武汉理工材料物理学4.pptx

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1、4.5弥弥 散散 强强 化化 如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了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。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。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。这就是弥散强化的由来。第1页/共27页所谓弥散强化，是指将多相组织混合所谓弥散强化，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应在一起所获得的材料强

2、化效应 在弥散强化合金中，一定存在着一种以在弥散强化合金中，一定存在着一种以 上的相上的相，含量大的连续分布的相称为基，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。体。而第二相则一般是数量较少的析出物。4.5弥弥 散散 强强 化化 第2页/共27页基体与析出物之间的关系基体与析出物之间的关系 1 基体应该是塑性的，而析出物则应该基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的是脆性的 2 脆性的析出物应该是不连续分布的，而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，数密度应该多析出物的尺寸应该小，数密度应该多 5

3、析出物的数量越多，合金的强度越高析出物的数量越多，合金的强度越高 4析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的的 或针状的或针状的4.5弥弥 散散 强强 化化 第3页/共27页弥散强化合金中常常含有金属间化合物。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。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非化学价金属间化合物的成分不

4、像化学化合物那样严格，它可以在一定的范围内变合物那样严格，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化。非化学价金属间化合物又称为金属间固溶体。固溶体。4.5弥弥 散散 强强 化化 第4页/共27页图图4.24金属间固金属间固溶体相图溶体相图(a)Al-Sb相图相图;(b)Mo-Rh相图相图 4.5弥弥 散散 强强 化化 第5页/共27页为了利用金属间化合物的高熔点、高硬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些新材料本身就是全部由金属间化合物所组成的。所组成的。金属间化合物中，有两

5、个非常重要的材料。金属间化合物中，有两个非常重要的材料。一个是一个是TiAl，又称为又称为合金。另一个是合金。另一个是Ti3Al，又称为，又称为合金。这两种金属间化合合金。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航天飞机。这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。化的晶体结构。4.5弥弥 散散 强强 化化 第6页/共27页利用共晶反应也能够获利用共晶反应也能够获得弥散强化的材料得弥散强化的材料 在共晶反应中，会生成在共晶反应中，会生成相和相和相两种固相两种固相。这两个固相的化学成分由共晶反应相。这两个固相的化学成

6、分由共晶反应线的两端来决定。线的两端来决定。相的凝固会促进相的凝固会促进相的凝固，而相的凝固，而相的凝相的凝固也会促进固也会促进相的凝固。这是共晶反应的相的凝固。这是共晶反应的一个重要特点。一个重要特点。4.5弥弥 散散 强强 化化 第7页/共27页图图4.25 Sn-Pb相图相图 4.5弥弥 散散 强强 化化 第8页/共27页含锡量为含锡量为61.9%的锡铅合金是共晶合金。这的锡铅合金是共晶合金。这一合金在一合金在183以上时为液相，液相的成分以上时为液相，液相的成分也为也为61.9%。当这一合金液相冷却到。当这一合金液相冷却到183时，开始发生共晶反应，也就是：时，开始发生共晶反应，也就是

7、：含锡量为含锡量为19%的的相相+含锡量为含锡量为 97.5%的的相。相。含锡量为含锡量为61.9%的液相的液相共晶反应共晶反应4.5弥弥 散散 强强 化化 第9页/共27页图图4.26锡铅合金共晶组织示意图锡铅合金共晶组织示意图 4.5弥弥 散散 强强 化化 第10页/共27页当锡铅合金的含锡量在当锡铅合金的含锡量在19%61.9%之间之间时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在时，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。之间时，则称为过共晶合金。4.5弥弥 散散 强强 化化 第11页/共27页图图4.27 Pb-Sn合金的成合金的成分和强化机制分和强化机制

8、对抗拉强度的对抗拉强度的影响影响 4.5弥弥 散散 强强 化化 第12页/共27页共晶反应应用共晶反应应用 陶瓷材料的制作陶瓷材料的制作 共晶焊锡共晶焊锡(共晶反应的具有很低共晶反应的具有很低的熔点的熔点)加快金属和陶瓷粉末之间的扩散加快金属和陶瓷粉末之间的扩散连接或增大其烧结速率连接或增大其烧结速率 共晶合金共晶合金 4.5弥弥 散散 强强 化化 第13页/共27页不过，有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶不过，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，那么即使相包围起来。如果共晶

9、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脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生断裂。生断裂。Al2O3的熔点很高，为的熔点很高，为2020，常用作盛放液态金，常用作盛放液态金属的耐火材料。属的耐火材料。CaO的熔点则更高，为的熔点则更高，为2570。但如果但如果Al2O3耐火砖接触到耐火砖接触到CaO后，会产生一系列后，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。钢温度，就可能引起耐火材料的破

10、坏。4.5弥弥 散散 强强 化化 第14页/共27页可以用来强化材料的固态相变有时效强化、共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态相变都需要经过热处理 4.6固态相变强化固态相变强化 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，则可以多次固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次采用。采用。第15页/共27页图图4.28 Al-4%Cu合金在冷却过

11、程中可能合金在冷却过程中可能出现的组织结构出现的组织结构 4.6固态相变强化固态相变强化 第16页/共27页只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位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。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。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，而是从共格析出物位错不是从共格析出物身

12、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旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。的影响。共格析出物共格析出物4.6固态相变强化固态相变强化 第17页/共27页1.固溶化处理固溶化处理：将合金加热到固溶度线以：将合金加热到固溶度线以上的温度，使合金生成均匀的上的温度，使合金生成均匀的相固溶体相固溶体 2.淬火淬火：将已经加热的合金放入水中，达到：将已经加热的合金放入水中，达到迅速冷却的目的迅速冷却的目的 3.时效时效：将具有过饱和固溶体的合金在低于：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固溶度线的温度下进行加热 共格析出的热处理方法共格析出的热处理

13、方法 4.6固态相变强化固态相变强化 第18页/共27页图图4.29 Al-Cu合金的时效强化过程合金的时效强化过程 4.6固态相变强化固态相变强化 第19页/共27页时效强化效应的时效强化效应的4个条件个条件 1 合金相图中必须存在这样一条固溶度线，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。应该比较硬，且具有脆性。3 合金应该能够进行淬火合金应该能够进行淬火 4.合金中应该有共格析出物生成。合金中应该有共格析出物生成。4.6固态相变强化固

14、态相变强化 第20页/共27页时效强化的合金是不能在高温状态下使时效强化的合金是不能在高温状态下使用的。用的。时效强化合金面临的另一个问题是焊时效强化合金面临的另一个问题是焊接。接。4.6固态相变强化固态相变强化 第21页/共27页共析反应共析反应 从一个固相从一个固相S1转变成两个固相转变成两个固相S2和和S3的反应，如下公式所示的反应，如下公式所示:S1 S2+S3共析反应是固态相变强化的重要手段。共析反应是固态相变强化的重要手段。4.6固态相变强化固态相变强化 第22页/共27页从一个液相转变成两个固相的。共晶反从一个液相转变成两个固相的。共晶反 应应肯定不能通过热处理的方式来实现。肯定

15、不能通过热处理的方式来实现。固相之间的反应，所以在热处理时，可以先固相之间的反应，所以在热处理时，可以先将材料加热到形成固相将材料加热到形成固相S1的温度，然后在冷的温度，然后在冷却过程中利用共析反应得到却过程中利用共析反应得到S2和和S3两个固相。两个固相。作为共析反应产物的两个固相可以使合金实作为共析反应产物的两个固相可以使合金实现弥散强化现弥散强化 共晶反应共晶反应共析反应共析反应4.6固态相变强化固态相变强化 第23页/共27页图图4.30铁铁-碳相图碳相图 4.6固态相固态相变强化变强化 第24页/共27页在铁在铁-碳相图中，含碳量为碳相图中，含碳量为0.77%时为共析成分，时为共析

16、成分，这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到727以上时，出现单一的以上时，出现单一的相。相。相冷却到相冷却到727时，发生如下的共析反应：时，发生如下的共析反应：含碳量为含碳量为0.77%的的相相 含碳量为含碳量为0.0218%的的+含碳量为含碳量为6.67%的的Fe3C 这种薄片状的这种薄片状的相和相和Fe3C互相叠在一起的组织互相叠在一起的组织称为珠光体（称为珠光体（Pearlite）。）。4.6固态相变强化固态相变强化 第25页/共27页图图4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组织结构变化织结构变化 4.6固态相变强化固态相变强化 第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页