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1、第二节 材料强化机制,材料的强化机制,通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服强度和断裂强度。,大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径。,固溶强化：,当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。,固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。,不同溶质原子在位错周围的分布状态,Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原
2、子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）,细晶强化：,合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。,在右图中，低碳钢的s 与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系，可用下式表示： s 0+Kd1/2 HallPetch公式,细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，获得最佳的强韧性配合。,加工硬化：,加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升
3、高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。,晶粒度对加工硬化曲线的影响,加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。,晶体结构对加工硬化曲线的影响,时效强化：,时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。,第二相强化（弥散强化）：,通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。 第二相一般指各种化合物质点。,第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分
4、布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。,弥散型两相合金强化的主要影响因素： 1）颗粒直径 2）第二相含量（体积分数） 3）第二相的分布状态,复合强化：,利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。,固态相变,塑性金属材料的强化机制表明：通过热处理中的加热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生变化，最终导致材料性能产生变化。,固态相变是
5、指固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。,材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。固态相变主要包括三种基本变化：1）晶体结构的变化；2）化学成分的变化；3）有序程度的变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。,材料科学遇到的相变习惯上分为扩散型相变和无扩散型相变两大类。,扩散型相变的特点是通过激活原子运动而产生，要求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。,无扩散型相变的特点是相变中原子不发生扩散、原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子的相互位置不变。在低温下原子不能扩散
6、时易发生这类转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的同素异构转变（-Co（hcp）与-Co（fcc） 。,固态相变的热力学条件：,固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程G0是否成立。,与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应变能，即,G VGV S VGe,式中：V为新相体积；S为新、旧相的界面积；GV和Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；表示新、旧相界单位面积的界面能。,固态相变的动力力学条件：,固态相变的动力学主要讨论相变进行的速率问题，固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变温度有关的函数。,动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和组分对相变过程的影响及控制相变产物的组成等内容。,固态相变的晶体学：,固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相形成的原子迁移过程。,
