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1、1,金属力学性能 第5章 金属及合金的强化方法,2,本章内容,5.1 强化的概念和途径 5.2 晶粒细化强化 5.3 固溶强化 5.4 第二相强化 5.5 加工硬化,3,5.1强化的概念和途径,金属失效方式过量弹性变形；过量塑性变形；断裂 金属塑性变形方式位错滑移 提高位错运动阻力强化金属 金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。 为什么不去提高金属的断裂强度？,4,材料的构成 1）基体相 2）界面：包括相界面和晶界 3）第二相 举例： 1）Al4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2， 2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的第二相,5,金属强化途径： 内因： 界面（晶界）细晶强化
2、 溶质原子固溶强化 第二相第二相强化 提高位错密度加工硬化 外因：温度提高，位错运动容易，s 应变速率提高，s 应力状态: 切应力分量，s 特殊应力状态：平面应力和平面应变状态,6,5.2 晶粒细化强化,晶粒：正常晶粒和亚晶粒 亚晶粒的形成原因？ 晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度） 晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶界为材料中的弱化区域，不起强化作用） 晶界是位错运动的障碍 原因？,7,滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角； 外应力与滑移方向
3、的夹角； = coscos称为取向因子。 因为各晶粒的取向不同，coscos不同,8,室温下位错在晶体内的运动过程： 位错运动到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻碍形成位错塞积 晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错开动 相邻晶粒内位错开动需要更大的应力 需要外加应力提高，即屈服强度提高,9,什么是屈服强度,1）在应力1作用下，晶粒A内 位错运动到晶界后受阻 2）晶粒B内的位错需要开动， 需要更大的外加应力 3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内位错开动 4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作用下，相邻的C晶粒内位错也能开动,A,B,10,4）位错运动能够从晶粒A、B、C。传递下去 5）由于晶界
4、的作用，应力从1增大到2，表现为晶界对材料的强化作用 6）这种能够使位错在不同晶粒间传递下去的应力（应力2）就是材料的屈服强度 屈服强度是位错能够在 晶粒间传递下去所需要的应力！ 举例：复合材料的屈服强度,11,按照上面的思路建立晶界与位错运动的模型，如下图,A,B,12,位错塞积群形成的方式（F-R位错源）,1,2,13,A,B,14,A,B,15,16,17,A,B,18,2）还包括位错交互作用产生的阻力 P-N力： fcc 位错宽度大，位错易运动。bcc 反之。 交互产生的阻力： 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。,19,20,21,HallPetch公式
5、发现过程 发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch都是英国剑桥大学研究生，Hall在论文中对钢的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试验研究；Petch采用位错塞积群理论进行了理论分析。 材料科学中为数不多的定量描述公式之一 纳米材料中的HallPetch关系,22,HallPetch公式本质 1）晶界两侧晶体存在取向差位错滑移从晶粒A传递到晶粒B需要额外的应力该应力由晶粒A中形成的位错塞积群提供 2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数有关塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶粒尺寸D 3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少需要更大的外加应力造成屈服强度提高,23,5.3 固溶强化,固溶
6、：外来原子溶入金属 种类：间隙固溶；置换固溶,24,间隙式固溶：固溶原子都大于间隙尺寸，即使最小的C、N作为固溶原子也是如此 间隙固溶都导致固溶原子周围出现压应力区域 置换式固溶： 固溶原子大于溶剂金属原子 造成压应力区； 固溶原子小于溶剂金属原子 造成拉应力区；,25,金属中固溶后产生以下几种作用： 1）固溶原子与位错应力区之间的交互作用（间隙原子都处于位错拉应力区；大固溶原子处于位错拉应力区；小固溶原子处于压应力区）位错运动阻力增大，导致强化 2）电子相互作用：溶质原子 与附近溶剂原子之间的电子 相互作用，导致位错穿越该 区域需要更大的能量 导致强化,26,3）化学相互作用：如fcc中的层
7、错是一种hcp结构，溶质原子在fcc和hcp中的溶解度不同，在hcp结构的层错中溶解度高层错难以运动，导致强化 4）增加扩展位错宽度层错扩展宽度受到溶解在层错中的溶质原子的影响层错宽度影响层错的可动性（越宽，层错越难以运动）,27,5）短程有序强化 A-A 3 低 B-B 4 低 A-B 4 高 A-A 2 低 B-B 3 低 A-B 6 高,低,高,28,丛聚状态 AB能量AA/BB 丛聚越紧密，能量 越小（6）； 紧密丛聚状态破坏 后，能量升高（8）；,低,高,29,固溶强化的应用： 提高金属材料强度的主要途径 受到溶解度限制： 1）一种元素有特定的最大溶解量，受到相图控制 2）一种元素的
8、溶解不影响其它元素的溶解量 可以采用多加入几种合金元素，从而提高金属的强度，比如低合金高强度钢 提高金属材料的淬透性，如40钢中加入Ni、Cr 提高钢的热处理特性，如抗回火特性,L,Si,Al,Si,30,5.4 第二相强化,第二相 相：特定成分、特定 晶体结构 组织：几种相构成 如珠光体组织 形成途径： 凝固； 共析转变； 时效； 复合材料,珠光体组织,31,前4章作业,第一章： A）查找2010版关于金属室温拉伸实验的国家标准，1）作笔记说明金属力学性能指标的测量方法，2）现有一块厚度6mm的轧制铝板，要测量其室温强度、塑性，画出试样的尺寸，3）现有一圆柱低碳钢棒材，要测量其室温强度、塑性
9、，画出试样的尺寸 B）在地球和月亮之间架设一天梯，什么材料能满足要求（两者相互位置不动、重力加速度使用底面重力加速度） 第二章：1、7 第三章：4 第四章：3、10 要求：A4纸，手写，抄袭的退回重写,32,第二相分类 1）弥散分布和大块聚集 2）不可变形和可变形 不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。“硬相” 可变形的第二相，位错可以切过。“软相” 第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。,33,弥散质点强化 1）切过型 第二相基体界面增大； 第二相有序结构破坏； 第二相变形需要能量 强化效果：,34,2）绕过型 位错线弯曲成半圆时 需要的应
10、力最大， 强化效应： 质点周围位错增多后，有效dT减小 形成的位错塞积对后续的位错产生阻碍,35,弥散强化的效果都与质点间距成反比 弥散度提高强化效果增大 Al4.5Cu合金 欠时效：GP区（ ”） Cu在Al中的“丛聚”状态；共格；纳米尺寸； 弥散分布；“软相”，可以切过 峰时效： ” Cu与Al的原子比趋向于1：2，半共格； 尺寸增大；弥散度稍微降低；根据尺寸介于“硬相”和“软相”之间。 过时效： 成为CuAl2化合物；非共格；尺寸长大；弥散度低；属于“硬相”,36,大块聚集型强化 11：等应变状态 22：等应力状态 面积为S； 基体含量为f1，第二相含量为f2 假设处于弹性状态,f1,f
11、2,37,f1,f2,f2,f2,38,等应力条件下（11方向）比等应变条件下（22方向）更能发挥第二相的强化效果！,39,5.5 形变强化,或称形变硬化，加工硬化 1、意义 （1）形变强化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。 （2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。 （3）强化金属，提高力学性能。 （4）提高低碳钢的切削加工性能。,40,2、形变强化机理 （1）三种单晶体金属的应力应变曲线,面心立方（铜）,体心立方（铌）,密排六方（镁）,单晶金属加工硬化曲线,a,e,d,c,b,f,g,1、面心立方金属形变强化能力远大于其它金属 2、随应变增大，面心立方金属经历弱的形变强化阶段后，发
12、生强的形变强化，随后形变强化能力减弱 3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属,41,（2）形变强化机理（单晶体） a）易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn） 不能产生多系滑移， 易滑移段长。 b）线性硬化阶段：多系滑移 位借交互作用，形成割阶、 面角位错、胞状结构等；位错 运动的阻力增大。（fcc，bcc，hcp） c） 抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移（刃型位错不 能产生交滑移） 多晶体，一开动便是多系滑移，无易滑移阶段。,面心立方金属典型加工硬化曲线,强,弱,42,3、形变强化指数 Hollomon关系式： S=ken （真应力与真应变之间的关系）
13、n形变强化指数；k硬化系数 形变强化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性 变形的能力。 n=1，理想弹性体; n=0，材料无硬化能力。 层错能低的材料形变硬化程度大；如高Mn钢 （Mn13），层错能力低 n大 形变强化指数，用直线作图法求得：logSlogknloge,43,形变强化与颈缩 产生颈缩 应变集中到颈缩区域 颈缩区域由于形变强化，屈服强度提 高（而没有颈缩区域屈服强度不变） 变形转移到颈缩区域以外 颈缩受到抑制 形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性” 超塑性：塑性应变超过100,44,形变强化的几个途径 位错密度提高是形变强化的前提 1）变形协调位错,45,2）
14、FR位错源,1,2,46,3）位错之间的相互作用 位错与同号位错之间的斥力作用 位错之间的交互作用形成割阶 平行/垂直位错之间的交互作用： 作用力正比于位错密度的1/2 位错密度增大，位错交互作用增大 位错运动阻力增大 强化,47,5 形变强化与材料组织之间的关系 固溶态（固溶体） 欠时效（GP区（”） （铜的丛聚区，共格，容易变形） 峰时效（ ” ） （CuAl2 弥散分布，细小，共格 关系部分遭到破坏，部分可变形） 过时效（ ） (CuAl2 长大，共格关系破坏， 难以变形，位错只能绕过）,AlCu合金成型性最好的是过时效状态,48,6 形变强化的应用 概念： 塑性变形抗力 均匀塑性变形能力 塑性变形抗力取决于屈服强度； 均匀塑性变形能力取决于抵抗颈缩的能力（形变强化能力） 举例：汽车面板材料,成型能力,49,本章要点,了解HallPetch公式及其意义，固溶强化的机制和方法，第二相强化和形变强化的机制 运用位错理论分析金属的强化本质,50,本章思考题,1）决定金属屈服强度的因素有哪些? 2) 说明一种提高金属屈服强度而不降低其塑性的方法。 3）写出HallPetch公式并说明金属细晶强化的本质。 4）说明第二相强化的基本原理。 5）说明Al4.5Cu固溶态、欠时效态、峰时效态和过时效态的强化方式，并说明屈服强度和加工硬化行为差别的原因。,