武汉理工-材料物理学课件4

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第4章 材料强化 4.1概述 2个学时4.2力学实验与材料性能 4.3加 工 硬 化 2个学时 4.4固 溶 强 化 4.5弥 散 强 化 2个学时4.6固态相变强化 4.5弥 散 强 化 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。 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 在弥散强化合金中,一定存在着一种以 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。 4.5弥 散 强 化 基体与析出物之间的关系 1. 基体应该是塑性的,而析出物则应该是 脆性的 2. 脆性的析出物应该是不连续分布的,而 塑性的基体则应该是连续分布的 3.析出物的尺寸应该小,数密度应该多 4.析出物的形状应该是圆的,而不应该是 尖的 或针状的 5.析出物的数量越多,合金的强度越高 4.5弥 散 强 化 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。 4.5弥 散 强 化 图4.24金属间固 溶体相图(a) Al-Sb相图;(b) Mo-Rh相图 4.5弥 散 强 化 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。这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。 4.5弥 散 强 化 利用共晶反应也能够获得弥散强化的材料 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 固也会促进α相的凝固。这是共晶反应的 一个重要特点。 4.5弥 散 强 化 图4.25 Sn-Pb相图 4.5弥 散 强 化 共晶反应含锡量为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61.9% 的液相 含锡量为19%的α相 +含锡量为 97.5% 的β相。 4.5弥 散 强 化 图4.26锡铅合金共晶组织示意图 4.5弥 散 强 化 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。 4.5弥 散 强 化 图4.27 Pb-Sn合金的成分和强化机制对抗拉强度的影响 4.5弥 散 强 化 共晶反应应用 ?共晶焊锡 (共晶反应的具有很低 的熔点) ?共晶合金 ?陶瓷材料的制作 ?加快金属和陶瓷粉末之间的扩散 连接或增大其烧结速率 4.5弥 散 强 化 不过,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。 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。 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 图4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的组织结构 4.6固态相变强化 共格析出物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。 4.6固态相变强化 共格析出的热处理方法 1.固溶化处理 :将合金加热到固溶度线以上 的温度,使合金生成均匀的α相固溶体 2.淬火 :将已经加热的合金放入水中,达到 迅速冷却的目的 3.时效 :将具有过饱和固溶体的合金在低于 固溶度线的温度下进行加热 4.6固态相变强化 图4.29 Al-Cu合金的时效强化过程 4.6固态相变强化 时效强化效应的4个条件 1 合金相图中必须存在这样一条固溶度线, 其固溶度将随着温度的降低而减小 2 基体应该比较软,具有塑性。而析出物则应该比较硬,且具有脆性。 3 合金应该能够进行淬火 4.合金中应该有共格析出物生成。 4.6固态相变强化 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。 4.6固态相变强化 共析反应 共析反应是固态相变强化的重要手段。从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的反应,如下公式所示: S1 → S2 + S3 4.6固态相变强化 共晶反应 从一个液相转变成两个固相的。共晶反 应肯 定不能通过热处理的方式来实现。 共析反应 固相之间的反应,所以在热处理时,可以先 将材料加热到形成固相S1的温度,然后在冷 却过程中利用共析反应得到S2和S3两个固相。 作为共析反应产物的两个固相可以使合金实 现弥散强化 4.6固态相 变强化 图4.30铁-碳相图 4.6固态相变强化 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γ相。γ相冷却到727℃时,发生如下的共析反应: 含碳量为0.77% 的γ相 含碳量为0.0218%的α +含碳量为6.67%的Fe3C 这种薄片状的α相和Fe3C互相叠在一起的组织称为珠光体(Pearlite)。 4.6固态相变强化 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 第4章 材料强化 4.1概述 2个学时4.2力学实验与材料性能 4.3加 工 硬 化 2个学时 4.4固 溶 强 化 4.5弥 散 强 化 2个学时4.6固态相变强化 4.5弥 散 强 化 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。 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 在弥散强化合金中,一定存在着一种以 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。 4.5弥 散 强 化 基体与析出物之间的关系 1. 基体应该是塑性的,而析出物则应该是 脆性的 2. 脆性的析出物应该是不连续分布的,而 塑性的基体则应该是连续分布的 3.析出物的尺寸应该小,数密度应该多 4.析出物的形状应该是圆的,而不应该是 尖的 或针状的 5.析出物的数量越多,合金的强度越高 4.5弥 散 强 化 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。 4.5弥 散 强 化 图4.24金属间固 溶体相图(a) Al-Sb相图;(b) Mo-Rh相图 4.5弥 散 强 化 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。这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。 4.5弥 散 强 化 利用共晶反应也能够获得弥散强化的材料 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 固也会促进α相的凝固。这是共晶反应的
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