性材料的强度通常以σb表示大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径。固溶强化：当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。Cu－Ni固溶体的机械性能与成分的关系Al－Mg固溶体的应力－应变曲线σbδδ固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。不同溶质原子在位错周围的分布状态Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）细晶强化：合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。双晶粒拉伸示意图低碳钢的σs与晶粒大小的关系在右图中，低碳钢的σs与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系，可用下式表示：σs＝σ0+Kd－1/2……Hall－Petch公式细晶强化理论的提出：（1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。（2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，获得最佳的强韧性配合。加工硬化：加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。曲线分为三阶段1）易滑移阶段（位错少干扰）2）线性硬化阶段（位错塞积）3）抛物线硬化阶段（螺旋位错启动，位错密度下降）加工硬化曲线：晶粒度对加工硬化曲线的影响加工硬化的实质：是金属塑性变形时内部产生滑移，使晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。晶体结构对加工硬化曲线的影响时效强化：时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。第二相强化（弥散强化）：通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。第二相一般指各种化合物质点。1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布的第二相；2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；3）还可通过共析反应获得；4）另外还可通过粉末冶金方法获得。获得第二相的途径：第二相在基体中的形态及分布：以钢中Fe3C的形态与分布为例：a：过共析钢中，Fe3C呈连续网状分布在α晶界上。塑性、强度下降。b：珠光体中，Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小）c：共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒状分布在α晶界上。强度下降，塑性上升，便于加工。弥散型两相合金强化的主要影响因素：1）颗粒直径2）第二相含量（体积分数）3）第二相的分布状态第二相的强化机制：绕过机制切割机制复合强化：利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。钢的形变热处理固溶强化加工硬化回火索氏体第二相强化细晶强化固溶强化固态相变塑性金属材料的强化机制表明：通过热处理中的加热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生变化，最终导致材料性能产生变化。固态相变是指固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。固态相变主要包括三种基本变化：1）晶体结构的变化；2）化学成分的变化；3）有序程度的变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。材料科学遇到的相变习惯上分为扩散型相变和无扩散型相变两大类。扩散型相变的特点是通过激活原子运动而产生，要求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。无扩散型相变的特点是相变中原子不发生扩散、原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子的相互位置不变。在低温下原子不能扩散时易发生这类转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的同素异构转变（β-Co（hcp）与α-Co（fcc）。固态相变的热力学条件：固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程△G＜0是否成立。与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应变能，即△G＝－V△GV＋Sσ＋V△Ge式中：V为新相体积；S为新、旧相的界面积；△GV和△Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；σ表示新、旧相界单位面积的界面能。固态相变的动力力学条件：固态相变的动力学主要讨论相变进行的速率问题，固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变温度有关的函数。动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和组分对相变过程的影响及控制相变产物的组成等内容。固态相变的晶体学：固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相形成的原子迁移过程。