第四章-材料强化机制ppt课件.ppt

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1、在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第二节 材料强化机制在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确q 材料的强化机制材料的强化机制导致材料失效导致材料失效导致材料失效导致材料失效的最大应力的最大应力的最大应力的最大应力结构材料结构材料结构材料结构材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料金属材料金属材料 强强强强 度度度度 疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度断裂强度断裂强度断裂强

2、度断裂强度屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度材料强度的唯一性判据材料强度的唯一性判据材料强度的唯一性判据材料强度的唯一性判据在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服强度和断裂强度强度和断裂强度。断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度 b bk k b bk k脆性材料脆性材料脆性材料脆性材料塑性材料塑性材料塑性材料塑性材料脆性材料的强度脆性材料的强度脆性材料的强度脆性材料的强度通常以通常以通常以

3、通常以 k k表示表示表示表示塑性材料的强度塑性材料的强度塑性材料的强度塑性材料的强度通常以通常以通常以通常以 b b表示表示表示表示 大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径可以成为提高金属材料强度的途径。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化：当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增当合金由单相固溶体构成时，随溶

4、质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。塑性和韧性值下降。CuCuNiNi固溶体的机械固溶体的机械 性能与成分的关系性能与成分的关系AlAlMgMg固溶体的应力应变曲线固溶体的应力应变曲线b在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 固溶强化的实质固溶强化的实质固溶强化的实质固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、晶体结构中的弹性交互作用、电电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原

5、子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。不同溶质原子在位错周围的分布状态不同溶质原子在位错周围的分布状态CotrellCotrell气团模型气团模型气团模型气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果，溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量。（它对位错有降低体系的能量。（它对位错有“钉扎钉扎”作用）作用）在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化：合金

6、的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。量高这一特点，对材料进行强化。双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。双晶粒拉伸示意图双晶粒拉伸示意图低碳钢的低碳钢的 s s 与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 在右图中，低碳钢的在右图中，低碳钢的s 与晶粒直径平方根的倒数呈线与晶粒

7、直径平方根的倒数呈线性关系，可用下式表示：性关系，可用下式表示：s 0+Kd1/2 HallPetch公式公式细晶强化理论的提出：细晶强化理论的提出：（1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。（2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，获得最佳的强韧性配合。和韧性，获得最佳的强韧性配合。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 加工硬化加工

8、硬化加工硬化加工硬化：加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。曲线分为三阶段曲线分为三阶段1）易滑移阶段（位错少干扰）易滑移阶段（位错少干扰）2）线性硬化阶段（位错塞积）线性硬化阶段（位错塞积）3）抛物线硬化阶段（螺旋位错）抛物线硬化阶段（螺旋位错 启动，位错密度下降）启动，位错密度下降）加工硬化曲线：加工硬化曲线：加工硬化曲线：加工硬化曲线：在整堂课的

9、教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶粒度对加工硬化曲线的影响晶粒度对加工硬化曲线的影响晶粒度对加工硬化曲线的影响晶粒度对加工硬化曲线的影响加工硬化的实质加工硬化的实质：是金属塑性变形时内部产生滑移，使是金属塑性变形时内部产生滑移，使晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶体结构

10、对加工硬化曲线的影响晶体结构对加工硬化曲线的影响在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 时效强化时效强化时效强化时效强化：时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 第二相强化第二相强化第二相强化第二相强化（弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化）：通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布

11、，可以阻通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。第二相一般指各种化合物质点。第二相一般指各种化合物质点。1 1 1 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布 的第二相；的第二相；2 2 2 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；3 3 3 3）还可通过共析反应获得；还可通过共析反应获得；4 4 4 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。另外还可通过粉末冶金方法获得。获得第二相的途径：获得第二相的途径：获得第

12、二相的途径：获得第二相的途径：在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第二相在基体中的形态及分布：第二相在基体中的形态及分布：第二相在基体中的形态及分布：第二相在基体中的形态及分布：以钢中以钢中Fe3C的形态与分布为例：的形态与分布为例：a：过共析钢中，：过共析钢中，Fe3C呈连续网状分布在呈连续网状分布在晶界上。晶界上。塑性、强度下降。塑性、强度下降。b：珠光体中，：珠光体中，Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。与铁素体呈平行间隔分布。塑性、强度较高。塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小）（要求珠光体细小，片层间距小）c

13、：共析钢或过共析钢经球化退火后，共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒呈颗粒 状分布在状分布在晶界上。晶界上。强度下降，塑性上升，便于加工。强度下降，塑性上升，便于加工。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确弥散型两相合金强化的主要影响因素：弥散型两相合金强化的主要影响因素：弥散型两相合金强化的主要影响因素：弥散型两相合金强化的主要影响因素：1 1）颗粒直径颗粒直径 2 2）第二相含量（体积分数）第二相含量（体积分数）3 3）第二相的分布状态第二相的分布状态第二相的强化机制：第二相的强化机制：第二相的强化机制：第二相的

14、强化机制：绕过机制绕过机制绕过机制绕过机制切割机制切割机制切割机制切割机制在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 复合强化复合强化复合强化复合强化：利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。材料强化的目的。钢的形变热处理钢的形变热处理钢的形变热处理钢的形变热处理固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化 回火索氏体回火索氏体回火索氏体回火索氏体 第二相强化第二相强化第二相强化第二相强化细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化固溶强化固溶强化固溶强化固

15、溶强化在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确q 固态相变固态相变 塑性金属材料的强化机制表明塑性金属材料的强化机制表明塑性金属材料的强化机制表明塑性金属材料的强化机制表明：通过热处理中的加通过热处理中的加热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生变化，最终导致材料性能产生变化。变化，最终导致材料性能产生变化。固态相变固态相变固态相变固态相变是指固态物质在温度、压力、电场、磁场是指固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。改变时，从一种组

16、织结构会转变成另一种组织结构。材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。生的相变。固态相变主要包括三种基本变化固态相变主要包括三种基本变化固态相变主要包括三种基本变化固态相变主要包括三种基本变化：1 1）晶体结）晶体结构的变化；构的变化；2 2）化学成分的变化；）化学成分的变化；3 3）有序程度的变化。）有序程度的变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 材料科学遇到的相变习惯上分为材料

17、科学遇到的相变习惯上分为扩散型相变和无扩扩散型相变和无扩散型相变散型相变两大类。两大类。扩散型相变的特点扩散型相变的特点是通过激活原子运动而产生，要是通过激活原子运动而产生，要求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。无扩散型相变的特点无扩散型相变的特点是相变中原子不发生扩散、原是相变中原子不发生扩散、原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子的相互位置不变。在低温下原子不能扩散时易发生这子的

18、相互位置不变。在低温下原子不能扩散时易发生这类转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的类转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的同素异构转变（同素异构转变（-Co-Co（hcphcp）与）与-Co-Co（fccfcc）。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 固态相变的热力学条件固态相变的热力学条件固态相变的热力学条件固态相变的热力学条件：固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程GG

19、0 0是否成立。是否成立。与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应变能，即变能，即G VGV S VGe 式中：式中：V为新相体积；为新相体积；S为新、旧相的界面积；为新、旧相的界面积；GV和和Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；表示新、旧相界单位面积的界面能。表示新、旧相界单位面积的界面能。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 固态相变的动力力学条件固态相变的动力力学条件固态相变的动力力学条件固态相变的动力力学条件：固态相

20、变的动力学主要讨论固态相变的动力学主要讨论相变进行的速率问题相变进行的速率问题，固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变温度有关的函数。温度有关的函数。动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和组分对相变过程的影响及控制相变产物的组成等内容。组分对相变过程的影响及控制相变产物的组成等内容。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 固态相变的晶体学固态相变的晶体学固态相变的晶体学固态相变的晶体学：固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相形成的原子迁移过程。形成的原子迁移过程。