第二相强化案例.pptx

第六章第六章 第二相强化第二相强化目录目录o第一节第一节 第二相强化机制的分类第二相强化机制的分类o第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制o第三节第三节 弥散强化机制弥散强化机制o第四节第四节 第二相粒子强化的特点第二相粒子强化的特点第一节 第二相强化机制的分类一、第二相强化的概念第二相强化：由于弥散分布于基体中的第二相粒子阻碍位错运动而引起的强化。第二相强化：由于弥散分布于基体中的第二相粒子阻碍位错运动而引起的强化。例如，例如，Al合金时效硬化过程：合金时效硬化过程：固溶固溶+水淬水淬+时效时效1.欠时效：欠时效：2.峰时效：峰时效：3.过时效：过时效：第二相强化机制就是要解释：为什么随着组织的变化，会产生性能的变化？第二相强化机制就是要解释：为什么随着组织的变化，会产生性能的变化？第一节第一节 第二相强化机制的分类第二相强化机制的分类Al-Mg-Si 合金中的析出相和晶界无析出带合金中的析出相和晶界无析出带 Al-Mg-Si合金性能随时效时间的变化合金性能随时效时间的变化可变形粒子强化：位错切过第二相粒子所引起的强化作用（切过机制），可变形粒子强化：位错切过第二相粒子所引起的强化作用（切过机制），与粒子特性有关；与粒子特性有关；不可变形粒子强化：位错绕过第二相粒子所引起的强化作用（绕过机制），不可变形粒子强化：位错绕过第二相粒子所引起的强化作用（绕过机制），与粒子特性无关；与粒子特性无关；二、第二相粒子二、第二相粒子沉淀相粒子：合金时效析出的粒子；沉淀相粒子：合金时效析出的粒子；弥散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，内氧化法）；弥散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，内氧化法）；可变形粒子：位错可切过的粒子（欠时效和峰时效析出的粒子）；可变形粒子：位错可切过的粒子（欠时效和峰时效析出的粒子）；不可变形粒子：位错不可切过的粒子（过时效析出的粒子，弥散相粒子）；不可变形粒子：位错不可切过的粒子（过时效析出的粒子，弥散相粒子）；三、强化机制三、强化机制沉淀相强化：指析出相引起的强化，主要指欠时效和峰时效引起的强化；沉淀相强化：指析出相引起的强化，主要指欠时效和峰时效引起的强化；弥散相强化：弥散相粒子产生的强化；弥散相强化：弥散相粒子产生的强化；第一节第一节 第二相强化机制的分类第二相强化机制的分类第二节 沉淀强化机制可变形粒子的特点：可变形粒子的特点：（1）与基体共格；）与基体共格；（2）位错可以切过。）位错可以切过。（可变形粒子强化机制）（可变形粒子强化机制）把第二相粒子视作一个错配球，其应力应变场把第二相粒子视作一个错配球，其应力应变场与位错的弹性交互作用。与位错的弹性交互作用。Al-Cu合金中的合金中的GP区区第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制或者：或者：常数；常数；常数，对于刃型位错常数，对于刃型位错=3，对于螺形位错，对于螺形位错=1；共格切应变；共格切应变；体积份数；体积份数；沉淀相粒子间距；沉淀相粒子间距；沉淀相粒子直径。沉淀相粒子直径。临界切应力（增量）：临界切应力（增量）：一、共格应变强化化学强化作用着眼于位错切过第二相粒子后形成新界面所引起的强化。化学强化作用着眼于位错切过第二相粒子后形成新界面所引起的强化。化学强化机制对于薄片状析出相比较重要，因为位错切过会引起较大的表化学强化机制对于薄片状析出相比较重要，因为位错切过会引起较大的表面积增量。面积增量。沉淀相粒子半径。沉淀相粒子半径。沉淀相体积份数；沉淀相体积份数；界面能；界面能；化学强化所引起的临界切应力（增量）可以表达为：化学强化所引起的临界切应力（增量）可以表达为：第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制二、化学强化作用 沉淀相体积份数；沉淀相体积份数；T 位错的线张力。位错的线张力。反向畴界能；反向畴界能；位错柏氏矢量；位错柏氏矢量；沉淀相粒子半径；沉淀相粒子半径；位错切过有序相粒子，产生位错切过有序相粒子，产生APB（反向畴界），使系统能量升高而造成的强化。（反向畴界），使系统能量升高而造成的强化。沉淀相为金属间化合物时，呈现有序点阵结构，且与基体保持共格关系。沉淀相为金属间化合物时，呈现有序点阵结构，且与基体保持共格关系。有序强化所引起的临界切应力（增量）为：有序强化所引起的临界切应力（增量）为：三、有序强化第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制 第二相粒子的弹性模量与基体的弹性模量不同，使位错切过粒子时自身第二相粒子的弹性模量与基体的弹性模量不同，使位错切过粒子时自身的能量发生了变化，从而引起的强化效应，称之为模量强化。的能量发生了变化，从而引起的强化效应，称之为模量强化。位错线进入硬粒子时，能量升高；位错线进入软粒子时，能量降低。位错线进入硬粒子时，能量升高；位错线进入软粒子时，能量降低。模量强化所导致的临界切应力（增量）为：模量强化所导致的临界切应力（增量）为：这种强化机制在这种强化机制在Al-Li合金中起着重要作用。合金中起着重要作用。粒子的平均间距。粒子的平均间距。软相（基体相）弹性模量；软相（基体相）弹性模量；硬相（强化相）弹性模量；硬相（强化相）弹性模量；基体剪切模量；基体剪切模量；四、模量强化第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制当沉淀相粒子中层错能远小于基体时，产生的临界切应力（增量）为：当沉淀相粒子中层错能远小于基体时，产生的临界切应力（增量）为：层错强化主要适用于：密排点阵，以形成扩展位错；层错强化主要适用于：密排点阵，以形成扩展位错；沉淀相粒子与基体之间的层错能差异较大。沉淀相粒子与基体之间的层错能差异较大。五、层错强化层错强化：第二相粒子的层错能与基体的层错能不同时，会引起扩展位错能量的改变，层错强化：第二相粒子的层错能与基体的层错能不同时，会引起扩展位错能量的改变，产生运动的阻碍。产生运动的阻碍。其中：其中：，为，为 角与角与；扩展位错的平均宽度。扩展位错的平均宽度。有关的系数；有关的系数；扩展位错中部分位错的柏氏矢量；扩展位错中部分位错的柏氏矢量；第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制P-N力强化：第二相粒子的力强化：第二相粒子的P-N力大于与基体的力大于与基体的P-N力时引起位错运动阻力增大。力时引起位错运动阻力增大。位错柏氏矢量。位错柏氏矢量。沉淀相粒子的体积份数；沉淀相粒子的体积份数；沉淀相粒子的直径；沉淀相粒子的直径；沉淀相粒子的强度；沉淀相粒子的强度；基体相的强度；基体相的强度；基体剪切模量；基体剪切模量；P-N力强化所产生的临界切应力（增量）为：力强化所产生的临界切应力（增量）为：强化效果正比于沉淀相与基体的强度差。强化效果正比于沉淀相与基体的强度差。六、派纳（P-N）力强化 第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制 总体上来说，以上六种强化为可变形粒子有可能引起的基本强化机总体上来说，以上六种强化为可变形粒子有可能引起的基本强化机制。对于不同体系而言，可能是其中的一种或两种起作用。而且体积份制。对于不同体系而言，可能是其中的一种或两种起作用。而且体积份数越大，尺寸越大，强化效果越明显。数越大，尺寸越大，强化效果越明显。例如，例如，Al-Li合金中，由于合金中，由于 相非常细小，共格应变强化效果很小。相非常细小，共格应变强化效果很小。此时，有序强化和模量强化占主导地位。此时，有序强化和模量强化占主导地位。一般来说，共格应变强化起主要作用。但是，也有一些例外的情况。一般来说，共格应变强化起主要作用。但是，也有一些例外的情况。？问题：如何知道一个相的共格应变是大还是小呢？问题：如何知道一个相的共格应变是大还是小呢？小结小结第二节第二节 沉淀强化机制沉淀强化机制屈服强度升高屈服强度升高加工硬化率下降加工硬化率下降延伸率下降延伸率下降第三节 弥散强化机制（不可变形粒子强化机制）（不可变形粒子强化机制）不可变形粒子的特点：不可变形粒子的特点：（1）弹性模量远高于基体的弹性模量；）弹性模量远高于基体的弹性模量；（2）与基体非共格。）与基体非共格。这种特点决定了位错只能绕过第二相，且阻力主要来源于：这种特点决定了位错只能绕过第二相，且阻力主要来源于：位错线弓弯所需的力；位错线弓弯所需的力；加工硬化率的明显升高；加工硬化率的明显升高；第二相粒子与基体变形的不协调（辅助作用）。第二相粒子与基体变形的不协调（辅助作用）。1.弥散强化模型弥散强化模型(Orawan模型模型)：第三节第三节 弥散强化机制弥散强化机制一、Orawan公式有两个因素没有考虑：有两个因素没有考虑：起初，人们利用这个公式的计算值作为第二相粒的临界切应力。起初，人们利用这个公式的计算值作为第二相粒的临界切应力。但后来发现，它比实际值小得多。但后来发现，它比实际值小得多。粒子尺寸；粒子尺寸；界面对位错线的排斥作用。界面对位错线的排斥作用。基体剪切模量。基体剪切模量。临界切应力；临界切应力；硬粒子间距；硬粒子间距；（一般取（一般取x0.1D）但计算结果仍然比实际测量值低。还要修正。但计算结果仍然比实际测量值低。还要修正。第三节第三节 弥散强化机制弥散强化机制一、一、Orawan公式公式2.有效粒子尺寸的确定又又位错绕过粒子的临界条件是：位错绕过粒子的临界条件是：又，取又，取R3D时与实际测量值符合得很好，时与实际测量值符合得很好，第三节第三节 弥散强化机制弥散强化机制二、Orawan公式的修正R位错绕过起始颈部距离；位错绕过起始颈部距离；r0位错中心尺寸，取位错中心尺寸，取r0b；k与位错性质有关的系数，取与位错性质有关的系数，取K1。粒子与基体切变不协调对强化的影响：粒子与基体切变不协调对强化的影响：由于临界切应力仅仅与起始塑性变形有关，可以考虑两相在弹性变形阶段的不协调性。由于临界切应力仅仅与起始塑性变形有关，可以考虑两相在弹性变形阶段的不协调性。而弹性阶段的不协调性只产生力，并不产生错配位错。而弹性阶段的不协调性只产生力，并不产生错配位错。第三节第三节 弥散强化机制弥散强化机制三、Orawan公式的进一步修正外反外反+硬粒子与基体弹性变形不协调性模型：硬粒子与基体弹性变形不协调性模型：在外力作用下，无颗粒时，孔将发生变形；在外力作用下，无颗粒时，孔将发生变形；有硬粒子时，基体产生变形，维持界面的连续性；有硬粒子时，基体产生变形，维持界面的连续性；变形不协调性的结果：引起与外力应力相反的切应力变形不协调性的结果：引起与外力应力相反的切应力反第四节 第二相粒子强化的特点（2）下降下降1、可变形粒子强化对材料塑性的影响、可变形粒子强化对材料塑性的影响（1）屈服强度明显提高）屈服强度明显提高析出相沉淀于位错线上，给位错启动造成阻力，从而使位错临界切应力析出相沉淀于位错线上，给位错启动造成阻力，从而使位错临界切应力提高，即切过机制造成的临界切应力提高提高，即切过机制造成的临界切应力提高。位错切过阻力逐渐降低；位错切过阻力逐渐降低；沉淀相粒子使位错平面塞积的可能性降低。沉淀相粒子使位错平面塞积的可能性降低。从而造成加工硬化率下降。从而造成加工硬化率下降。由于粒子很细小，且与基体共格；由于粒子很细小，且与基体共格；所以，可变形粒子强化对局部延伸率影响不大。所以，可变形粒子强化对局部延伸率影响不大。总体来说，使材料塑性迅速下降。总体来说，使材料塑性迅速下降。一、第二相粒子强化对材料塑性的影响第五节第五节 第二相粒子强化的特点第二相粒子强化的特点上述两个特点造成均匀延伸率下降；上述两个特点造成均匀延伸率下降；位错绕过阻力逐渐升高；位错绕过阻力逐渐升高；第二相粒子使位错平面塞积的可能性增大。第二相粒子使位错平面塞积的可能性增大。从而使均匀延伸率升高；从而使均匀延伸率升高；由于粒子与基体结合性不好，使局部延伸率下降；由于粒子与基体结合性不好，使局部延伸率下降；总体来说，使材料塑性比固溶体下降，但比欠时效和峰时效态塑性高。总体来说，使材料塑性比固溶体下降，但比欠时效和峰时效态塑性高。第五节第五节 第二相粒子强化的特点第二相粒子强化的特点2、不可变形粒子强化对材料塑性的影响、不可变形粒子强化对材料塑性的影响一、第二相粒子强化对材料塑性的影响1、可变形粒子强化（沉淀强化）、可变形粒子强化（沉淀强化）最主要的就是增加析出相的体积份数。最主要的就是增加析出相的体积份数。（1）提高固溶温度，增加淬火速度；）提高固溶温度，增加淬火速度；（2）快速凝固（从液相）；）快速凝固（从液相）；（3）利用同类异构转变（奥氏体淬火为过饱和马氏体）。）利用同类异构转变（奥氏体淬火为过饱和马氏体）。例如，马氏体时效钢是目前强度最高的金属（例如，马氏体时效钢是目前强度最高的金属（4GPa），其原因何在？），其原因何在？（1）形变时效）形变时效形成高密度位错，使析出相在位错处形核；形成高密度位错，使析出相在位错处形核；（2）分级时效）分级时效低温下形成高密度的晶核，高温下再生长。低温下形成高密度的晶核，高温下再生长。二、第二相粒子强化机制的利用第五节第五节 第二相粒子强化的特点第二相粒子强化的特点增加溶质原子的过饱和度增加溶质原子的过饱和度选应合适的时效工艺选应合适的时效工艺成分：成分：Fe18Ni10MoCo合金，合金，C0.02%（越少越好）；（越少越好）；基本组织：板条马氏体（尺寸细小的板条，内部为高密度的位错）；基本组织：板条马氏体（尺寸细小的板条，内部为高密度的位错）；为高过饱和度的固溶体，时效析出为高过饱和度的固溶体，时效析出Ni3Mo沉淀相；沉淀相；综合了细晶强化、位错强化和沉淀强化三种机制，使材料强度极高。综合了细晶强化、位错强化和沉淀强化三种机制，使材料强度极高。提高过饱和度，以便析出大量的金属间化合物；提高过饱和度，以便析出大量的金属间化合物；粉末冶金变形；粉末冶金变形；采用纳米颗粒采用纳米颗粒总会导致材料的早期失效：主要原因在于粒子太大，分布不均匀。总会导致材料的早期失效：主要原因在于粒子太大，分布不均匀。相同体积分数时，比可变形粒子强化率高得多；相同体积分数时，比可变形粒子强化率高得多；体积份数小于体积份数小于1时，细小弥散的硬粒子也能达到强化效果。时，细小弥散的硬粒子也能达到强化效果。（1）强化效果好）强化效果好第五节第五节 第二相粒子强化的特点第二相粒子强化的特点（2）改善方法是细化粒子，分散粒子：）改善方法是细化粒子，分散粒子：2、不可变形粒子强化（弥散强化）、不可变形粒子强化（弥散强化）二、第二相粒子强化机制的利用复习要点复习要点第一章第一章（1）位错的概念、分类及特点；）位错的概念、分类及特点；（2）位错应力）位错应力-应变场特点及弹性能计算；应变场特点及弹性能计算；（3）作用在位错线上的力的特点及典型位错交互作用；）作用在位错线上的力的特点及典型位错交互作用；（4）了解位错与界面交互作用的特点及镜像位错的概念。）了解位错与界面交互作用的特点及镜像位错的概念。第二章第二章（1）P-N模型和模型和P-N力；力；（2）全位错、部分为错、层错、扩展为错的概念及）全位错、部分为错、层错、扩展为错的概念及Thompson记号；记号；（3）位错锁、压杆位错、面角位错形成机制；）位错锁、压杆位错、面角位错形成机制；（4）层错四面体形成机制。）层错四面体形成机制。第三章第三章（1）位错增殖机制；）位错增殖机制；（2）位错运动的阻力及流变应力表达式的推导；）位错运动的阻力及流变应力表达式的推导；（3）Orawan公式及屈服现象分析；公式及屈服现象分析；（4）孪生及位错强化的特点。）孪生及位错强化的特点。第四章第四章（1）晶界的结构及特点；）晶界的结构及特点；（2）晶界强化模型及）晶界强化模型及Hall-Petch公式推导；公式推导；（3）晶界强化的特点及利用。）晶界强化的特点及利用。第五章第五章（1）错配球模型应力）错配球模型应力-应变场的特点及其适用性；应变场的特点及其适用性；（2）Cottrell、Snoek、Suzuki气团的形成机制和特点；气团的形成机制和特点；（3）有序强化的特点及其流变应力反常温度现象产生的机制；）有序强化的特点及其流变应力反常温度现象产生的机制；（4）固溶强化的特点及形变时效（锯齿流变现象）机制分析。）固溶强化的特点及形变时效（锯齿流变现象）机制分析。第六章第六章（1）沉淀强化和弥散强化的机制和特点；）沉淀强化和弥散强化的机制和特点；（2）结合）结合Al合金时效行为分析第二相强化机制的特点。合金时效行为分析第二相强化机制的特点。谢谢！谢谢！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。