弥散强化和固态相变强化

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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，一定存在着一种以上的相，含量大

2、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、

3、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，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γ合金。另一个是Ti3Al，又称为α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

4、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1800~2000℃下发生反应：Ti+C→TiC（黑色）。TiC熔点3100

5、℃，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，极具潜力的航空材料。γ-TiAl，α-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α相和β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。α相的凝固会促进β相的凝固，而β相的凝固

6、也会促进α相的凝固。这是共晶反应的一个重要特点。图4.25Sn-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%。当这一合金液相冷却到183℃时，开始发生共晶反应，也就是：含锡量为19%的α相+含锡量为97.5%的β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4.27Pb-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

7、。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

8、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4.28Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的