材料强化和韧化课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,强韧化意义,提高材料的强度和韧性,节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命,希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得,理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质,合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力,注意,第,1,页,/,共,17,页,强韧化意义提高材料的强度和韧性希望材料既有足够的强度，又有较,1,提高金属材料强度途径,强度是指材料抵抗变形和断裂的能力,材料强度,缺陷数量,冷加工状态,退火状态,无缺陷的理论强度,材料强度与缺陷数量的关系,两种方法,完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度,增加材料内部的缺陷，提高强度,第,2,页,/,共,17,页,提高金属材料强度途径强度是指材料抵抗变形和断裂的能力材料强度,2,增加材料内部的缺陷，提高强度,固溶强化,细晶强化,第二相粒子强化,形变强化,提高金属材料强度途径,即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动,第,3,页,/,共,17,页,增加材料内部的缺陷，提高强度固溶强化提高金属材料强度途径即在,3,定义,本质,利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化,强化机理,间隙固溶体,碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应,间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生,弹性,交互作用，使金属获得强化。,替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小,固溶强化,第,4,页,/,共,17,页,定义固溶强化第4页/共17页,4,细晶强化,定义,强化机理,晶界对位错滑移的阻滞效应,当位错运动时，由于,晶界两侧晶粒的取向不同,，加之这里,杂质原子较多,，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中,晶界上形变要满足协调性,需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处,晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强度就越高,第,5,页,/,共,17,页,细晶强化定义第5页/共17页,5,细晶强化,定义,强化机理,晶界对位错滑移的阻滞效应,当位错运动时，由于,晶界两侧晶粒的取向不同,，加之这里,杂质原子较多,，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中,晶界上形变要满足协调性,需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处,晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强度就越高,第,6,页,/,共,17,页,细晶强化定义第6页/共17页,6,霍耳,-,配奇,(Hall-Petch),关系式,y,i,k,y,d,-1/2,i,和,k,y,是两个和材料有关的常数，,d,为晶粒直径,常规的多晶体（晶粒尺寸大于,100nm,）,纳米微晶体材料,(,晶粒尺度在,1-100nm,间,),中，,临界尺寸,dc,十几到二十纳米之间,反,Hall-Petch,效应,在纳米晶粒，晶界核心区原子所占的比例可高达,50%,理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸,d,c,第,7,页,/,共,17,页,霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式y iky,7,第二相粒子强化,分类,通过相变（热处理）获得,析出硬化、沉淀强化或时效强化,通过粉末烧结或内氧化获得,弥散强化,强化效果,相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响,第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著,第,8,页,/,共,17,页,第二相粒子强化分类第8页/共17页,8,第二相粒子强化,强化机理,不易形变的粒子,包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子,位错绕过机制（,Orowan,，奥罗万机制,）,位错线绕过粒子，恢复原态，继续向前滑移,运动位错线在不易形变粒子前受阻、弯曲,外加切应力的增加使位错弯曲，直到在,A,、,B,处相遇,位错线方向相反的,A,、,B,相遇抵消，留下位错环，位错增殖,第,9,页,/,共,17,页,第二相粒子强化强化机理位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制,9,第二相粒子强化,强化机理,易形变的粒子,包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子,位错切割机制,位错切过粒子的示意图,Ni-19% Cr-6% Al,合金中位错切过,Ni,3,Al,粒子的透射电子显微像,第,10,页,/,共,17,页,第二相粒子强化强化机理位错切割机制位错切过粒子的示意图Ni-,10,切过粒子引起强化的机制,短程交互作用,位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能,位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产生反相畴界能,粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶,;,粒子的派,-,纳力,P-N,高于基体等，都会引起临界切应力增加,长程交互作用（作用距离大于,10b,）,由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场,第,11,页,/,共,17,页,切过粒子引起强化的机制短程交互作用第11页/共17页,11,第二相粒子强化的最佳粒子半径,综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径,r,c,=(G,b,2,)/(2,s,),第,12,页,/,共,17,页,第二相粒子强化的最佳粒子半径综合考虑切过、绕过两种机制，估算,12,形变强化（加工硬化）,定义,强化机理,金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难,位错强化,作用,提高材料的强度,使变形更均匀,防止材料偶然过载引起破坏,第,13,页,/,共,17,页,形变强化（加工硬化）定义第13页/共17页,13,形变强化（加工硬化,）,不利方面,金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率,形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工,限制,使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化,对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能,第,14,页,/,共,17,页,形变强化（加工硬化）不利方面第14页/共17页,14,材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料,强度与塑性,的综合表现,当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的,形核和扩展,。通常以裂纹形核和扩展的,能量消耗,或,裂纹扩展抗力,来标示材料韧性。,材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和晶界的作用等,金属材料的韧化,第,15,页,/,共,17,页,材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的综合表现金,15,金属材料韧性表征及韧化原理,金属材料韧性表征,材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高,断裂韧性,冲击韧性,韧化原理,增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性,第,16,页,/,共,17,页,金属材料韧性表征及韧化原理金属材料韧性表征第16页/共17页,16,金属材料韧化途径,细化组织韧化,韧性相与脆性相的比例、分布,基体韧性相,纤维、晶须等,韧化工艺,熔炼铸造（减少缺陷）,热处理韧化,压力加工,第,17,页,/,共,17,页,金属材料韧化途径细化组织韧化第17页/共17页,17,