金属的强化机制及强韧性能的控制
金属材料强韧化原理及应用ppt课件
Water – icosahedron（二十面体） Ether – dodecahedron（十二面体）
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 人类对材料微观结构认识的发展过程
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金属材料强韧化原理及应用
金属材料强韧化机理
物理强韧化：是在金属内部晶 体缺陷的作用和通过缺陷之间 的相互作用，对晶体的力学性 能产生一定的影响，进而改变 金属性能
化学强韧化：是元素的本质决 定的因素以及元素的种类不同 和元素的含量不同造成的材料 性能的改变
物理强韧化
化学强韧化
Q:相交处的强韧 化机制是什么？
固溶强化
弥散强化
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用
金属强化的途径
细晶强化
Grain refine strengthening: 通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为 细晶强化。
Decreasing grain size ⇒ σy increases ⇒ εu vanishes
即为通常所讲的强度上升， 而塑性下降。
未取向，实际强度比理论值小1000倍左右
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金属材料强韧化原理及应用
一些金属材料的理论强度与实际强度
实际材料断裂时的临界分切应力
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
Al 1.3
4.3
Mn 0.8
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室 温下也为A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
机械制造基础大作业
金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。
关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。
一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
下面简要的予以介绍：1、结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。
它包括：（1）细化晶粒。
细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。
同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
（2）提纯强化。
在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。
夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。
采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。
2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
如铜合金。
3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。
金属材料的强韧化机制与应用
金属材料的强韧化机制与应用对结构材料来说，最重要的性能指标是强度和韧性。
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标；韧性指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
以下介绍金属材料的主要强韧化机制。
一、金属材料的强化金属材料强化的类型主要有固溶强化、细晶强化（晶界强化）、第二相粒子强化和相变强化。
（一）固溶强化固溶强化是利用金属材料内部点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使得金属基体（溶剂金属）获得强化的一种方法。
它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。
1. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。
C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。
当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“S nock”气团。
这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。
2. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为软硬化。
形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。
由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。
（二）细晶强化晶界分为大角度晶界（位向差大于10o）和小角度晶界（亚晶界，位向差1~2o）。
晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。
铝合金的强韧化
E 由于基体和粒子中滑移面的取向不一致， 螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而 割阶会妨碍整个位错线的移动。
（2）不可变形微粒的强化作用—— 奥罗万机制
·适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的 情形。 使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为 τ=Gb/（2R）设颗粒间距为λ 则τ=Gb/ λ ∴Rmin=λ/2 只有当外力大于Gb/ λ 时，位错线才能绕过粒子。 减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金 的强度提高。
4 其它强韧法
铝合金的强韧化手段还有很多, 如激光 冲击强化、复合强化(利用陶瓷、碳纤维、 晶须、颗粒等增强铝基体)、优晶处理等
纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体， 起固溶强化作用，可使其强度提高。AlCu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二 元合金一般都能形成有限固溶体，并且均 有较大的溶解度，因此具有较大的固溶强 化效果。
对于不可热处理强化或强化效果不大的铸 造铝合金和变形铝合金，可以通过加入微 量合金元素细化晶粒，提高铝合金的力学 性能。例如二元铝硅合金以及所有高硅合 金淬火及时效后强化效果很弱，若在浇注 前往液态合金中加入微量的钠或钠盐等进 行变质处理，那么合金组织将显著细化， 从而显著提高合金的强度和塑性。
1.2 添加新合金元素
将锰添加到7XXX 系铝合金中,能起细化晶粒、 阻碍基体晶粒长大和再结晶的作用, 并且在不降低 合金塑性和韧性的情况下显著提高合金强度。合 金强度提高的主要原因是过饱和铝合金固溶体分 解形成细小、弥散含锰相,含锰相促进了晶粒的均 匀塑变,细化了滑移带的宽度, 从而降低了应变或应 力集中,使材料塑性得到提高。 。
钢的强韧性
钢的强韧性能
金属的强韧性能包括强度(屈服强度σs和抗拉强度σb)、塑性(延伸率δ和断面收缩率ψ)和韧性(脆性转变温度Tc和冲击功Ak)，它们之间是互相牵连又是相互矛盾的，很难使其中的某一项性能单独地发生变化。
结构钢材的发展方向是要获得高强韧性的材料，因此，控制钢材的强韧化是钢材生产中重要的一环。
钢材强韧化机制主要包括有变形强化、晶界强化、析出强化、亚晶强化、相变强化和织构强化几种。
不同的强韧化机制可以通过不同的控制手段加以实现。
变形强化:多晶体的塑性变形可以导致金属的力学、物理及化学性能改变，随着变形程度的增加，σs、σb、硬度都将增加，塑性指标下降，电阻增加，抗腐蚀性和导热性下降。
金属在塑性变形过程中产生的这种综合现象称为变形强化。
变形强化现象可以用位错理论来解释。
晶体中存在的各种缺陷、障碍物等作为变形初期的位错源，增殖出更多的位错，位错边缠结边移动(见位错缠结)。
然而，由于析出相、晶界等障碍物的作用，位错运动逐渐被阻止。
在同一滑移面上依次移动过来的位错在障碍物前停止，并塞积起来(见位错塞积)。
塞积位错不能运动，其反作用应力同时抑制住位错源的活动。
位错从析出物之间通过时，即使能通过，在析出物的周围也要留下位错环，它与析出物间隔变小具有相同的效果，使得通过越来越困难，即需要更大的应力才能通过。
不仅如此，位错的互相交截(见位错交截)、互相反应(见位错反应)，造成割阶、空位，形成更多的妨碍位错运动的因素。
随着变形的进行，位错运动更加困难，位错密度增加，位错源的活动
也受到抑制，需要更大的应力才能继续变形，这就形成了变形强化。
金属的强化机制及强韧性能的控制
金属的强化机制及强韧性能的控制强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。
应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
一、强化机制强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。
直到1934年，奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。
在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。
而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。
可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的。
固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属，一般都要合金化。
合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。
铜与铜合金力学性能及强韧化机制
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研究展望与发展趋势
新材料设计与开发
高强度高导电铜合金
利用新材料设计技术，开发高强度、高导电性的铜合金，以满足能源、电子等领域对高性能材料的需求。
纳米结构铜合金
通过控制合金的纳米结构，提高铜合金的力学性能和功能性能，如开发具有高强度、高韧性的纳米结构铜基复合材料 。
生物相容性铜合金
针对医疗领域的需求，开发具有生物相容性、耐腐蚀性的铜合金，用于制造医疗器械和植入物。
热处理可以通过调整铜合金的相组成和微观 结构，进一步提高其力学性能。例如，通过 固溶处理和时效处理，可以析出强化相，提
高铜合金的强度和硬度。
复合强化机制
通过同时采用多种强化机制，可以进一步提高铜合金 的力学性能。例如，通过同时添加合金元素、控制加 工和热处理过程以及采用复合材料结构，可以获得具 有优异力学性能的铜合金。
延伸率
同时，铜与铜合金也具有良好的塑性，延伸率一 般在30%-60%之间。
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弹性模量
此外，铜与铜合金的弹性模量较低，具有较好的 弹性性能。
硬度测试
硬度值
通过硬度测试，可以得出铜与铜合金的硬度值，一般在 80-220 HV之间。
硬度均匀性
铜与铜合金的硬度分布较为均匀，这有利于提高其力学 性能。
疲劳测试
先进表征技术应用
原位表征技术
利用原位表征技术，在实时监测下研究铜合 金在力学、电学和化学环境中的性能表现， 以揭示其内在机制。
分子动力学模拟
运用分子动力学模拟方法，从原子尺度模拟和预测 铜合金的性能，为材料设计提供理论指导。
人工智能与数据科学
应用人工智能和数据科学方法，对实验数据 进行深度挖掘和分析，揭示铜合金性能与微 来自结构之间的关联。感谢观看
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金属的强化机制及强韧性能的控制
强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。
应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
一、强化机制
强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。
直到1934年，奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。
在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。
而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。
可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的。
固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属，一般都要合金化。
合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。
合金元素对基体的固溶强化作用决定于溶质原子和溶剂原子在尺寸、弹性性质、电学性质和其他物理化学性质上的差异，此外，也和溶质原子的浓度和分布有关；固溶强化的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。
形变强化随着塑性变形量增加，金属的流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。
形变强化是金属强化的重要方法之一，它能为金属材料的应用提供安全保证，也是某些金属塑性加工工艺所必须具备的条件。
为了说明形变强化的物理实质，必须了解在形变过程中位错的产生、分布和运动与流变强度的关系。
阶段Ⅰ的强化可以认为是通过形成位错偶使大量位错受到羁绊而阻滞，但是偶中正负号位错的长程应力场在很大程度上互相抵销，因而位错偶只提供很小的阻止位错运动的应力场，导致阶段Ⅰ的强化效应微弱。
阶段Ⅱ的强化模型很多，以西格根据莫特所提出的位错塞积群长程应力强化模型比较经典，可得出流变强度与位错密度的线性关系式，同时推算的结果和实验结果也比较符合。
形变强化的第Ⅲ阶段应力-应变曲线呈抛物线形，亦即强化效应逐渐
下降，这是因为在高形变量下出现大量交滑移及异号位错兼并的缘故。
由于应力的提高，有些位错可能绕过障碍前进，这些都减少强化效应。
也就是说，在阶段Ⅲ有动态回复出现。
在多晶金属的加工硬化过程中，阶段Ⅱ强化起决定性作用。
为了保持多晶体塑性变性的连续性和协调性，每个晶粒发生变形时，必须有五个以上的滑移系统同时开动；所以，在多晶体里实际上不存在象单晶那样的阶段Ⅰ单系滑移和强化。
总之，形变强化决定于位错运动受阻，因而强化效应与位错类型、数目、分布、固溶体的晶型、合金化情况、晶粒度和取向及沉淀颗粒大小、数量和分布等有关。
温度和受力状态有时也是决定性的因素。
细化晶粒强化随着晶粒的细化，断裂强度比屈服强度有更大幅度的提高，同时冲击韧性也得到改善，如同属体心立方金属的低碳钢和钼，晶粒每细化一级，韧性－脆性转变温度可分别降低10～20℃及24℃。
在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。
所以近年来细化晶粒工艺受到高度重视和广泛应用。
当前正在发展中的快冷微晶合金便是其中一例。
有上述优异性能的原因可以从两方面考虑：①晶界所占比例较大，晶界结构近似非晶态，在常温下具有比晶粒更高的强度；②细小晶粒使位错塞积所产生的正应力随之降低，不容易产生裂纹，从而表现为提高强度而不降低塑性。
但细晶粒金属的高温强度下降，这是因为在高温下晶界强度降低了，特别在变形速度很低的情况下（蠕变），这种效应更为突出。
纤维强化根据断裂力学观点，高强度材料可容许存在的临界裂纹尺寸很小，一旦出现裂纹就很快扩展，容易发生断裂。
而将细纤维排在一起，粘结起来，可免除上述缺点，是解决脆性高强材料用于实际结构的一个重要途径。
因为经过复合之后，不但解决了纤维的脆性问题，也提高了材料的比强度、比模量和疲劳性能。
辐照强化由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子，这些缺陷阻碍位错运动，从而产生强化效应。
二、强韧性能的控制
强韧性是指金属材料的强度和韧性而言。
衡量金属材料强度的指标有屈服极限、抗拉强度等。
但常用者为屈服强度。
衡量韧性的指标可有冲击韧性和脆性转变温度等。
冲击韧性或冲击功冲击功的大小，一般是用冲击弯曲试验方法将试样冲断时所消耗的功来确定。
这样，试样断裂时所消耗的功A k可由三部分组成：（1）消耗于试样弹性变形的弹性功A e；
（2）消耗于试样塑性变形的塑性功A p；
（3）裂纹出现后，消耗于裂纹的发展以致完全断裂的斯裂功A d。
对于不同材料，冲击时所消耗的总功可能相同，但其中弹性功、塑性功和撕裂功三者所占的比例却可能相差很大。
弹性功——是表示材料在开始塑性变形前所吸收的变形能的大小；塑性功——是表示材料开始塑性变形以后以及进一步发展直到裂纹形成以前，所吸收的变形能的大小；撕裂功——表示裂纹发展直到完全断裂所吸收的变形能。
如果材料有较大的塑性功，则表现为断裂前有显著的塑性变形。
如果材料有很大的撕裂功，则表现为裂纹发展很慢，在断口附近有明显的塑性变形，而且断口为纤维状。
影响强韧性的因素晶粒的大小随着晶粒尺寸的减小，金属的屈服极限升高，脆性转变温度下降。
晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻碍越大。
晶粒越细，晶粒内部的位错源越少。
晶粒越细，位错在晶界处塞积而引起的应力集中越小且分散，不容易产生微裂纹，韧性提高。
珠光体的数量、大小及分布珠光体为渗碳体与铁素体所组成的混合物。
在通常的情况下，珠光体中的渗碳体与铁素体成相间排列而构成片层状组织。
在一定的条件下，珠光体中的渗碳体可呈颗粒状，称为粒状珠光体。
一般来说，珠光体的体积百分数增大时，使钢材硬化，从而导致钢的韧性变坏。
Nb、V、Ti等合金元素的作用铌、钒、钛等合金元素皆与碳、氮有极强的亲合力，能够形成极为稳定的碳氮化物。
在钢中都有细化晶粒，提高晶粒粗化温度的作用，并对强度和韧性也各自有其不同的影响。
细化晶粒，提高晶粒粗化温度。
Nb、V等合金元素皆有细化晶粒和提高晶粒粗化温度的良好作用。
产生析出硬化。
如前所述，在钢中加入Nb、V、Ti等合金元素后皆可形成碳氮化物。
其所产生的强化作用与析出碳化物质点的大小有关。
当析出物微细而阻碍位错运动时，可使金属的强度提高。