1、1第六节第六节 纯金属的形变强化纯金属的形变强化 一、金属的形变强化一、金属的形变强化退火纯铜的拉伸曲线退火纯铜的拉伸曲线金属在塑性变金属在塑性变形过程中，形过程中，流变应流变应力随应变量力随应变量增加而增加而增大增大的现象或金的现象或金属经属经冷塑性变形冷塑性变形后，后，强度和硬度升高，强度和硬度升高，塑性和韧性下降的塑性和韧性下降的现象，也称现象，也称加工硬加工硬化化或冷作硬化或冷作硬化2 二、形变强化的位错机理二、形变强化的位错机理 1.1.位错的交割位错的交割交割后，可能在位错线上交割后，可能在位错线上产生弯折产生弯折一段柏氏矢量一段柏氏矢量不变、长度与另一位错的柏氏矢量相同的位错段不
2、变、长度与另一位错的柏氏矢量相同的位错段 扭折扭折滑移面与原位错滑移面相同的弯折，滑移面与原位错滑移面相同的弯折，它不影响原位错线的滑移运动它不影响原位错线的滑移运动 割阶割阶滑移面与原位错滑移面不同的弯折，滑移面与原位错滑移面不同的弯折，它阻碍原位错线的滑移运动它阻碍原位错线的滑移运动通常把位错彼此通常把位错彼此交叉通过交叉通过的过程叫做位错的的过程叫做位错的交割交割3vl所指向的那部分晶体必沿着所指向的那部分晶体必沿着b b的方向运动的方向运动位错运动和晶体运动的关系；位错运动的相对性位错运动和晶体运动的关系；位错运动的相对性DCbCDBA刃型位错刃型位错刃型位错交割刃型位错交割扭折扭折扭
3、折与原位错线在同一滑移面上，可随主滑移线一道扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主滑移线一道运动，几乎不产生阻力，也可因位错线张力而消失运动，几乎不产生阻力，也可因位错线张力而消失ABCDbABbCD运动方向运动方向4BA割阶割阶ABCDbCDbAB运动方向运动方向DCbCD割阶割阶 与原位错线不在同一滑移面上，也常常不与原位错线不在同一滑移面上，也常常不是易滑移平面。位错会受到阻力是易滑移平面。位错会受到阻力因为此割阶的滑移方向和原位错一致，所以因为此割阶的滑移方向和原位错一致，所以位错可以带着割阶运动位错可以带着割阶运动5刃型位错刃型位错螺型位错交割螺型位错交割bCDbABABCDPQQPC
4、DbPP ABbQQ 是割阶，滑移面是是割阶，滑移面是bAB bCD，与与AB的滑移面不同的滑移面不同是扭折，滑移面是是扭折，滑移面是bAB bCD，与与CD的滑移面相同的滑移面相同清华p273bCDbABABCDAB运动方向运动方向6螺型位错螺型位错螺型位错交割螺型位错交割CDbPP 是是割阶割阶,AB位错滑移方向由外力条件已定为水平面位错滑移方向由外力条件已定为水平面ABbQQ 是是扭折扭折，CD滑移面未定，可包含滑移面未定，可包含CD线的任意平面线的任意平面CbCDbABABD运动方向运动方向CABDPQQPbCDbAB运动方向运动方向7 当柏氏矢量当柏氏矢量 b 的位错线的位错线 l
5、沿沿 方向（位错线运动方向（位错线运动方向）运动时，方向）运动时，以位错运动面为分界面，以位错运动面为分界面，所指向的那部分晶体必沿着所指向的那部分晶体必沿着b的方向运动的方向运动vvlvl规规则则vl规规则则右手法则右手法则 和和8DCbCDABCDbCDbAB运动方向运动方向CbCDbABABD运动方向运动方向MBAbAB运动方向运动方向MABPP螺型位错上的刃型位错割阶螺型位错上的刃型位错割阶刃型位错上的刃型位错割阶刃型位错上的刃型位错割阶MP P M多余半原子面所在平多余半原子面所在平面，割阶攀移面，割阶攀移割阶滑移割阶滑移BA9带有扭折或割阶的位错带有扭折或割阶的位错,其柏氏矢量与携
6、带它其柏氏矢量与携带它们的位错相同们的位错相同扭折可因位错线张力而消失，但割阶不会因此扭折可因位错线张力而消失，但割阶不会因此而消失而消失扭折可随位错线一道运动，几乎不产生阻力，扭折可随位错线一道运动，几乎不产生阻力，割阶与原位错不在同一滑移面上，一般只能通割阶与原位错不在同一滑移面上，一般只能通过攀移随原位错一起运动，即使能随新位错一过攀移随原位错一起运动，即使能随新位错一起滑移，也增加其滑移阻力起滑移，也增加其滑移阻力说明说明P339最后一段101112 2.2.位错反应形成固定位错位错反应形成固定位错两根位错线相遇两根位错线相遇发生反应发生反应后，可能会生成固定位后，可能会生成固定位错错
7、滑移面不是晶体滑移面的位错。固定位错自滑移面不是晶体滑移面的位错。固定位错自身不能滑移运动，还会阻碍其他位错运动身不能滑移运动，还会阻碍其他位错运动晶体中会形成各种形式的固定位错。下面仅举例晶体中会形成各种形式的固定位错。下面仅举例其中的一种其中的一种梯杆位错梯杆位错1311262116aa层错1012110)111(abl)111()111(XZY1216a2116a1126a 1126a式中式中 的位错的位错为为固定位错固定位错，也称，也称梯杆位错梯杆位错或或压杆位压杆位错错这个固定位错这个固定位错和与它相连的层错和与它相连的层错及分位错合称为及分位错合称为面面角位错角位错或或屋顶位错屋顶
8、位错1016ab 121610162116aaa层错层错0112110)111(abl1216 1126aa层错1016110abl1415 3.3.位错增殖位错增殖随晶体滑移进行，位错会滑移出晶体或在晶界随晶体滑移进行，位错会滑移出晶体或在晶界消失，晶体中的位错会越来越少吗？消失，晶体中的位错会越来越少吗？0理论和实验得出流变应力理论和实验得出流变应力 位错密度位错密度晶体一开始就存在位错晶体一开始就存在位错经剧烈塑性变形后，金属晶体中位错数目可经剧烈塑性变形后，金属晶体中位错数目可增加增加45个数量级个数量级位错增殖位错增殖161)1)F-R（弗兰克弗兰克瑞德瑞德）位错）位错源机制源机制1
9、718F-R源的动作源的动作刃位错刃位错CD,被位错网节点钉住被位错网节点钉住沿沿b加切应力加切应力单位长度位错所受滑移力为单位长度位错所受滑移力为b，总是垂直于位错线总是垂直于位错线两两端端绕绕CD回回转转左左右右螺螺位位错错抵抵消消位错环和一小段弯曲位错位错环和一小段弯曲位错位错环向外扩张位错环向外扩张弯曲位错被拉直弯曲位错被拉直b19位错环遇到障碍物塞积后位错环遇到障碍物塞积后的应的应力集中会对位错源产生反作用力力集中会对位错源产生反作用力F-R源开动后并不能永远放出位错源开动后并不能永远放出位错位错环不断滑出晶体，位错环不断滑出晶体，晶体不断产生相对滑移，晶体不断产生相对滑移，AC,B
10、D随上部晶体滑随上部晶体滑出晶体时出晶体时20硅晶体中的硅晶体中的 F-R 源源由于晶体的由于晶体的各向异性各向异性，位错环各点的扩展速度未必相，位错环各点的扩展速度未必相同，实验观察到的位错环往往是同，实验观察到的位错环往往是多边形多边形21222)2)L 形位错源机制形位错源机制2324ABbCDEC1FDC2DC3EC4DEC5(a)L形位错形位错ECD,柏氏矢量为柏氏矢量为b，ED段不能滑移段不能滑移ED的滑移面不是晶体学上允许的滑移面ED的滑移面上没有引起滑移的剪切应力ED被障碍物钉扎(b)(d)(c)位错段位错段CD的滑移过程是绕的滑移过程是绕D旋转旋转位错段位错段DC1、DC2、
11、DC3为已滑移区和未滑移区的边界为已滑移区和未滑移区的边界ED段位错称为极轴位错，段位错称为极轴位错，DC段为扫动位错，扫动位错段为扫动位错，扫动位错在滑移过程中，类型是不断变化的在滑移过程中，类型是不断变化的25极 轴极 轴位错位错 26螺位错的交双滑移螺位错的交双滑移 当螺位错滑移受阻时当螺位错滑移受阻时,会转到与初始滑移面相交会转到与初始滑移面相交的另一个滑移面内继续滑移滑移越过障碍后，的另一个滑移面内继续滑移滑移越过障碍后，又交滑移到与初始滑移面平行的滑移面内的滑又交滑移到与初始滑移面平行的滑移面内的滑移运动称为双交滑移移运动称为双交滑移障碍障碍CBAFEDIHGJ3)3)双交滑移机制
12、双交滑移机制)111()111(XZY11027)101()110(XZY111CD1112ab体心立方铁的双交滑移体心立方铁的双交滑移位错环位错环ESE,S、CD段为螺位错，段为螺位错，E段为刃位错段为刃位错CD段遇障碍交滑移至（段遇障碍交滑移至（101）面后，又回到原来的（）面后，又回到原来的（101）面，形）面，形成新的位错环成新的位错环F-R源源2829IIddIIIIddIIIIIIdd临界分切应力临界分切应力 1.1.单晶体的典型应力应变曲线单晶体的典型应力应变曲线表示硬化的参量表示硬化的参量（1）硬化的应力）硬化的应力流变应力流变应力临界分切应力临界分切应力c（2）硬化率（硬化系
13、数）硬化率（硬化系数）单晶体典型的切应力切应变曲单晶体典型的切应力切应变曲线（显示塑性变形的三个阶段）线（显示塑性变形的三个阶段）dd 三、单晶体的形变强化三、单晶体的形变强化30Gb0 第阶段阶段 易滑移阶段。加工硬化系数易滑移阶段。加工硬化系数 很小很小IIddIIIIddIIIIIIdd临界分切应力临界分切应力通常只有通常只有一个滑移系一个滑移系进行滑移，无相互干扰现象，进行滑移，无相互干扰现象，硬化作用极小硬化作用极小金相显微镜下一般看不到滑移带金相显微镜下一般看不到滑移带电子显微镜下可以看到均匀分布的很长的滑移线电子显微镜下可以看到均匀分布的很长的滑移线 第阶段阶段 线性硬化阶段。线
14、性硬化阶段。硬化系数硬化系数 很很大，为一常数大，为一常数对应对应多滑移多滑移光学显微镜暗场下看到滑移带光学显微镜暗场下看到滑移带电子显微镜下可看到分布不均匀，电子显微镜下可看到分布不均匀，很清晰的滑移线很清晰的滑移线31 第第阶段阶段 抛物线型硬化抛物线型硬化阶段。加工阶段。加工硬化系数硬化系数逐渐减逐渐减小小IIddIIIIddIIIIIIdd临界分切应力临界分切应力对应对应交滑移交滑移形成大量滑移带，带中包含靠得很近的滑移线。形成大量滑移带，带中包含靠得很近的滑移线。光学显微镜可清晰看到滑移带，并有通过交滑移和光学显微镜可清晰看到滑移带，并有通过交滑移和其他滑移带相联的现象其他滑移带相联
15、的现象32 2.影响单晶体加工硬化曲线形状的因素影响单晶体加工硬化曲线形状的因素晶体结构、单晶体的位相（力轴取向晶体结构、单晶体的位相（力轴取向)、温度、温度、金属纯度等金属纯度等三种典型晶体结构的单晶体金属三种典型晶体结构的单晶体金属的应力的应力-应变曲线应变曲线（晶体处于软取向）（晶体处于软取向）晶体结构晶体结构33镍单晶体在不同温度下的应力镍单晶体在不同温度下的应力-应变曲线应变曲线温度温度温度升高，温度升高，第二阶段变短第二阶段变短，很快，很快进入第三阶段进入第三阶段杂质的影响杂质的影响杂质含量的增加会使杂质含量的增加会使第一阶段缩短第一阶段缩短甚至消失甚至消失34A线线 8 个始滑移
16、系个始滑移系B线线 6 个始滑移系个始滑移系 C线线 4 个始滑移系个始滑移系P线线 1 个始滑移系个始滑移系P线线 1 个始滑移系个始滑移系晶体位向对面心立方单晶晶体位向对面心立方单晶加工硬化曲线的影响加工硬化曲线的影响单晶体的位相（力轴取相单晶体的位相（力轴取相)A、B、C一开始就是一开始就是多多滑移滑移，没有第一阶段，没有第一阶段00110000101001001110111001111110111101111101111111035 3.3.单晶体流变应力与位错密度的关系单晶体流变应力与位错密度的关系Gb0G0b式中，式中，无加工硬化时所需的切应力无加工硬化时所需的切应力 常数常数,视
17、材料不同约为视材料不同约为0.30.5 材料的剪切模量材料的剪切模量 位错柏氏矢量位错柏氏矢量 位错密度位错密度在加工硬化第在加工硬化第阶段中，随着塑性应变的增大，阶段中，随着塑性应变的增大，位错密度迅速增高，继续变形的流变应力显著升位错密度迅速增高，继续变形的流变应力显著升高高36 四、形变强化的工程意义四、形变强化的工程意义 重要的强化手段重要的强化手段 使零件能抵抗偶然过载，如汽车板弹簧使零件能抵抗偶然过载，如汽车板弹簧 使金属均匀塑性变形顺利进行，如冷拉钢丝使金属均匀塑性变形顺利进行，如冷拉钢丝冷拉钢丝示意图冷拉钢丝示意图 使材料的进一步塑性变形难以进行，如冷拉使材料的进一步塑性变形难
18、以进行，如冷拉 钢丝钢丝37第七节第七节 合金的变形与强化合金的变形与强化 一、单相合金的变形与固溶强化一、单相合金的变形与固溶强化合金合金 两种或两种以上两种或两种以上金属与金属或金属与非金属与金属或金属与非金属形成的，具有金属形成的，具有金属特性金属特性的的 1.1.固溶强化固溶强化与纯金属相比，固溶体的与纯金属相比，固溶体的强度强度和和硬度硬度升升高高，塑塑性性和和韧性韧性降降低低的现象的现象38铜镍固溶体的力学性能与成分的关系铜镍固溶体的力学性能与成分的关系固溶强化对具体合金，固溶强化对具体合金，表现表现规律不一样规律不一样对对多数合金多数合金，溶解度有，溶解度有限，强化和溶质浓度呈限
19、，强化和溶质浓度呈线性线性关系关系对对无限互溶的无限互溶的Cu-Ni合合金金、Ag-Au合金，强化和合金，强化和溶质浓度呈溶质浓度呈抛物线抛物线关系关系39 2.2.固溶强化机制固溶强化机制根据根据溶质原子溶质原子与与位错间位错间的交互作用，曾提出的交互作用，曾提出过几种固溶强化的过几种固溶强化的位错机制位错机制溶质原子与位错的弹性交互作用溶质原子与位错的弹性交互作用置换型溶质原子置换型溶质原子因为与溶剂因为与溶剂原子尺寸原子尺寸的差别的差别，引起引起点阵点阵畸变畸变，形成，形成内应力场内应力场。位错位错在在内应力场中运动内应力场中运动受阻受阻（1）点阵畸变）点阵畸变40间隙型溶质原子间隙型溶
20、质原子溶入引起点阵畸变，尤其在体心溶入引起点阵畸变，尤其在体心立方中（如立方中（如-Fe-Fe中），会造成不对称中），会造成不对称点阵畸变，点阵畸变，形成体心正方。溶质原子的应力场将同螺位错和形成体心正方。溶质原子的应力场将同螺位错和刃位错都会发生交互作用刃位错都会发生交互作用马氏体马氏体41扩展位错运动时，扩展位错运动时，溶质原子在层错区的局部溶质原子在层错区的局部偏聚偏聚，因而增加了扩展位借运动的阻力，因而增加了扩展位借运动的阻力当其它位错与扩展位错相交时，在交割前扩当其它位错与扩展位错相交时，在交割前扩展位错必须先束集成全位错。但是，溶质原子展位错必须先束集成全位错。但是，溶质原子在层错
21、区的在层错区的局部偏聚局部偏聚如果如果增加增加层错的层错的宽度宽度，扩，扩展位错便难以束集，也不容易发生交叉滑移而展位错便难以束集，也不容易发生交叉滑移而绕过障碍，从而提高了合金的强度绕过障碍，从而提高了合金的强度（2）改变层错能）改变层错能溶质原子在层错区局部偏聚溶质原子在层错区局部偏聚42（3）改变原子间的结合键）改变原子间的结合键即使溶质原子和溶剂原即使溶质原子和溶剂原子尺寸差很小，也会使子尺寸差很小，也会使位错在溶剂原子附近和位错在溶剂原子附近和在溶质原子附近应力是在溶质原子附近应力是不同的不同的溶质原子切变模量溶质原子切变模量，对位错为斥力对位错为斥力 ，引力引力43柯垂尔柯垂尔(C
22、ottrell)气团气团间隙原子间隙原子及比溶剂原子及比溶剂原子大的置换原子大的置换原子倾向于向刃位错倾向于向刃位错半原子面下方偏聚半原子面下方偏聚比溶剂原子比溶剂原子小的置换原子和空位小的置换原子和空位倾向于向刃位错半原倾向于向刃位错半原子面上方偏聚子面上方偏聚溶质原子与位错的交互作用使溶质原子与位错的交互作用使总弹性应变能降低总弹性应变能降低时，时，这样的交互作用才能使这样的交互作用才能使晶体处于稳定状态晶体处于稳定状态（4）气团）气团44位错运动受限，一方面位错要挣脱气团的束缚；位错运动受限，一方面位错要挣脱气团的束缚；另一方面还要克服溶质原子对位错运动的摩擦另一方面还要克服溶质原子对位
23、错运动的摩擦阻力才能运动，因面使基体得到强化阻力才能运动，因面使基体得到强化位错处于能量较低状态时，稳定而不易运动位错处于能量较低状态时，稳定而不易运动45 3.3.影响固溶强化的主要因素影响固溶强化的主要因素1)1)原子相对尺寸原子相对尺寸 对置换固溶体，相对尺寸差对置换固溶体，相对尺寸差，强化效果强化效果合金元素对铜屈服强度的影响 对间隙固溶体，相对尺寸差对间隙固溶体，相对尺寸差，强化效果强化效果10.8%462)2)溶质原子浓度溶质原子浓度浓度浓度，强度强度3)3)溶质原子造成晶格畸变的对称性溶质原子造成晶格畸变的对称性 球对称球对称:弱强化弱强化。如置换原子和面心立方如置换原子和面心立
24、方晶体中的间隙原子（如奥氏体）晶体中的间隙原子（如奥氏体）非球对称非球对称:强强化。强强化。如体心立方晶体中的间如体心立方晶体中的间 隙原子（如低碳马氏体）隙原子（如低碳马氏体）47 4.4.退火态低碳钢屈服的特点退火态低碳钢屈服的特点低碳钢的屈服现象低碳钢的屈服现象拉伸试样开始拉伸试样开始屈屈服服时，时，应力应力突然突然下下降降，并在应力基本，并在应力基本恒定恒定的情况下继续的情况下继续屈服屈服伸长伸长，曲线出，曲线出现应力现应力平台平台伸长现象现象48预先抛光的试样表预先抛光的试样表面出现与外力面出现与外力成一成一定角度定角度变形条纹应变形条纹应变带变带吕德斯带吕德斯带应变带从夹头两端应变
25、带从夹头两端试样中间试样中间心部心部屈服平台的长短屈服平台的长短与钢的与钢的含含碳量碳量有关，碳量增加，平有关，碳量增加，平台变短甚至消失台变短甚至消失49吕德斯带与滑移带不同吕德斯带与滑移带不同吕德斯带是由吕德斯带是由许多晶许多晶粒协调变形粒协调变形的结果，的结果，穿过了试样的横截面穿过了试样的横截面的每个晶粒的每个晶粒50柯氏首先用柯氏首先用溶质原子溶质原子和和位错位错的弹性的弹性交互作用交互作用解解释低碳钢的屈服释低碳钢的屈服拉伸前的退火状态下，位错被碳原子形成的柯氏拉伸前的退火状态下，位错被碳原子形成的柯氏气团所钉扎。当应力增大到一定程度时气团所钉扎。当应力增大到一定程度时，被钉扎，被
26、钉扎的位错挣脱气团的钉扎的位错挣脱气团的钉扎脱钉。脱钉的位错运脱钉。脱钉的位错运动阻力突然减小，故应力突然下降动阻力突然减小，故应力突然下降 屈服降落位错理论解释屈服降落位错理论解释柯氏的理论被普遍接受柯氏的理论被普遍接受51吉尔曼和约翰逊提出更一般的吉尔曼和约翰逊提出更一般的位错增殖位错增殖理论理论材料的材料的应变速率应变速率晶体中晶体中可动位错密度可动位错密度，位错位错运动运动的平均速度的平均速度及位错的及位错的柏氏矢量成柏氏矢量成正比正比bvmp现象现象 无位错的铜晶须，低位错密度的共价键结合无位错的铜晶须，低位错密度的共价键结合的晶体的晶体Si、Ge和离子晶体和离子晶体LiF都有不连续
27、屈服现象都有不连续屈服现象0mv0 位错作单位速度运动所需的应力位错作单位速度运动所需的应力 位错受到的有效切应力位错受到的有效切应力m应力敏感指数应力敏感指数52bvmp0mvp由试验机夹头的运动速度决定，接近恒值由试验机夹头的运动速度决定，接近恒值塑性变形塑性变形开始开始时，位错时，位错密度密度很很低低，或可动位错，或可动位错密度很低（低碳钢中位错被钉扎）密度很低（低碳钢中位错被钉扎）要保持一要保持一定的应变速率，势必使定的应变速率，势必使v增大增大需要提高需要提高，这就是这就是上屈服点较高上屈服点较高的原因的原因位错位错大量大量增值增值后后在维持一定的应变速率时，在维持一定的应变速率时，
28、流变流变应力应力就要就要降低，降低，产生产生屈服降落，屈服降落，这就是这就是下下屈服点屈服点的原因的原因53 5.5.退火态低碳钢的应变时效退火态低碳钢的应变时效现象现象退火态低碳钢的应变时效退火态低碳钢的应变时效预塑性变形预塑性变形2 2卸载后立即卸载后立即再行加载再行加载3 3卸载后放置一段时卸载后放置一段时间或在间或在200200加热后再加载加热后再加载对退火态低碳钢对退火态低碳钢先进先进行少量塑性变形行少量塑性变形时，时，发生发生屈服降落屈服降落现象；现象；若卸载后立即再行加若卸载后立即再行加载，不出现屈服降落，载，不出现屈服降落，且屈服强度升高；若且屈服强度升高；若卸载后放置一段时间
29、卸载后放置一段时间或在或在 200200 加热后加热后再再加载，屈服降落又出加载，屈服降落又出现，且屈服强度更高现，且屈服强度更高54原因原因 退火态低碳钢屈服时，退火态低碳钢屈服时，由于位错脱钉，故出现屈由于位错脱钉，故出现屈服降落服降落 卸载后立即再行加载时，由于脱钉的位错卸载后立即再行加载时，由于脱钉的位错还来不及被重新钉扎，故不出现屈服降落但还来不及被重新钉扎，故不出现屈服降落但由于此时位错密度明显增加，故屈服强度升高由于此时位错密度明显增加，故屈服强度升高若卸载后放置一段时间或在若卸载后放置一段时间或在 200 加热后加热后再再加载，由于位错重新被钉扎，故屈服降落又出加载，由于位错重
30、新被钉扎，故屈服降落又出现加之现加之位错密度明显增加，故位错密度明显增加，故屈服强度更高屈服强度更高柯氏的理论柯氏的理论+电镜观察电镜观察55光整冷轧光整冷轧工程应用工程应用深冲用的低碳薄钢板在冲压成形时，会因不深冲用的低碳薄钢板在冲压成形时，会因不均匀变形使工件某些区域（应变量对应屈服均匀变形使工件某些区域（应变量对应屈服延伸阶段）的表面粗糙不平延伸阶段）的表面粗糙不平桔皮现桔皮现象象影响美观如何解决？影响美观如何解决？光整冷轧光整冷轧将薄板在冲压之前先经过一道将薄板在冲压之前先经过一道微量的冷轧（通常为微量的冷轧（通常为12%压下量），使屈压下量），使屈服点消失，随后进行冲压加工，可保证工
31、件服点消失，随后进行冲压加工，可保证工件表面的平整光洁表面的平整光洁56 二、多相合金的变形与强化二、多相合金的变形与强化聚合型多相合金聚合型多相合金 第二相粒子与基体晶粒尺寸属第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级同一数量级弥散分布型多相合金弥散分布型多相合金 第二相粒子细小而弥散地第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中分布在基体晶粒中57Cu-40Zn合金（合金（黄铜）黄铜）退火态退火态175镍基高温合金中沉淀相（晶镍基高温合金中沉淀相（晶界处为碳化物粒子）界处为碳化物粒子）1000058 1.1.聚合型两相合金的塑性变形与强化聚合型两相合金的塑性变形与强化1)两个塑性相的塑性变形两个塑性相
32、的塑性变形合金的变形决定于两相的体积分数合金的变形决定于两相的体积分数等应变条件等应变条件 假设合金变形时两相的假设合金变形时两相的应变相同应变相同，则，则合金在一定应变下的合金在一定应变下的平均平均流变应力流变应力2211ffa 等应力条件等应力条件 假设合金变形时两相的假设合金变形时两相的应力相同应力相同，则合金在一定应变下的则合金在一定应变下的平均平均应变应变2211ffa59上述假设和上述假设和混合定律混合定律只能作为只能作为第二相体积分数影第二相体积分数影响的定性估计响的定性估计。因为实际的情况是，无论应力。因为实际的情况是，无论应力、应变都不可能在两相之间是应变都不可能在两相之间是
33、均匀均匀的的理论分析理论分析+实验结果实验结果下述结论下述结论60 当合金塑性变形时，当合金塑性变形时，滑移首先发生于较弱的滑移首先发生于较弱的一一 相中相中 如果较强相的数量很少时，变形基本上在较如果较强相的数量很少时，变形基本上在较弱相中进行弱相中进行只有当只有当第二相为较强的相第二相为较强的相时，且强相时，且强相体积分数体积分数大于大于30%时，才能起明显的时，才能起明显的强化强化作用作用612)一个塑性相与另一个硬脆相的塑性变形一个塑性相与另一个硬脆相的塑性变形合金的力学性能主要决定于硬脆相的存在情合金的力学性能主要决定于硬脆相的存在情况况,相对量相对量、形状形状、大小大小、分布分布当
34、渗碳体以层片状分布于塑性良好的铁素体中时，当渗碳体以层片状分布于塑性良好的铁素体中时，铁素体的变形受到阻碍，位错的运动被限制在渗铁素体的变形受到阻碍，位错的运动被限制在渗碳体层片之间的很短距离中，使继续变形甚为困碳体层片之间的很短距离中，使继续变形甚为困难，故钢的强度提高珠光体越细，层片间距越难，故钢的强度提高珠光体越细，层片间距越小，其强度越高，而塑性却不降低，这是因为厚小，其强度越高，而塑性却不降低，这是因为厚的渗碳体片经变形时容易发生断裂，薄片渗碳体的渗碳体片经变形时容易发生断裂，薄片渗碳体反而能承受一些变形反而能承受一些变形以钢中以钢中Fe3C为例为例62冷变形后珠光体中渗碳体片的变形
35、冷变形后珠光体中渗碳体片的变形(a)与断裂与断裂（b）15000(a)(b)THE END63当碳含量提高到约当碳含量提高到约 1.2%时，虽然渗碳体量时，虽然渗碳体量增多，但硬而脆的二次渗碳体呈连续网状分布增多，但硬而脆的二次渗碳体呈连续网状分布在晶界上，影响各晶粒之间的结合，并使晶粒在晶界上，影响各晶粒之间的结合，并使晶粒的变形受阻而导致很大的应力集中，造成过早的变形受阻而导致很大的应力集中，造成过早地断裂，故强度反而不及含碳地断裂，故强度反而不及含碳0.8%的共析钢，的共析钢，塑性更显著下降塑性更显著下降 在球状珠光体中，渗碳体呈球形，对铁素体在球状珠光体中，渗碳体呈球形，对铁素体变形的
36、阻碍作用大大下降，故强度降低，塑性变形的阻碍作用大大下降，故强度降低，塑性显著提高显著提高共析钢经淬火加回火处理后，渗碳体呈细小微共析钢经淬火加回火处理后，渗碳体呈细小微 粒弥散分布于铁素体基体上时，变形抗力大粒弥散分布于铁素体基体上时，变形抗力大大大 增加，强度显著提高增加，强度显著提高64材料及材料及组织组织工工业业纯纯铁铁 共析钢（共析钢（C C）=0.8%=0.8%）（C）=1.2%片状珠光体片状珠光体 片间距片间距630nm片间距片间距250nm片间距片间距100nm球状珠球状珠光体光体淬火淬火+350回回火火网状网状渗碳渗碳体体b b/MPa/%275 47 780 15 1060
37、 161310 14580 291760 3.8 700 4碳钢中渗碳体存在的情况对力学性能的影响碳钢中渗碳体存在的情况对力学性能的影响65 2.2.弥散分布型两相合金的塑性变形与强化弥散分布型两相合金的塑性变形与强化1)1)可变形微粒的强化机理可变形微粒的强化机理切过机制切过机制位错切过第二相粒子的示意图位错切过第二相粒子的示意图 Ni-Cr-Al合金中位错切过合金中位错切过粒子（透射电镜象）粒子（透射电镜象）Ni3Al一般粒子较小，与基体保持共格一般粒子较小，与基体保持共格666768粒子的结构往往与基体不同（至少点阵常数不粒子的结构往往与基体不同（至少点阵常数不 同），同），故当位错切过
38、粒子时必然在其滑移面上造成原子排列的故当位错切过粒子时必然在其滑移面上造成原子排列的错配，需要增加作功错配，需要增加作功每个位错切过粒子，使粒子生成宽为每个位错切过粒子，使粒子生成宽为b的表面台阶，即的表面台阶，即增加了粒子与基体间的界面面积，需要相应的能量增加了粒子与基体间的界面面积，需要相应的能量粒子周围的弹性应力场（由于粒子与基体间的比容差粒子周围的弹性应力场（由于粒子与基体间的比容差别，或保持共格或半共格结合）与位错产生交互作用，别，或保持共格或半共格结合）与位错产生交互作用，阻碍位错运动阻碍位错运动如果如果粒子的弹性模量高于基体，引起位错能量和线张粒子的弹性模量高于基体，引起位错能量
39、和线张力升高，就阻碍位错运动力升高，就阻碍位错运动强化机制复杂强化机制复杂，和粒子，和粒子本身的性质本身的性质以及以及和基体的联系和基体的联系定定692)不可变形微粒的强化机理不可变形微粒的强化机理绕过机制或绕过机制或 奥罗万奥罗万（Orowan）机制机制位错绕过第二相粒子示意图位错绕过第二相粒子示意图黄铜中围绕着粒黄铜中围绕着粒 子的位错环（子的位错环（TEM）Al2O3一般粒子较大，与基体失去共格一般粒子较大，与基体失去共格707172位错绕过第二相粒子的阻力位错绕过第二相粒子的阻力(a)趋近时趋近时(b)开始弯曲开始弯曲(c)临界状态临界状态迫使两端被固定的长为迫使两端被固定的长为 L
40、的位错段的位错段弯曲到曲率半径弯曲到曲率半径为为L/2时所需时所需切应力为切应力为LGb外加应力只有大于此应力时，外加应力只有大于此应力时，位错线才能绕过去位错线才能绕过去73LGb 强化机制简单强化机制简单不可变形粒子的强化作用与粒子间距不可变形粒子的强化作用与粒子间距L成反比成反比提高粒子的体积分数提高粒子的体积分数L减小减小粒子的体积分数一定时，减粒子的体积分数一定时，减小粒子尺寸小粒子尺寸L减小减小合金强度提高合金强度提高（L不能太小，太小则位错无不能太小，太小则位错无法绕过）法绕过）74 3.3.时效强化（沉淀强化）时效强化（沉淀强化）1)1)时效处理（以时效处理（以Al-4%Cu合
41、金为例）合金为例）一个偷懒的实验员一个偷懒的实验员Al-Cu合金相图（局部）及合金相图（局部）及Al-4%Cu合金的时效处理原理合金的时效处理原理75时效处理时效处理将高温时为单相固溶体、缓冷至将高温时为单相固溶体、缓冷至室温过程中析出第二相的合金，加热到单相固室温过程中析出第二相的合金，加热到单相固溶体状态后快冷至室温，得到过饱和固溶体，溶体状态后快冷至室温，得到过饱和固溶体，称为称为固溶处理固溶处理再将该过饱和固溶体在室温下再将该过饱和固溶体在室温下长时间放置，或在固溶体饱和溶解度线以下的长时间放置，或在固溶体饱和溶解度线以下的温度加热保温一定时间前者称为温度加热保温一定时间前者称为自然时
42、效自然时效，后者称为后者称为人工时效人工时效2)2)时效强化时效强化经固溶处理和时效处理后，从过饱和经固溶处理和时效处理后，从过饱和固溶体中析出细小的弥散分布的第二相微粒，固溶体中析出细小的弥散分布的第二相微粒，使合金的强度显著升高使合金的强度显著升高76时效温度对时效温度对Al-4%Cu合金强度的影响合金强度的影响773)3)铝合金的时效序列铝合金的时效序列相相相区过.PG区.PG铜原子富集区，与母相结构相同且铜原子富集区，与母相结构相同且共格共格相 长大并演变为正方有序化结构，长大并演变为正方有序化结构，与母相点阵常数不同但与母相点阵常数不同但共格共格区.PG相 转变为正方点阵，与母相转变为正方点阵，与母相半共格半共格相 相 长大，转变为平衡相长大，转变为平衡相，与母与母 相相非共格非共格相CuAl278区.PG相 及及 与母相与母相共格，位错以共格，位错以切过机切过机制制通过粒子随时效通过粒子随时效时间增长粒子尺寸增时间增长粒子尺寸增大，对位错阻力增大大，对位错阻力增大4)4)时效强化机理时效强化机理Al-4%Cu合金强度随合金强度随时效时间的变化时效时间的变化相相 及及 与母相不与母相不共格，位错以共格，位错以绕过机绕过机制制通过粒子随时效通过粒子随时效时间增长粒子尺寸增时间增长粒子尺寸增大，粒子平均间距变大，粒子平均间距变小，对位错阻力减小小，对位错阻力减小LGb
