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1、5. 强化机制强化机制金属材料强化的基本途径：金属材料强化的基本途径：n从金属晶体完整的概念出发从金属晶体完整的概念出发: : 消除其中存在的缺陷消除其中存在的缺陷, ,主要为消除位错主要为消除位错, ,制成无缺陷的完制成无缺陷的完整晶体，使金属的晶体强度接近理论强度；整晶体，使金属的晶体强度接近理论强度；n从金属晶体缺陷理论出发从金属晶体缺陷理论出发: : 实用金属材料在外力作用引起的塑性形变本质是位错运实用金属材料在外力作用引起的塑性形变本质是位错运动和增殖的结果动和增殖的结果. .位错间的弹性交互作用可造成位错运位错间的弹性交互作用可造成位错运动的阻力动的阻力, ,反映为强度的增高反映为
2、强度的增高. .通过热处理和冷塑性形变通过热处理和冷塑性形变增加晶体中的位错密度增加晶体中的位错密度, ,也可以有效地提高金属强度也可以有效地提高金属强度. .在在有缺陷的金属晶体中设法阻止位错的运动。有缺陷的金属晶体中设法阻止位错的运动。 钢铁材料强化机制的分类钢铁材料强化机制的分类n位错强化；位错强化；n固溶强化；固溶强化；n第二相粒子沉淀强化第二相粒子沉淀强化；n晶界强化；晶界强化；nSpinodal Spinodal 分解强化；分解强化；n有序化强化；有序化强化；n相变强化。相变强化。实用钢的强化并不是由单一的强化机制决定，实用钢的强化并不是由单一的强化机制决定，在大多数情况下，由几种
3、机制叠加获得。在大多数情况下，由几种机制叠加获得。5.15.1位错强化位错强化 晶体中位错分布较均匀时晶体中位错分布较均匀时, ,流变应力和位错密度间存在如下流变应力和位错密度间存在如下BaileyBaileyHirschHirsch关系式关系式: : -单晶体开始滑移所需应力或多晶体开始塑性变形的应力单晶体开始滑移所需应力或多晶体开始塑性变形的应力; ;-位错密度为零时的流变应力位错密度为零时的流变应力; ;- - 常数常数; ; 切变模量切变模量; b ; b 柏氏矢量柏氏矢量. .位错密度增高位错密度增高, ,流变应力提高流变应力提高. .位错的增殖是塑性变形造成的位错的增殖是塑性变形造
4、成的, ,因此流变应力的增大因此流变应力的增大率与塑性应变的增大率有关率与塑性应变的增大率有关. .-Fe-Fe的平均位错密度因变形量增加而增大的平均位错密度因变形量增加而增大. .并且细晶粒具有并且细晶粒具有更高的位错增殖效应更高的位错增殖效应. .铁的平均位错密度与真实应变的关系铁的平均位错密度与真实应变的关系BaileyBaileyHirschHirsch关系表达位错间交互作用的结果关系表达位错间交互作用的结果. .位位错的这种弹性交互作用都将阻碍位错运动错的这种弹性交互作用都将阻碍位错运动. .n平行位错的弹性交互平行位错的弹性交互; ;n滑移位错和穿过滑移面的林位错的弹性交互滑移位错
5、和穿过滑移面的林位错的弹性交互; ;n位错胞状结构胞壁与壁外位错的弹性交互位错胞状结构胞壁与壁外位错的弹性交互. .位错交互方式位错交互方式: :加工硬化实际上是位错强化的外部表现加工硬化实际上是位错强化的外部表现. .以面心立方金属的典型应力以面心立方金属的典型应力- -应变的变化过程为例应变的变化过程为例: :n第一阶段第一阶段: :易滑移阶段易滑移阶段. .只有一个滑移系开动只有一个滑移系开动, ,故很难与其故很难与其他位错产生交互作用他位错产生交互作用. .n第二阶段第二阶段: :硬化阶段硬化阶段.1).1)主、次滑移系统的平行位错交互作主、次滑移系统的平行位错交互作用用(L-C(L-
6、C面角位错塞积面角位错塞积);2);2)林位错密度增高林位错密度增高( (位错滑移自由位错滑移自由距离变小距离变小),),位错与林位错的交互作用位错与林位错的交互作用( (产生割阶产生割阶);3);3)位错位错偶极子和小位错圈与位错产生交互作用偶极子和小位错圈与位错产生交互作用. . 后期观察到不规则的胞状结构后期观察到不规则的胞状结构. .n第三阶段第三阶段: :抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段( (动态回复阶段动态回复阶段).).螺位错的交滑螺位错的交滑移、异号位错开始迅速消失移、异号位错开始迅速消失. .加工硬化是位错增殖造成位错密度升高加工硬化是位错增殖造成位错密度升高, ,以及由于位错以
7、及由于位错彼此间的交互作用彼此间的交互作用, ,使位错难以移动的反映使位错难以移动的反映. .典型的金属单晶体的加工硬化曲线典型的金属单晶体的加工硬化曲线影响位错强化的因素影响位错强化的因素n位错交滑移位错交滑移( (或高温下的攀移或高温下的攀移) )的能力的能力. . 层错能低的金属层错能低的金属: :位错不易交滑移和攀移位错不易交滑移和攀移, ,滑移面上出现列阵滑移面上出现列阵位错和位错塞积群位错和位错塞积群, ,加工硬化率高加工硬化率高; ; 层错能高的金属层错能高的金属: :螺位错难于分解螺位错难于分解, ,出现交滑移出现交滑移. .滑移迅速发滑移迅速发展展, ,倾向于构成亚晶倾向于构
8、成亚晶( (胞状亚结构胞状亚结构),),使加工硬化率明显降低使加工硬化率明显降低. . 透射电镜下看不到位错塞积群透射电镜下看不到位错塞积群, ,多为位错缠结和胞状亚结构多为位错缠结和胞状亚结构. .n位错密度与塑性变形量有正比变化关系位错密度与塑性变形量有正比变化关系. .细晶材料具有较高细晶材料具有较高的加工硬化率的加工硬化率. .n冷变形、淬火应力或较低温度下的相变造成的应变、第二相冷变形、淬火应力或较低温度下的相变造成的应变、第二相沉淀粒子与基体间热膨胀系数的差异、伴随沉淀物的形成而沉淀粒子与基体间热膨胀系数的差异、伴随沉淀物的形成而引起比容改变在局部区域出现位错增多等都会加强位错强化
9、引起比容改变在局部区域出现位错增多等都会加强位错强化. .固溶强化固溶强化: :由于固溶的元素产生的作用使屈服强度由于固溶的元素产生的作用使屈服强度提高。提高。固溶强化是利用点缺陷对金属基体进行强化固溶强化是利用点缺陷对金属基体进行强化. .固溶强化的实质：溶质原子的长程应力场和位错固溶强化的实质：溶质原子的长程应力场和位错的交互作用导致位错运动受阻的交互作用导致位错运动受阻 。 分为两类分为两类: :1)1)间隙式固溶强化间隙式固溶强化; ;2)2)置换式固溶强化置换式固溶强化. .5.25.2固溶强化固溶强化间隙固溶强化间隙固溶强化 C C、N N等溶质原子等溶质原子嵌入嵌入-Fe-Fe晶
10、格的八面晶格的八面体间隙中体间隙中, ,使晶格产生使晶格产生不对称正方性畸变造不对称正方性畸变造成强化效应成强化效应. .铁基体屈铁基体屈服强度随间隙原子含服强度随间隙原子含量增加而变大量增加而变大. .铁的屈服应力和含铁的屈服应力和含C C量的关系量的关系间隙固溶强化是三种作用的综合结果间隙固溶强化是三种作用的综合结果: :1)1)溶质原子气团强化溶质原子气团强化( (非均匀强化非均匀强化):):间隙固溶原子群集间隙固溶原子群集于位错周围并对其产生锭扎作用使位错难以运动而产于位错周围并对其产生锭扎作用使位错难以运动而产生的强化生的强化. .2)2)均匀强化均匀强化: :位错在间隙固溶原子均匀
11、分布于点阵的晶位错在间隙固溶原子均匀分布于点阵的晶体中运动时受到阻力体中运动时受到阻力( (摩擦力摩擦力) )而引起的强化而引起的强化( (只考虑只考虑化学性和弹性的交互作用化学性和弹性的交互作用).).3)3)间隙固溶原子可能影响合金中位错结构间隙固溶原子可能影响合金中位错结构, ,从而间接影从而间接影响位错运动响位错运动. .溶质原子气团强化分为两类溶质原子气团强化分为两类: :1) Cottrell1) Cottrell气团强化气团强化;2) Snoek;2) Snoek气团强化气团强化CottrellCottrell气团强化气团强化: :n刃位错受到刃位错受到CottrellCottr
12、ell气团钉扎气团钉扎, ,移动阻力增加移动阻力增加, ,对金属对金属基体产生强化基体产生强化. .n柯氏气团柯氏气团:CN:CN等间隙原子在刃位错膨胀区的局部偏聚等间隙原子在刃位错膨胀区的局部偏聚.C.C、N N原子沿位错线排列原子沿位错线排列. .nCottrellCottrell气团对屈服强度的贡献气团对屈服强度的贡献: :r r0 0为溶质原子距离位错中心的极限半径为溶质原子距离位错中心的极限半径SnoekSnoek气团强化气团强化n螺位错受到螺位错受到SnoekSnoek气团钉扎气团钉扎, ,移动阻力增加移动阻力增加, , 对金属基体对金属基体产生强化产生强化. .nSnoekSno
13、ek气团气团: :在螺位错应力场作用下在螺位错应力场作用下,CN,CN间隙原子在位错间隙原子在位错线附近有规则地排列线附近有规则地排列. .n螺位错自螺位错自SnoekSnoek气团脱钉的切应力气团脱钉的切应力: : a a为基体金属点阵常数为基体金属点阵常数,c,c为溶质原子的原子浓度为溶质原子的原子浓度. .nSnoekSnoek气团对气团对-Fe-Fe屈服强度的贡献正比于固溶体平均浓屈服强度的贡献正比于固溶体平均浓度度, ,而与温度无关而与温度无关. .n每增加每增加1%1%原子百分数的原子百分数的C C或或N N约使基体屈服强度增高约使基体屈服强度增高450MN/m450MN/m2 2
14、. .间隙固溶的均匀强化间隙固溶的均匀强化n当间隙固溶溶质原子均匀地占据着基体点阵的间当间隙固溶溶质原子均匀地占据着基体点阵的间隙时隙时, ,运动的位错将与不移动的溶质原子发生交互运动的位错将与不移动的溶质原子发生交互作用作用, ,从而造成位错运动的困难从而造成位错运动的困难. . 位错运动阻力位错运动阻力F F值取决于位错与固溶原子间交互作值取决于位错与固溶原子间交互作用的性质用的性质.c.c为固溶浓度为固溶浓度; ;为错配度为错配度, ,衡量单位溶衡量单位溶质浓度引起的点阵常数变化率的物理参数质浓度引起的点阵常数变化率的物理参数;a;a为基为基体金属点阵常数体金属点阵常数. .n对称畸变和
15、不对称畸变均能成为位错运动的障碍对称畸变和不对称畸变均能成为位错运动的障碍, ,随溶质原子固溶所造成的错配度的增加随溶质原子固溶所造成的错配度的增加, ,使点阵畸使点阵畸变加剧而与位错的弹性交互作用增强变加剧而与位错的弹性交互作用增强. .置换固溶强化置换固溶强化n基体金属点阵中结点上的原子如基体金属点阵中结点上的原子如FeFe原子可为固溶原子所取代原子可为固溶原子所取代, ,引起引起球面对称畸变球面对称畸变. .n置换固溶原子能与刃位错产生弹置换固溶原子能与刃位错产生弹性交互作用性交互作用, ,但一般不与螺位错产但一般不与螺位错产生交互作用生交互作用, ,没有阻碍位错运动没有阻碍位错运动,
16、,因此比间隙固溶要小两个数量级因此比间隙固溶要小两个数量级, ,属于弱强化属于弱强化. .n错配度高错配度高, ,则置换固溶强化效应大则置换固溶强化效应大. .n置换固溶强化的抗拉强度增值置换固溶强化的抗拉强度增值: :置换式元素对置换式元素对-Fe-Fe屈服强度的影响屈服强度的影响X X为置换固溶原子百分数为置换固溶原子百分数,n,n为指数为指数,k,k为强化系数为强化系数, ,因合金元素而异因合金元素而异n间隙式固溶强化对铁素体基体间隙式固溶强化对铁素体基体( (包括马氏体包括马氏体) )的强化的强化效应最大效应最大, ,但对韧性、塑性的削弱也很显著但对韧性、塑性的削弱也很显著. .要求铁
17、要求铁素体取得高的强化效应素体取得高的强化效应, ,主要依赖间隙固溶主要依赖间隙固溶C C、N N间隙间隙固溶溶质原子固溶溶质原子. .n置换式固溶强化对铁素体的强化作用虽较小置换式固溶强化对铁素体的强化作用虽较小, ,却不削却不削弱基体的塑性和韧性弱基体的塑性和韧性. .n控制固溶强化的主要因素是固溶度和点阵错配度控制固溶强化的主要因素是固溶度和点阵错配度, ,间间隙溶质原子能给出远大于置换固溶原子的错配度隙溶质原子能给出远大于置换固溶原子的错配度. .因因此前者强化效果可比后者高此前者强化效果可比后者高1212个数量级个数量级. .n室温下室温下, ,-Fe-Fe置换固溶以置换固溶以SiS
18、i、CuCu、MnMn和和Mo,Mo,特别是特别是SiSi强化效果好强化效果好,Cr,Cr则起软化作用则起软化作用. .而而SiSi、MnMn、NiNi在在150K150K出现软化出现软化. .奥氏体置换固溶铁素体形成元素如奥氏体置换固溶铁素体形成元素如W W、MoMo、V V、SiSi有较大强化作用有较大强化作用. .n-Fe-Fe的间隙固溶原子可与刃位错和螺位错产生交的间隙固溶原子可与刃位错和螺位错产生交互作用而构成互作用而构成CottrellCottrell气团和气团和SnoekSnoek气团气团. .二者作二者作用一样强烈用一样强烈, Cottrell, Cottrell气团是气团是-
19、Fe-Fe低温强化的主低温强化的主要机制要机制, ,中温区主要是中温区主要是SnoekSnoek气团和玲木气团强化气团和玲木气团强化. .5.3第二相粒子沉淀强化第二相粒子沉淀强化n第二相粒子沉淀时第二相粒子沉淀时, ,沉淀相在基体中造成应力场沉淀相在基体中造成应力场, ,应力场和运动位错之间交互作用使基体强化应力场和运动位错之间交互作用使基体强化. .n影响第二相粒子沉淀强化效果的因素影响第二相粒子沉淀强化效果的因素: : 1) 1)粒子在钢材屈服时本身可否塑性变形粒子在钢材屈服时本身可否塑性变形; ; 2) 2)第二相的形态与分布方式第二相的形态与分布方式. .可形变粒子的强化作用可形变粒
20、子的强化作用n可形变粒子可形变粒子: :处于与母相共格的中间状态处于与母相共格的中间状态, ,粒子尺寸小粒子尺寸小(150(150埃埃),),可为运动的位错所切割可为运动的位错所切割. .n第二相粒子具有不同于基体的点阵结构和点阵常数第二相粒子具有不同于基体的点阵结构和点阵常数, ,当位当位错切过共格粒子时错切过共格粒子时, ,在滑移面上造成错配的原子排列在滑移面上造成错配的原子排列, ,因而因而增大位错运动的作功增大位错运动的作功; ;第二相粒子的不同于基体的点阵结第二相粒子的不同于基体的点阵结构和点阵常数可在其周围形成不均匀畸变区构和点阵常数可在其周围形成不均匀畸变区, ,位错虽未切位错虽
21、未切过粒子过粒子, ,但通过不均匀畸变区所构成的不均匀应力场也将但通过不均匀畸变区所构成的不均匀应力场也将受到阻力受到阻力, ,出现强化效应出现强化效应. .显然后者的强化作用小些显然后者的强化作用小些. .n沉淀相粒子的共格应变场与位错的应变场之间产生弹性交沉淀相粒子的共格应变场与位错的应变场之间产生弹性交互作用互作用, ,通过这两种应变场的相互补偿通过这两种应变场的相互补偿, ,可使系统能量降低可使系统能量降低. .当位错通过共格应变区时当位错通过共格应变区时, ,也会产生一定的强化也会产生一定的强化. .在共格应在共格应变发展到最充分时变发展到最充分时, ,强化最大强化最大. .n沉淀粒
22、子若为有序相沉淀粒子若为有序相, ,当位错扫过有序结构时当位错扫过有序结构时, ,将在将在滑移面上形成反相畴界滑移面上形成反相畴界, ,反相畴界能高于粒子与基体反相畴界能高于粒子与基体间的界面能间的界面能, ,因此当位错切过有序相时因此当位错切过有序相时, ,需额外消耗需额外消耗这份界面能差值这份界面能差值. .n位错切过粒子后形成滑移台阶位错切过粒子后形成滑移台阶, ,增加界面能增加界面能, ,加大位加大位错运动的能量消耗错运动的能量消耗. .n位错切割粒子将破坏原子的键结合位错切割粒子将破坏原子的键结合, ,增大沉淀相键能增大沉淀相键能, ,提高提高P-NP-N力力, ,增加位错切割阻力增
23、加位错切割阻力. .n当粒子的弹性切变能高于基体时当粒子的弹性切变能高于基体时, ,位错进入沉淀相将位错进入沉淀相将增大位错自身弹性畸变能增大位错自身弹性畸变能, ,引起位错的能量和线张力引起位错的能量和线张力变高变高, ,位错运动受到更大阻力位错运动受到更大阻力. .不可形变粒子的强化作用不可形变粒子的强化作用n不可形变粒子不可形变粒子: :具有较高硬度和一定形状、一定尺寸具有较高硬度和一定形状、一定尺寸, ,并并与母相部分共格或非共格的粒子与母相部分共格或非共格的粒子. .n未交滑移或不交滑移的可动位错遇到不可形变粒子未交滑移或不交滑移的可动位错遇到不可形变粒子, ,不不能切过粒子能切过粒
24、子, ,只能沿着粒子围绕只能沿着粒子围绕, ,每条位错绕过粒子后会每条位错绕过粒子后会留下位错圈留下位错圈, ,继而恢复平直状态继而恢复平直状态, ,继续前移继续前移. .位错的能量位错的能量正比于长度正比于长度, ,因此位错遇到粒子因此位错遇到粒子, ,滑移受到阻碍而发生弯滑移受到阻碍而发生弯曲时曲时, ,须增大外加切应力以克服由于位错弯曲而引起的须增大外加切应力以克服由于位错弯曲而引起的位错线张力的加大位错线张力的加大. .n不可形变粒子的强化作用反比于粒子尺寸不可形变粒子的强化作用反比于粒子尺寸, ,而正比于其而正比于其数目数目. .位错线通过第二相质点示意图位错线通过第二相质点示意图均
25、匀间隙固溶与第二相沉淀粒子强化的比较均匀间隙固溶与第二相沉淀粒子强化的比较 共同点共同点: :n都出现位错遇到间隙原子或第二相粒子而受到阻挡且发生都出现位错遇到间隙原子或第二相粒子而受到阻挡且发生弯曲的现象弯曲的现象, ,因此都要求额外增加切应力以抵消由于位错弯因此都要求额外增加切应力以抵消由于位错弯曲所引起的线张力的改变曲所引起的线张力的改变. .n均可引出下式均可引出下式: :n强化贡献均反比于原子间距或粒子间距的变化强化贡献均反比于原子间距或粒子间距的变化. .区别区别n: :作为位错运动的障碍作为位错运动的障碍, ,单个第二相粒子的强化作用单个第二相粒子的强化作用要高于单个间隙固溶原子
26、要高于单个间隙固溶原子. .位错在第二相粒子处绕位错在第二相粒子处绕转角转角大于间隙原子处大于间隙原子处, ,因此所需临界切应力较大因此所需临界切应力较大. .n间隙固溶强化要求一定的浓度间隙固溶强化要求一定的浓度, ,且间隙原子可造成且间隙原子可造成强烈的点阵不对称畸变强烈的点阵不对称畸变. .而不可形变粒子强化时而不可形变粒子强化时, ,一一般粒子体积分量相对较小般粒子体积分量相对较小( (不大于不大于10%),10%),粒子间距也粒子间距也相对较大相对较大. .因此间隙固溶也可以取得更高强化效果因此间隙固溶也可以取得更高强化效果. .不可形变粒子周围的位错缠结与强化不可形变粒子周围的位错
27、缠结与强化不可形变粒子周围分布着较乱的位错缠结不可形变粒子周围分布着较乱的位错缠结, ,且进而发展成且进而发展成为位错胞的胞壁为位错胞的胞壁. . 当形变超过一定限度后当形变超过一定限度后, ,在一个滑移面上粒子周围的位错在一个滑移面上粒子周围的位错圈塞积在其周围造成较大的切应力圈塞积在其周围造成较大的切应力, ,从而引起粒子周围基体从而引起粒子周围基体产生塑性变形产生塑性变形, ,形成许多棱柱位错圈以松弛粒子周围的弹性形成许多棱柱位错圈以松弛粒子周围的弹性畸变畸变. . 如果不形变粒子的合金在形变后所产生的位错主要为协如果不形变粒子的合金在形变后所产生的位错主要为协调形变的位错调形变的位错,
28、 ,而基体中一般增殖机制产生的位错可略计而基体中一般增殖机制产生的位错可略计, ,则则由此造成的强化为由此造成的强化为: :0 0为晶格摩擦力为晶格摩擦力, ,为常数为常数粗大的第二相或群集体的强化作用粗大的第二相或群集体的强化作用n如奥氏体不锈钢中的如奥氏体不锈钢中的-相和碳钢或低合金钢的珠相和碳钢或低合金钢的珠光体光体. .n当两个相所组成的组织是一种不同晶粒尺寸的多当两个相所组成的组织是一种不同晶粒尺寸的多晶体时晶体时, ,一个相晶粒的预先形成可以明显影响另一一个相晶粒的预先形成可以明显影响另一个相晶粒的细化个相晶粒的细化. .n这种第二相强化作用的大小与第二相的形态这种第二相强化作用的
29、大小与第二相的形态( (包括包括精细结构精细结构) )、分布和数量、分布和数量, ,以及每一沉淀物承受外以及每一沉淀物承受外力的能力有关力的能力有关. .由两相混合组织产生强化的原因由两相混合组织产生强化的原因: : 1) 1)纤维强化纤维强化; ; 2) 2)一个相对另一个相起阻碍塑性形变的作用一个相对另一个相起阻碍塑性形变的作用, ,从而导致另一个从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化相更大的塑性形变和加工硬化, ,直到硬相开始变形为止直到硬相开始变形为止; ; 3) 3)由于两相之间合金元素分布的不同由于两相之间合金元素分布的不同, ,造成基体强度发生变化造成基体强度发生变化; ; 4
30、) 4)基体中围绕第二相粒子可由不同的位错增殖机制效应引入基体中围绕第二相粒子可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错新的位错. .双相组织强化的规律双相组织强化的规律n如果其中一个相的体积分量很大时如果其中一个相的体积分量很大时, ,它对合金性能的作它对合金性能的作用即上升为支配地位用即上升为支配地位. .n双相组织强化与其中一个组成相相对于位错运动的阻双相组织强化与其中一个组成相相对于位错运动的阻碍作用有关碍作用有关. .n如果双相组织是由两个强韧性相差悬殊的相组成如果双相组织是由两个强韧性相差悬殊的相组成, ,并在并在其中一个相形成时有较大的比容改变其中一个相形成时有较大的比容改变, ,则应考虑高强度则应考虑高强度相对低强度相塑性变形的约束作用相对低强度相塑性变形的约束作用, ,从而引起低强度相从而引起低强度相额外的加工硬化额外的加工硬化. .晶粒细化材料中各种缺陷及强化方式材料中各种缺陷及强化方式各种强化效果示意图各种强化效果示意图
