1、1.2金属的强化与韧化机制简介,材料强韧性的有关概念,一、强度 材料抵抗变形和断裂的能力,二、塑性 表示材料发生塑性变形的难易程度,三、韧性 表示材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。,金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因是结合键和原子排列方式的不同。 不同材料的强化机理不同。,金属材料的强化原理,1. 固溶强化,（1）无序固溶强化,强化的实质是溶质原子的长程应力场与位错交互作用使位错运动受阻。,（2）有序固溶强化,位错在具有有序结构的固溶体中运动时，因异类原子对构成的局部有序受到破坏，增加了系统能量，位错继续运动需要更高的能量，起到强化作用。,固溶强化
2、的特点：1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大 2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大 3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用 4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显,2. 细晶强化,机制： 塑性变形时粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，须施加更大的外部作用力，从而体现了细晶对材料强化的作用。,模型： Hall-Petch公式：s= i + Ky d-1/2,其中，溶质原子的钉扎作用越强，Ky越大. s为强化效果， i 位错在金属基体中运动
3、阻力。,细晶强化的方法：1）增加过冷度 2）变质处理 3）振动与搅拌细晶强化的显著特点：它不仅能提高强度，还能提高塑性和韧性。,细晶强化的产生原因,常温下晶界具有阻碍变形的强化作用。一方面，晶界的存在会阻碍位错运动。当位错运动到晶界处时发生塞积，产生应力集中。另一方面，晶界的存在降低了多晶体均匀变形的能力。因此常温下晶界对多晶体的变形过程具有明显的阻碍作用，会增大多晶体的塑性变形抗力，使多晶体产生强化。晶界数量取决于晶粒大小。一定体积内晶粒越小，晶界数量越多，则晶界的强化作用越大，即产生细晶强化现象。,必须指出，细晶强化不适应于高温，因为高温下的晶界在应力作用下会产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界
4、的相对滑动。所以，细晶粒组织的高温强度反而较低。,当变形温度低于0.5Tm（熔点）(K)或变形速率较大时，晶界具有阻碍变形的强化作用。当变形温度高于0.5Tm(K)或变形速率较小时，则变形可通过晶界移动而显示出软化效应。,细化晶粒不但可提高材料的强度，同时还可改善材料的塑性和韧性，使材料具有较好的综合力学性能。因此，一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。 原因：晶粒越细，一定体积内的晶粒数目越多，在同样的变形量下，变形可以分散在更多的晶粒内进行，变形的不均匀性变小，相对来说引起的应力集中也较小，开裂的机会也就相应地减少了。此外，晶粒越细，晶界的弯折越多，越不利于裂纹的传播，从而使
5、金属在断裂前可以承受较大的塑性变形，即表现出较高的塑性。同时裂纹不易产生也不易传播，从而在断裂过程中吸收了更多的能量，即表现出较高的韧性。,3. 位错强化,机制： 通过冷变形等方式提高位错密度，利用位错间的交互作用使位错运动受阻，来使强度提高。,模型： 流变应力和位错密度之间的关系（Bailey-Hirsch公式）： = 0 + Gb1/2,金属中位错密度越高，则位错运动时越容易发生交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。,位错运动与材料力学性能之间的关系：只要能阻碍位错滑移，就能提高金属材料的
6、强度，同时降低了金属的塑性。,线缺陷 位错,线缺陷指各种类型的位错（dislocation），它是在晶体中有一列或若干列原子发生了有规律的错排后形成的线性点阵畸变区。,位错理论的产生,位错概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来。,1926年弗兰克尔从理论上推算了金属的切变强度。建立的模型：在外力作用下所有原子同时偏离平衡位置，做整体切变运动。（要求滑移面上全部的键同时破断）,宏观描述,微观描述,模型的局限性：实际测出的切变强度值比根据公式计算出的切变强度值小了24个数量级。,位错概念的提出：人们设想在晶体中存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程在局部地方发生、扩展，而不需要两个晶面作整体的相对刚性
7、滑动。如果是这样，就有可能降低晶体滑移所需要的切应力。,这一假设成功地解释了晶体理论切变强度与实际强度值之间不可思议的差值。,1934年G.L.Taylor、M.Polanyi和E. Orowan三人几乎同时分别提出了位错（dislocation）的模型。,晶体塑性变形时产生的切变不是上下两排原子同时运动的结果，而是通过晶体中某些局部区域（位错附近区域）原子的移动，并像波一样传播到整个平面上的结果。,位错易动性的示意说明,KCl晶体是透明的，用杂质“缀饰”位错以便可以见到它（白色）。,KCl中的位错,位错的电子显微镜观察,4. 沉淀相颗粒强化,（1）可形变颗粒,（2）不可形变颗粒,多相合金的强
8、化机制： 位错与沉淀析出相的交互作用。弥散分布的沉淀相可以有效地阻碍位错运动。,通常与母相基体处于共格状态。与位错作用为“切过机制”，可有显著的强化作用。,通常具有较高硬度和一定尺寸（1um),与母相基体处于半共格或非共格状态。与位错作用为“绕过机制”。强化作用的大小取决于粒子间距，间距越小（或同体积分数下数目越多），强化越显著。,（3）粗大的沉淀相群体,如两相组织为不同晶粒尺寸时，先形成相会制约后形成相的晶粒尺寸，可能引起另一相的细化。此外，硬、软相搭配，会发生其中一相加工硬化的强化效果。,金属材料的韧化原理改善金属材料韧性断裂的途径是： 减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量提高基体塑性，从面可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗；增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中；避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展；金属材料的各种强化 。,
