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1、第4章 材料强化,4.1 概述,4.2 力学实验与材料性能,4.4 固 溶 强 化,4.3 加 工 硬 化,4.5 弥 散 强 化,4.6 固态相变强化,2个学时,2个学时,2个学时,4.5 弥 散 强 化,所谓弥散强化，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应，通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。,如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化,这就是弥散强化的由来。,在弥散强化合金中，一定存在着一种以
2、上的相，含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物。,弥散强化合金中常常含有金属间化合物。所谓金属间化合物，是指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又硬又脆。,非化学价金属间化合物的成分不像化学化合物那样严格，它可以在一定的范围内变化。非化学价金属间化合物又称为金属间固溶体。,化学价金属间化合物具有固定的成分。钢铁中就是依靠化学价化合物Fe3C来获得强化的。,图4.24金属间固溶体相图(a)Al-Sb相图(b)Mo-Rh相图,化学价化合物,金属间固熔体,为了利用金属间化合物的高熔点、高硬度、抗氧化性以及抗蠕变性等性
3、能，有些新材料本身就是全部由金属间化合物所组成的。,金属间化合物中，有两个非常重要的材料。一个是TiAl，又称为合金。另一个是Ti3Al，又称为合金。这两种金属间化合物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和航天飞机。,Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻，耐腐蚀。硬度与钢铁差不多，但比重小一半，稍比Al大，但强度（硬度）是Al的2倍。这对航空业的材料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中，就大量用Ti代替钢。另外，Ti粉可用做燃料，是火箭的好燃料。Ti被誉为宇宙金属、空间金属。人们是这样描述的：人类对金属的应用，如果把Cu当作第一代，Fe第二代，Al第三代，则Ti就是超越了前辈的第四代金属。,常温下，Ti
4、不与无机酸反应，即使是王水也不能溶解。有人做过实验，把一块Ti沉到海底，经5年后取上来观察，一点没有生锈，依旧亮闪闪的。这个用于轮船，潜艇就非常有利。除此之外，Ti没有磁性。这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时，它的强度大，Ti潜艇可在深达4500m的深海中航行。,高温下，Ti能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、很难熔的化合物，如TiN，TiC，TiB，TiB2，或与许多金属形成金属间化合物。其中 在18002000下发生反应：Ti+CTiC（黑色）。TiC熔点3100，硬度高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具材料。r-TiAl，金属间合物，高硬度比，耐高温，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空
5、材料。,-TiAl，-Ti3Al 这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。例如，在面心正方结构的TiAl中，Ti原子占据8个角和上下两个面的面心的晶格位置，而Al原子占据其余4个侧面的面心位置。这种有序结构使位错滑移更加困难，同时有序结构也增大了原子扩散的难度，因此增大了材料的高温蠕变强度。,在共晶反应中，会生成相和相两种固相。这两个固相的化学成分由共晶反应线的两端来决定。,相的凝固会促进相的凝固，而相的凝固也会促进相的凝固。这是共晶反应的一个重要特点。,图4.25 Sn-Pb相图,含锡量为61.9%的锡铅合金是共晶合金。这一合金在183以上时为液相，液相的成分也为61.9%。当这一合金液相冷
6、却到183时，开始发生共晶反应，也就是：,含锡量为19%的相+含锡量为 97.5%的相。,含锡量为61.9%的液相,共晶反应,图4.26 锡铅合金共晶组织示意图,当锡铅合金的含锡量在19%61.9%之间时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在61.9%97.5%之间时，则称为过共晶合金。,图4.27 Pb-Sn合金的成分和强化机制对抗拉强度的影响,有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生断裂。,Al2O3的熔点很高，为2020，常用作
7、盛放液态金属的耐火材料。CaO的熔点则更高，为2570。但如果Al2O3耐火砖接触到CaO后，会产生一系列的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的炼钢温度，就可能引起耐火材料的破坏。,可以用来强化材料的固态相变有：时效强化、共析反应，非平衡态的马氏体相变，所有这些固态相变都需要经过热处理,4.6 固态相变强化,通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能在材料冶炼制备过程中采用一次。但是，控制固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次采用。,图4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的组织结构,只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位错继续滑移。如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列
8、保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那么析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物的影响，这种析出物称为共格析出物。位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。,共格析出物,图4.29 Al-Cu合金的时效强化过程,时效强化的合金是不能在高温状态下使用的。,时效强化合金面临的另一个问题是焊接。,图4.30铁-碳相图,在铁-碳相图中，含碳量为0.77%时为共析成分，这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到727以上时，出现单一的相。相冷却到727时，发生如下的共析反应：,含碳量为0.77%的相,含碳量为0.0218%的+含碳量为6.67%的Fe3C,
9、这种薄片状的相和Fe3C互相叠在一起的组织称为珠光体（Pearlite）。,图4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组织结构变化,共晶反应的合金的结晶 1.相图分析 PbSn合金相图（图2-14中），AEB为液相线，ACENB为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、）；三个两相区（L+、L+、+）；一条的三相L+共存线（水平线cde）。E点为共晶点。,这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线CEN为共晶反应线。CF线为Sn在Pb中的溶解度线（或相的固溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态相中析出的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表示为：。NG线为Pb在Sbn中溶解度线（或相的固溶线）。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次；即。,2.合金的平衡结晶过程,3.合金的结晶过程 合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和相。,共晶合金组织的形态,4.合金的结晶过程 合金的室温组织为初生+(+)，合金的组成相为和。,
