细晶强化工艺及其应用

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

材料强韧化（结课论文）题目细晶强化机理及其工艺

学生姓名闫旺

学号132080503101

专业班级材料加工工程

任课教师季根顺

学院材料科学与工程学院

日期2014.04.30

细晶强化机理及其工艺

材料加工工程闫旺 132080503101

摘要

金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

关键字:细晶强化位错晶界

ABSTRACT

Polycrystalline metal is composed of a plurality of grains, the grain size can be used within a number of grains per unit volume expressed as the number, the more fine grains. At room temperature, the metal fine grains have a higher strength, hardness, ductility and toughness of metals coarse grain. This is because the fine grains can be plastically deformed by external force in a more dispersed crystal grains, uniform plastic deformation, the stress concentration is small; Furthermore, the finer the grain size, the larger the grain boundary area, the more tortuous the grain boundary, Vietnam is not conducive to crack. Industry will be through grain refinement to improve the strength of the material is known as fine grain strengthening.

Key words：Fine grain strengthening Grain boundary dislocations

一、细晶强化简述

通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻

力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能

使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。

细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方

法。其提高塑性机制为：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，

变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起

的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制为：晶界增多，而晶

界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过。

二、细晶强化的经典理论

一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种

重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上，建立了晶粒大小与金属强度的定量

关系的一般表达式为：

σy＝σ0＋kd-n （1）

式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常

取0.5。这就是有名的Hall-Petch公式，是由Hall和Peteh两人最先在软钢中针对屈服强度建

立起来的，并且后来被证明可广泛应用于各种体心立方、面心立方及六方结构金属和合金。

大量试验结果已证明，此关系式还可适用于整个流变范围直至断裂，仅常数σ0和k有所不同

而己。

Hall-Petch公式是一个很好的经验公式，可以从不同的物理模型出发加以推导。常见

的模型有以下几种：

（一）位错塞积模型

位错运动遇到障碍（晶界、第二相粒子以及不动位错等），如果其向前运动的力不能克

服障碍物的力，位错就会停在障碍物面前，由同一个位错源放出的其他位错也会被阻在障碍

物前，这种现象称为位错塞积。紧挨障碍物的那个位错就被称为领头位错或领先位错，塞积

的位错数目越多，领头位错对障碍物的作用力就越大，达到一定程度时，就会引起邻近晶粒

的位错源开动，进而发生塑性变形或萌生裂纹。

如图1 所示，外加切应力τ较小时，由于晶界的阻碍作用，会使晶粒1内由位错源S1放

出的位错形成位错塞积,可在晶粒2内距其r远处产生较大的切应力，其值在r《d/2时可写

为。此处τ0为位错在晶内运动所受阻力，d为晶粒直径。若设τ*为激

活位于晶粒2中r处的位错源所需的临界切应力，则晶粒2的屈服条件可写为:

(2)

即 (3)

当d》r时，可将上式简化为:

(4) 由此可得:

(5) 若将拉伸屈服强度σy以mτy表示，则：

(6) 即

(7) 在(6)式中，m为一同有效滑移系数量有关的取向因子。有效滑移系越多，m值越小。在滑移系数量任意多时，取m=2；对有12个滑移系的立方晶体取m=3．1.

图1 位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图

（二）晶界“坎”模型[4]

采用上述模型推导Hall-Petch公式的前提是承认在晶体中存在位错塞积。然而，这一点至少对α-Fe来说尚有争议。至今在α-Fe中，只在少数情况下才观察到晶界前的不规则的位错塞积群,而多数情况为不规则的位错缠结。为了克服这一困难，James Li提出一种不需要位错塞积的模型。他认为晶界上的“坎”可以当作位错的“施主”而放出位错，其机制示于图2。由此可将流变应力视为位错运动克服林位错的阻力，并进而求得如下的Hall-Perch公式：

(8)

(8)式中，S为“坎”的密度(单位长度晶界上的“坎”的个数)，α为与位错分布有关的实验待定常数(约为0．4)。

图2 晶界中的“坎”发射示意图

（三）晶界区硬化模型

实际上，晶界“坎”模型是着眼于晶界发射位错而构成林位错加工硬化机制，若仅考虑晶界附近区域的次滑移和加工硬化效应，还可以对Hall-Petch公式作如下推导：设想在流变条件下，晶界的影响是在晶粒内造成一定宽度(d/2)的硬化区，如图3所示。晶粒的强度σ要由晶界附近硬区强度σH和心部软区强度σS综合决定，即:

（9）

又因：

（10）

若略去b2，则将上式代入(9)式整理后得：

（11）因式中σH、σS均为与材料有关的常数，故可改用下式表达：

（12）

因(12)式和(8)式的主要差别是指数不同，故对Hall-Petch公式的一般表达式为(1)。指数n可介于0．45与1．1之间，即0．45

图3 晶界区硬化模型示意图

可见Hall-Perch公式虽是一个可靠的经验公式，可从不同的物理模型加以推导，但确切的物理模型尚难于最后确定。欲利用Hall-Petch公式得出屈服、流变或断裂的微观结论时，需要谨慎对待。

（四）反常Hall-Petch关系

在传统的租晶材料中，其硬度和屈服应力随着晶粒尺d的降低而升高，即通常所说的Hall-Petch效应。但在纳米晶粒材料中．这种效应可能会受到抑制甚至出现相反的变化趋势。通常粗晶材料的塑性变形主要是通过位错的运动和相互作用完成的．而以上模拟表明纳米晶

粒的变形主要是通过晶界滑移和位错运动其同主导的，随着构成材料的晶粒的尺寸逐渐减小，片变形机理从位错运动向基于晶粒边界滑移的方式转变。而粗晶材料中晶粒边界通常是作为位错核的接收器，其阻止位错的运动，从而提高材料的硬度和屈服应力等。而在纳米材料中，晶粒边界成为了位错成核和原干滑移的源头，从而起到促进塑性变形的作用。这使得Hall-Petch效应随着晶粒尺寸的减小而失效甚至出现相反的变化趋势

三、细晶强化的方法

（一）细晶强化的方法：

1.提高过冷度，单位体积中的晶粒数Zv=0.9(N/G)^3/4，N表示单位时间、单位体积内形成的晶核数目，即性和率。G表示单位时间内晶核生长的长度，即长大速度。N/G比值越大，晶粒越细小。

2.变质处理，外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的长大。在浇注前向液态金属中加入某些难容的固体颗粒，会显著的增加晶核数量，使晶粒细化。如：Al、Ti、Nb、V等元素在钢中形成强碳化物或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶粒的长大。

四、细晶强化工艺

（一）熔炼合金化细化

1、微合金化

微合金化技术较为成熟,应用广泛。如含Nb铁素体钢,当Nb含量由0.1%增加到0.5%时,晶粒由40μm细化到1μm,屈服强度由150～230MPa提高到600～650MPa,并有望达到800MPa。目前可供实行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb、Ce、La等,添加量为0.1%～

0.5%。其作用机理为:

(1)微合金元素在金属熔炼中处于晶粒成长的前沿,有助于加大前沿金属的过冷度,提高一次成核率,增加均质成核数量,使金属晶粒细化。

(2)微合金元素一般化学性质活泼,与O、N及金属元素形成化合物,聚集在晶界上,成为弥散强化相,阻止晶粒继续长大。

(3)弥散分布的微合金元素化合物,在金属塑性变形时,根据奥罗万机制,阻止金属晶界滑移,强化金属本体。如,AgCe0.5是应用普遍的电接触材料,Ce的作用不仅可强化和韧化Ag基体(包括Ag基合金),而且对提高抗电蚀、改善电接触性能有特殊功效。Ce的这种特性在早年研发的WCe电极材料中,在改善起弧特性、提高抗电弧烧损方面得到应用。刘生发犤2犦等研究了Ce对镁合金组织细化的影响。

2、纳米细晶强化

纳米细晶强化技术在贵金属器具中的应用成效卓著,如,Ti_Pt(Al2O3增强),ZGS_Pt(ZrO2增强),ODS_Pt(Y2O3增强)及重庆川仪一厂的CYQ_Pt(ZrO2、Y2O3复合增强)及PtRh合金。可节约贵金属用量,提高使用寿命,经济效益显著。纳米弥散强化的制备工艺有粉末冶金法和合金内氧化法。蒋丽娟等用粉末冶金法制得的纳米细晶强化

铂,ZrO2颗粒小于7nm,ZrO2的含量为0.6%～1.0%。室温下材料的屈服强度≥400MPa,1400℃高温下的屈服强度≥15MPa。内氧化法目前已普遍应用,适于批量生产。纳米细晶强化相多为高熔点化合物,如Al2O3、ZrO2、Y2O3、WC、SiC、Ta2O5等。由于纳米细晶强化相极度分散,在金属基体中起到“钉扎作用”,强化金属基体的作用相当明显,尤其在高温工作条件下,弥散强化相稳定,其强化效果更加显著。当强化相含量为0.1%～0.5%时,不会对基体的本质特性带来影响,有时还会增强材料的高温抗蚀性。纳米细晶强化工艺技术在其他金属材料中也有应用,如W_Al2、Cu_Al2、Cu_Cr_Zr_Y等。

五、结束语

结晶组织的细化是金属材料加工的基础,由此不仅能够改善其加工性能,而且为后序

加工工艺，张力退火、过程中进一步控制材料的晶体形状和晶粒大小提供了有利条件,有助于通过工艺技术的不断完善进一步发掘金属材料的应用潜能,更好地服务于电子元器件制造业。

参考文献

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[7] N. J. Petch, Phil. Mag., 1(1956), 186.

[8] 郑勇刚. 纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究. 博士论文

细晶强化的机理及其应用

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 材料强化与质量评定细晶强化的机理及其应用 Fine-grain strengthening mechanism and its application 学院名称：机械工程学院 专业班级：机械1402 学生姓名：XX 指导教师姓名：XX 指导教师职称：副教授 2015年8 月

细晶强化的机理及其应用 摘要：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性[1]。因此，在实际使用中，人们常用细晶强化的方法来提高金属的力学性能。 关键词：定义、细晶强化机制、细化晶粒本质与途径、细晶强化新方法Fine-grain strengthening mechanism and its application Abstract: polycrystal metal is usually composed of many grain, grain size can be used to represent the number of grain per unit volume, the more the number, grain is fine. Experiments show that the fine grained metal at room temperature than coarse grain metal has higher strength, hardness, plasticity and toughness . Therefore, in the practical use, people often use fine-grain strengthening method to increase mechanical properties of the metal. Keywords:definition, fine-grain strengthening mechanism, refining grain essence new methods and ways, fine-grain strengthening 1引言 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化[2]。 细晶强化机制包括提高塑性机制和提高强度机制。提高塑性的机制是：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较为均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度的机制是[3]：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过。 细化晶粒本质[4]：形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。

最新(原文)细晶强化的机理及其应用

细晶强化的机理及其应用 摘要：本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导Hall-Petch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hall-Petch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法-不对称挤压法。 关键词：细晶强化，Hall-Petch关系式，位错。 1 引言 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。 细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法。其提高塑性机制为：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过。 2 细晶强化的经典理论 一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上，建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为： σy＝σ0＋kd-n （1）式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常

第十章 材料的强化

第十部分材料的强化 韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现；强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性则表示材料断裂时总的塑变程度．材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少表示韧性的高低．金属材料缺口试样落锤冲击试验侧得的韧性指标称为冲击韧性．高分子材料冲击试验的韧性指标通常称为冲击强度或冲击韧度． 第一节材料强化基本原理 1、固溶强化纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象 根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体 固溶强化的特点： （1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大； （2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大； （3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用； （3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。 2、细晶强化 多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的目的。 霍尔-佩奇公式：σ s =σ+K y d-1/2 3、位错强化 （1）晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力。可以有效地提高金属的强度。 流变应力τ和位错密度的关系： （2）加工硬化 定义：金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑性降低。 单晶体的典型加工硬化曲线：τ~θ曲线的斜率θ=d τ/d θ称为“加工硬化速率” ·曲线明显可分为三个阶段： I．易滑移阶段：发生单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，θ I 很低，约为10-4G数量级。 II．线性硬化阶段：发生多系滑移，位错运动困难，θ II 远大于θ I 约为 G/100—G/300 ，并接近于 一常数。 III．抛物线硬化阶段：与位错的多滑移过程有关，θ III 随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。 4、沉淀相颗粒强化 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体相中时，将产生显著的强化作用，通常将微粒分成不可变形的和可变形的两类。 （1）可变形微粒的强化作用——切割机制 ·适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形 强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系，主要有以下几方面的作用： A．位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。 B．若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒子时需要附加应力。 C．由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。

大连理工大学材料强度学作业05

本章学习内容小结 1. 屈服条件：在单向拉伸（或压缩）条件下，屈服条件为：s σσ=；对于复杂应力状态，屈服条件是该点6个独立的应力分量的函数，0)(=ij f σ。 2. 四个强度理论： （1） 最大拉应力准则： 无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到极限值，材料就会发生 脆性断裂。材料断裂破坏的因素为最大拉应力，即][1σσ=； （2） 最大拉应变准则：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变达到 极限值，材料就发生脆性断裂。材料断裂破坏的因素为最大拉应变，即][)(321σσσνσ=+-； （3） 最大剪应力条件（Tresca 准则）：最大剪应力达到某一数值时材料就发生 屈服,即[]13s n σσσσ-≤=。 （4） 畸变能条件（Mises 准则）：物体中一点的应力状态对应的畸变能达到某 一数值时，该点屈服。s σ=； []s n σσ= 3. 流变应力（flow stress ）：材料在一定温度下，以一定的应变速率发生塑性变形所需的应力；流变应力是材料的组织结构、温度及应变速率的函数： ),,(ε σσ T S f f =， 其中，S ：材料的组织结构：晶体结构，位错结构，晶粒大小，第二相粒子大小、分布等；T ：温度；ε ：应变速度。 （1） 晶体的理论屈服强度：设想两层原子面之间在切应力的作用下发生刚性滑移， 滑移所需的切应力应该是位移的周期函数（周期等于b ） 2sin x k b πτ??= ???，切应力与切应变满足胡克定律， 22sin x x x k k G b b a ππτ??=≈= ???

理论屈服强度就等于切应力的极大值k 2t G b k a τπ=? 表1一些材料的理论屈服强度和实际屈服强度 晶体的理论屈服强度比实际屈服强度大3个数量级，说明塑性变形不是滑移面整体滑动，而是通过位错来实现。流变应力应等于位错运动的阻力。位错运动的阻力：晶格摩擦力，其他位错，晶界、固溶原子和第二相粒子等。 （2）晶格摩擦力（P-N 力）：晶体点阵对位错运动的阻力； 简化模型结果为：22exp 1(1v)p G a v b πτ??=- ?--??，其中a 为滑移面间距。 （3）位错的长程弹性相互作用 分为两类：平行位错和林位错 晶体中平行位错所产生的长程引力场的振幅的数量级应为： 1/211p Gb ταρ= 这说明流变应力与位错密度的平方根成正比。 与林位错的相互作用： 1/21j f Gb ταρ= 产生割阶对流变应力的贡献与林位错密度的平方根呈正比。 各种位错因素对流变应力的贡献都与位错密度的平方根成正比，考虑位错以外因素的作用，则临界切应力可用下面的关系式表达： 可粗略地看作P-N 力（实际上还有点缺陷，杂质等的作用）。 (4)流变应力与温度：低（室）温下，流变应力对应变速率很不敏感，故较低温度下的变形可以不考虑应变速率的影响：

材料热力学课件

S. J. T. U.
Phase Transformation and Microstructure Design
李伟
Wei Li
Lecturer
E-mail: weilee@https://www.doczj.com/doc/af17321810.html, Phone: 5474 5567 Office: 闵行校区材料楼 A503B室 Office Time: Wednesday 2:00-3:00 PM https://www.doczj.com/doc/af17321810.html,/Able.Acc2.Web/Template/View.aspx? courseType=0&courseId=5204&topMenuId=37502&men uType=4&action=view&type=&name=
SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012 ? X. J. Jin Introduction
1/70

S. J. T. U.
Experiences
Phase Transformation and Microstructure Design
Qualifications
PhD?in?Metallurgy?and?Materials,?The?University?of?Birmingham,UK,2011 MSc?in?Material?Science,?Shanghai?Jiaotong?University,?2007 BSc?in?Material?Science?and?Engineering,?Shanghai?Jiaotong?University,?2004
Employments
2007. 5‐8 Baosteel‐NSC/Arcelor?Automotive?Steel?Sheets?Co.Ltd 2012.?2‐ Shanghai?JiaoTong?University
SJTU Thermodynamics of Materials
Fall 2012
? X. J. Jin
Introduction
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材料力学学习心得

材料力学学习体会 摘要：本文对我在学习材料力学中的心得体会作了总结 关键词：力学性能，生活，体会 引言：材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。这学期，从第一章的绪论到附录一的平面图形的几何性质，使我更深入的了解了材料力学，学会了如何应用材料力学解决生活总的实际问题,以及对材料力学有了更深刻的体会。 一：综述 在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。 包括两大部分：一部分是材料的力学性能，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可缺少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆、受弯曲的梁和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为三类： ①线弹性问题。在杆变形很小，而且材料服从胡克定律的前提下,对杆列出的所有方程都是线性方程,相应的问题就称为线性问题。对这类问题可使用叠加原理，即为求杆件在多种外力共同作用下的变形，可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形，然后将这些变形叠加，从而得到最终结果。 ②几何非线性问题。若杆件变形较大，就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡，而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。这样，力和变形之间就会出现非线性关系，这类问题称为几何非线性问题。 ③物理非线性问题。在这类问题中，材料内的变形和内力之间不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。在几何非线性问题和物理非线性问题中，叠加原理失效。解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂－恩盖塞定理或采用单位载荷法等。 二：生活中的材料力学 生活中机械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的形变属于扭转变形。

材料力学性能复习重点汇总

第一章 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（σP）或屈服强度（σS）增加；反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）

单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。 屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。 4．第二相（弥散强化，沉淀强化） 不可变形第二相 提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 不可变形第二相 位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化：

材料科学基础重点总结 5材料的强化途径

材料的强化 强韧化意义 希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得。提高材料的强度和韧性，节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命 提高金属材料强度途径 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高强度可通过以下两种途径： 1 完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度 2 大量增加材料内部的缺陷，提高强度 增加材料内部缺陷，提高强度，即在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动 四种强化方式： 固溶强化 细晶强化 形变强化（加工硬化) 第二相粒子强化 实际上，金属材料的强化常常是多种强化方式共同作用的结果。 材料强度 缺陷数量 冷加工状态 退火状态 无缺陷的理论强度 材料强度与缺陷数量的关系

固溶强化：当溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体时，使材料强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。 强化本质：利用点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使金属基体获得强化 强化机理：1溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上的运动的位错有阻碍作用；2位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。 影响因素 不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别，影响因素主要有： 1 溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。 2溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 3间隙溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。 4溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。 固溶强化效果与溶质原子的质量分数成正比关系。大多数溶质原子在室温的溶解度比较小，为了提高固溶度从而提高固溶强化的效果，可以将其加热到较高温度，经过保温后快速冷却到室温，使溶质原子来不及析出而得到过饱和固溶体，这就是固溶处理。 经过固溶处理后还可以经过时效处理进一步提高其强度。对过饱和固溶体在适当温度下进行加热保温，析出第二相，使强度硬度升高的热处理工艺称为时效。时效硬化的本质是从过饱和固溶体中析出弥散第二相，属于第二相强化途径。 固溶和时效广泛用于有色金属的强化，如铜合金，铝合金，镁合金，钛合金等。

原文细晶强化的机理及其应用

细晶强化的机理及其应用 摘要:本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理,介绍了三种推导Halｌ-Pｅtch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hａlｌ-Pｅtch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法－不对称挤压法。 关键词:细晶强化,Ｈall-Petｃh关系式,位错。 1 引言 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示,数目越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小;此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时,由于晶界两侧晶粒的取向不同,加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处,引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小,晶界越多，位错被阻滞的地方就越多,多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外,位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源,在应力的作用下，此位错源不断放出位错,使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍,才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此,材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大,需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小,材料的屈服强度就越大。 细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法。其提高塑性机制为：晶粒越细,在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行,变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少,因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多,能量较高,阻碍位错的通过。 2 细晶强化的经典理论 一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上,建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为: σｙ=σ0+kd-n (1）

材料力学性能

第一章 1.退火低碳钢在拉伸作用下的变形过程可分为弹性变形，不均匀屈服塑性变形，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形和断裂 2.弹性表征材料发生弹性变形的能力 3.应力应变硬化指数表征金属材料应变硬化行为的性能指标，反应金属抵抗均匀苏醒变形的能力 4.金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志 5. σs 呈现屈服现象的金属材料拉伸时试样在外力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs 6. σ0.2 屈服强度 7.断裂类型：韧性断裂和脆性断裂；穿晶断裂和沿晶断裂；解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂 8.塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力 9.韧性断裂和脆性断裂的断口形貌：①韧性断裂断口呈纤维状，灰暗色；中低碳钢断口形貌呈杯锥状，有纤维区，放射区和剪切唇三个区域②脆性断裂断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状，有人字纹花样 10.沿晶断裂断口形貌：沿晶断裂冰糖状 11.常见力学行为：弹性变形，塑性变形和断裂 第二章 1.应力状态软性系数Tmax与σmax的比值 2.相对关系压缩试验α=2，扭转试验α=0.8 3（1）渗碳层的硬度分布---- HK或-显微HV （2）淬火钢-----HRC （3）灰铸铁-----HB （4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显微HV或者HK （5）仪表小黄铜齿轮-----HV （6）龙门刨床导轨-----HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度) （7）渗氮层-----HV （8）高速钢刀具-----HRC （9）退火态低碳钢-----HB （10）硬质合金----- HRA 第三章 1.冲击韧性指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用Ak表示 2.冲击吸收功摆锤冲击试样前后的势能差 3.低温脆性实验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降。原因：材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果 4. 韧脆转变温度转变温度tk称为韧脆转变温度 第四章 1.断裂韧度（K IC ）在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力（与组织有关） 2.应力场强度因子（K I）受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量（与本身有关） 3.断裂韧度（G IC）表示材料阻止裂纹失稳扩展是单位面积所消耗的能量 4.K IC的测量标准三点弯曲试样，紧凑拉伸试样，F形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样

五大细晶强化

金属强化机制 一．固溶强化 通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）而使金属强度硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。 1.固溶强化机制： 运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。 2.固溶强化的规律： （1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好 （2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加而增大 （3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，而

置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。 （4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。 3. 实例: 纯Cu 中加入19%的Ni ，可使合金的强度由220MPa 提高到380~400MPa ，硬度由44HBS 升高到70HBS ，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。 二. 细晶强化 金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。 （1） 晶界强化 实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系： 此式称为霍耳-配奇公式(Hall-Petch 公式)。 式中： σi ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； D ——为多晶体中各晶粒的平均直径； K ——为晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力 σi 包含着不可避免的残留元素如Mn 、Si 、N 等对位错滑动的阻力。对于铁素体一珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此Hall —Petch 公式可以改写为： 式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系数，即每1％重量百分数可以提高的屈服强度。σ0为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。σ0值随不同的处理而异。空冷时σ0 =86.24MPa ，炉冷时为60.76MPa 。D 为等轴铁素体晶粒平均截线长，以mm 为单位。 铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D 小时，D 的很小变化将使D -1/2产生较大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织。 当珠光体量大于30％时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，Hall —Petch 公式可以改写为 式中f F 、f P 是铁素体和珠光体的体积百分数，即f F + f P =1；σ0.2和σP 相应为纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度。 由公式看出，曲线斜率f F K 1随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体晶粒的强化作用。相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对σs 的贡献加大。由此可得出结论：与细化晶粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强化效果愈大；相反在组织中珠光体愈多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细化晶粒效果也就愈差。 （2） 亚晶强化 低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、变形量有关。 亚晶强化的原因是位错密度增高。亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。另外有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。 1. 细晶强化机制： 晶界是位错运动过程中的障碍。晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度减 2 /11-+=D K i s σσ8.9)51.18.2913.87.3(2/10?++++=-D N Si Mn s σσ2 /112.0-++=D K f f f F P P F s σσσ

金属材料的四种强化方式

金属材料的四种强化方式 一．细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高； 细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。 细化晶粒的方法 1，增加过冷度； 2，变质处理； 3，振动与搅拌； 4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。二．固溶强化 定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。 原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。 影响因素 （1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。 （2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 （3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。 （4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。 编辑本段程度固溶强化的程度主要取决于两个因素：1. 原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多

材料力学性能名词解释部分

以下整理，仅供参考！！！ 试卷相关名词解释： (1) 河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。（从垂直于解理面的方向上观察台阶的存在，就看到“河流花样”） (2) 滞弹性：应变落后于应力而和时间有关的现象。（金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象） (3) 过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。 (4) 热疲劳：凡是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀和收缩受到约束，产生了交变热应力。由这种交变热应力引起的破坏就叫热疲劳。 (5)接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。 (6) 凿削式磨粒磨损：从表面上凿削下大颗粒金属，摩擦面有较深沟槽。韧性材料——连续屑，脆性材料——断屑。 (7)粘着磨损：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。 (8) 内部氢脆：内部氢脆：金属材料在冶炼与加工如酸洗、电镀、焊接、热处理等过程中吸收了大量的氢。即材料在受载荷前其内部已有足够的氢引起氢脆，称为内部氢脆。 (9)氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经一段孕育期后，在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢滞延滞断裂。 (10)扩散蠕变：在高温条件下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。 (11) 包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 (12) 低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。 (13) 韧脆转变温度：材料由韧性状态变为脆性状态的转变温度。（除面心立方金属外，其它的金属随温度降低可能变脆。就是说，当试验温度低于某一温度Tk时，材料由韧性状态变为脆性状态。其标志为冲击功明显下降，断口由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理。这就是低温脆性。特定温度Tk称为韧脆转变温度） (14) 循环软化：若材料在恒定应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力不断减小，称为循环软化。 (15) 循环硬化：若材料在恒定应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力不断增加，称为循环硬化。 (16)应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的 低应力脆断现象。 (17) 脆性断裂：是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，十分危险。 (18) 弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 (19) 里氏硬度：采动载荷试验法，它是用规定质量的冲头在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。

论细晶强化

论细晶强化 工业上实际应用的金属材料一般是多晶体材料，材料中包含着许多小的晶粒，晶粒与晶粒之间有晶界。实验和理论都证明，金属的晶粒越细，金属材料在常温时的强度、硬度便越高，塑性和韧性也越好。因此，人们常常用细晶强化的方法来提高金属的力学性能。 金属的塑性变形，主要是以滑移方式进行的。所谓滑移，是指晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面发生相对移动。通常金属晶体中存在大量的位错，滑移变形是通过位错运动来实现的。 晶界处的塑性变形抗力远较晶粒内的抗力高。这是由于在晶界处原子排列混乱，并聚集了一些杂质，使得滑移过程中的位错运动受到阻碍和制约，增加了塑性变形的抗力。由此可得出细晶强化的推论：若金属材料的晶粒越细，则晶界越多，对位错运动的阻力越大，即塑性变形的抗力增大，强度、硬度增大。 由于多晶体中各晶粒的位向不同，因此当任何一个晶粒滑移变形时，将受到周围不同位向的晶粒的阻碍，这也使塑性变形抗力增加。当金属受力产生塑性变形时，处于软位向的晶粒首先发生塑性变形，但它的塑性变形要受到周围不同位向晶粒的阻碍，特别是受到处于硬位向的晶粒的阻碍，这使得塑性变形的抗力增大。从位向差别影响的分析，也可得出细晶强化的推论：金属材料的晶粒越细，每个晶粒周围不同位向的晶粒增多，特别是处于硬位向的晶粒增多，使得金属强度、硬度增大。 由于晶粒越细，在单位体积中的晶粒数越多，因此金属的总变形量可以分散到更多的晶粒中，使变形均匀。这减少了因变形不均匀而引起的应力集中，使多晶体金属能产生较大的塑性变形而不致破裂。此外，晶粒越细，形成的晶界越曲折，这可阻碍裂纹的扩展。故金属材料的晶粒越细，不仅强度高，而且塑性和韧性也越好。

材料强化基本原理

第十章材料的强韧化 第一节材料强化基本原理 结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。 一、金属材料的强化原理 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象， 称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作 用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可 分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。 （1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的 长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相 位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要 看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位 错截交成弯曲形状。如图10—l所示． 图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。 x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。 处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强， 这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力 求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形 状。相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要 式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故

材料的强化机制

材料的强化机制： 强韧化意义 提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础 提高金属材料强度途径 1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度 2.主要采用另一条途径来强化金属，即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 金属材料的强化 在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括 1.固溶强化 2.细晶强化 3.第二相粒子强化 4.形变强化 固溶强化 固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法 溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式 1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示 2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较为重要 细化晶粒可以提高金属的强度 1.晶界对位错滑移的阻滞效应 2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高 位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒

(完整word版)金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化

金属的五种强化机制及实例 1 固溶强化 (1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。 （2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。 （3）实例：表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态) 对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。 2 细晶强化 (1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。 (2) 细晶强化机制：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。 (3) 实例：ZG35CrMnSi钢强化工艺 工件铸造后经过完全退火,正火,再进行亚温淬火加高温回火热处理。该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。分析如下：亚温淬火在原奥氏体晶界上形成细小的奥氏体晶粒，奥氏体面积也变大了数倍；杂质在晶界偏析较少，可以细化晶粒和减少晶界偏析；加热温度较低，晶粒长大倾向小，实际晶粒较细；淬火时，马氏体被细化，而且细小晶粒的交界面曲折多弯，可以阻挡裂纹的扩展，两相区淬火时碳化物的析出过程及碳化物的形态不同于普通淬火，可减轻回火脆性提高冲击韧度同时亚温淬火采取水冷，冷速的提高也使晶粒得到细化。所以亚温淬火在保持抗拉强度不变的情况下，可提高冲击韧度。由于亚温淬火，存在一部分未溶铁素体，可以提高材料整体的塑性。由以上分析可知，ZG35CrMnSi钢强化手段主要有细晶强化，第二相强化和位错强化。 3 形变强化 （1）随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化。形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷作硬化。 (2) 形变强化的机理是: 冷变形后金属内部的位错密度将大大增加, 且位错相互缠结并形成胞状结构(形变亚晶) , 它们不但阻碍位错滑移, 而且使不能滑移的位错数量剧增, 从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高。