材料與工藝可靠性金屬?gòu)?qiáng)化機(jī)制教學(xué)課件PPT.ppt

,金屬?gòu)?qiáng)化機(jī)制,報(bào)告人：王紅勛 2013年12月11日,材料與工藝可靠性討論課,選題背景,材料的強(qiáng)化是材料加工工藝的重要環(huán)節(jié)。 在研究材料的可靠性時(shí)不得不考慮材料的強(qiáng)度、韌性和塑性等力學(xué)性能，材料的力學(xué)性能決定了材料的承受力、耐磨性和使用范疇等。 在對(duì)材料進(jìn)行塑性變形以及斷裂失效分析時(shí)，首先要判斷是否是因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度未達(dá)標(biāo)而造成的。 在研究新材料的過(guò)程中，當(dāng)設(shè)計(jì)的材料不能達(dá)到要求的力學(xué)性能時(shí)，可以在不改變材料主要成分的前提下，通過(guò)材料的強(qiáng)化工藝來(lái)進(jìn)一步提高材料的性能。,金屬?gòu)?qiáng)化機(jī)制,固溶強(qiáng)化 第二相粒子強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化 加工硬化 有序強(qiáng)化,固溶強(qiáng)化,固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格類(lèi)型不發(fā)生變化，但點(diǎn)陣常數(shù)都會(huì)發(fā)生變化；其硬度、強(qiáng)度升高，而塑性、韌性相對(duì)下降，但綜合力學(xué)性能優(yōu)于純金屬。,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中所處的位置分為： 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn) 間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙,固溶強(qiáng)化,溶質(zhì)原子的存在及其固溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之提高。如圖表示cu-ni固溶體的強(qiáng)度和塑性隨溶質(zhì)含量的增加，合金強(qiáng)度、硬度提高，而塑性有所下降，即產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化效果。,固溶強(qiáng)化的主要機(jī)制： 柯氏氣團(tuán)：在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯(cuò)交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)。,鈴木氣團(tuán)：溶質(zhì)原子降低基體層錯(cuò)能，使位錯(cuò)分解為擴(kuò)展位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)交滑移或 攀移。如不銹鋼中，ni、cr等合 金元素優(yōu)先分布于層錯(cuò)區(qū)，降低層 錯(cuò)能， 使擴(kuò)展位錯(cuò)區(qū)擴(kuò)大，要使該擴(kuò)展 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，需要增加額外的應(yīng)力 從而提高材料的強(qiáng)度。 電交互作用：帶電溶質(zhì)原子與位錯(cuò)形成靜電交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使材料強(qiáng)度升高。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)改變了溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中以短程有序或偏聚形式存在的分布狀態(tài)，從而引起系統(tǒng)能量的升高，由此也增加了滑移變形的阻力。,第二相粒子強(qiáng)化,根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分為： 聚合型合金：兩相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級(jí)，較強(qiáng)相數(shù)量較少時(shí)，塑性變形基本上都發(fā)生在較弱相中，只有較強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，才能起到明顯的強(qiáng)化作用。 彌散分布型合金：彌散地分布于基體中的第二相粒子會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到強(qiáng)化作用。通過(guò)第二相粒子是否可變形可分為兩類(lèi)強(qiáng)化機(jī)制： 沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化） 彌散強(qiáng)化,沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化） 沉淀相粒子是通過(guò)時(shí)效處理從過(guò)飽和固溶體中析出的，屬于可變形的，位錯(cuò)將會(huì)切過(guò)粒子使之隨同基體一起變形。 脫溶：當(dāng)固溶體因溫度變化等原因而呈過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，將自發(fā)地發(fā)生分解過(guò)程，其所含的過(guò)飽和溶質(zhì)原子通過(guò)擴(kuò)散而形成新相析出，此過(guò)程稱(chēng)為脫溶。 當(dāng)快速冷卻至室溫或低溫，可能保持原先的過(guò)飽和固溶體而不分解，但這種亞穩(wěn)態(tài)很不穩(wěn)定，在一定條件下會(huì)發(fā)生脫溶析出過(guò)程（稱(chēng)為沉淀或時(shí)效），生成亞穩(wěn)的過(guò)渡相。均勻脫溶形成彌散分布的第二相微粒，將能起到明顯的強(qiáng)化作用。,al-cu合金的時(shí)效硬化,強(qiáng)化的機(jī)制為： 位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)，粒子產(chǎn)生寬 度為b的表面臺(tái)階，由于出現(xiàn) 了新的表面積，使總的界面能 升高 當(dāng)粒子是有序結(jié)構(gòu)時(shí)，位錯(cuò)切 過(guò)粒子時(shí)會(huì)打亂滑移面上下的 有序排列，產(chǎn)生反相疇界，引 起能量的升高。,由于第二相粒子與基體的晶體點(diǎn)陣不同或至少是點(diǎn)陣常數(shù)不同，故當(dāng)位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)必然在滑移面上造成原子的錯(cuò)排，需額外做功，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難。 由于粒子與基體的比體積的差別，沉淀粒子與母相之間保持共格或半共格結(jié)合，故在粒子周?chē)a(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)，與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙 基體與粒子中的滑移面取向不相一致，則位錯(cuò)切過(guò)后會(huì)產(chǎn)生一割階，割階的存在會(huì)阻礙整個(gè)位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)。 由于粒子的層錯(cuò)能與基體不同，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)通過(guò)后，其寬度會(huì)發(fā)生變化，引起能量升高。,彌散強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化型合金中不可變形的第二相粒子的強(qiáng)化作用是通過(guò)粒子對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用實(shí)現(xiàn)的，如圖為奧羅萬(wàn)（e.orowan）機(jī)制。 根據(jù)位錯(cuò)理論，迫使位錯(cuò)線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力： g為切變彈性模量，b為柏氏矢量，為兩粒子間距離。 由此可見(jiàn)，不可變形粒子的強(qiáng)化作用與粒子間距成反比，粒子越多，粒子間距越小，強(qiáng)化作用明顯，因此，減小粒子尺寸（在同樣的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，粒子越小，則粒子間距也越?。┗蛱岣吡Ｗ拥捏w積分?jǐn)?shù)都會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度的提高。,細(xì)晶強(qiáng)化,多晶體中晶體各項(xiàng)異性，不同位向晶粒的滑移系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒中；晶界處原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重。 因此，在室溫下晶界將會(huì)阻礙 位錯(cuò)的滑移，使每個(gè)晶粒中的滑移 帶終止在晶界附近，并發(fā)生位錯(cuò)堵 塞現(xiàn)象，如圖所示，位錯(cuò)塞積群又 會(huì)對(duì)位錯(cuò)源產(chǎn)生一反作用力，這個(gè) 力增大到某一數(shù)值時(shí)，使位錯(cuò)源停止開(kāi)動(dòng)。則要使第二晶粒產(chǎn)生滑移，必須增大外加應(yīng)力，以啟動(dòng)第二晶粒中的位錯(cuò)源動(dòng)作。即對(duì)于多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯(cuò)源動(dòng)作產(chǎn)生滑移，才能覺(jué)察到宏觀的塑性變形。,晶界對(duì)多晶體塑性變形的影響 主要取決于晶界數(shù)量，晶粒大 小又決定了晶界數(shù)量。圖為低 碳鋼的晶粒大小與屈服點(diǎn)的關(guān) 系曲線，由圖可見(jiàn)，鋼的屈服 點(diǎn)與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈 線性關(guān)系。晶粒越小，晶粒數(shù)量越多，屈服點(diǎn)越大。 霍爾-佩奇（hall-petch）公式描述了晶粒平均尺寸d與屈服點(diǎn)s的關(guān)系： s = 0+kd-1/2 0晶內(nèi)對(duì)變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強(qiáng)度； k晶界對(duì)變形的影響系數(shù)。,然而，當(dāng)變形溫度高于0.5tm （熔點(diǎn)）以上時(shí)，由于原子活 動(dòng)能力的增大，以及原子沿晶 界的擴(kuò)散速率加快，使高溫下 的晶界具有一定的黏滯性特點(diǎn)， 它對(duì)變形的阻力大為減弱，即 使施加很小的應(yīng)力，只要作用 時(shí)間足夠長(zhǎng)，也會(huì)發(fā)生晶粒沿晶界的相對(duì)滑動(dòng)，此外，在高溫時(shí)細(xì)晶粒的多晶體還可能會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散性蠕變的變形機(jī)制，晶粒越細(xì)，擴(kuò)散蠕變速度就越大，對(duì)高溫強(qiáng)度越不利。如圖，當(dāng)溫度低于“等強(qiáng)溫度te”晶界強(qiáng)度高于晶粒內(nèi)部，高于te時(shí)則晶內(nèi)強(qiáng)度高于晶界強(qiáng)度。,加工硬化,金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強(qiáng)度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。 加工硬化的實(shí)質(zhì)是金屬經(jīng)過(guò)冷加工產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)發(fā)生積塞和纏結(jié)等交互作用，部分成為不可動(dòng)位錯(cuò)，起到了“釘扎”作用，對(duì)塑性變形起到阻礙作用，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。,有序強(qiáng)化,合金固溶體從無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驊B(tài)后通常使強(qiáng)度提高。位錯(cuò)在有序固溶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滑移過(guò)的地方形成 反相疇界的無(wú)序界面。在反相疇界上，原來(lái)的最穩(wěn)定原子排列狀態(tài)被破壞。因此，反相疇界的形成必定伴隨著能量的增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要額外的應(yīng)力，這表現(xiàn)為合金強(qiáng)度的提高。 為了降低能量，在有序合金中，位錯(cuò)通常是成對(duì)地運(yùn)動(dòng)。這樣，領(lǐng)先位錯(cuò)產(chǎn)生的反相疇界在后繼位錯(cuò)經(jīng)過(guò)后消失。當(dāng)一個(gè)位錯(cuò)對(duì)與另一個(gè)反相疇界交切時(shí)，產(chǎn)生新的疇界，使固溶體的能量增加，這時(shí)就需要附加外力。