金属材料的强化 材料力学性能.ppt

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金属材料的强化 材料力学性能

* 第三章 金属材料的强化 主要内容 一、固溶强化 均匀强化、非均匀强化 二、细晶强化 细晶强化机理、细晶韧化、细化晶粒的方法 三、第二相强化 第二相强化分类、第二相强化理论 四、形变强化 一、固溶强化 1、均匀强化 强相互作用:间隙式溶质,晶格畸变大,对称性低 弱相互作用:置换式溶质,晶格畸变小,对称性高 1)Mott-Nabarro理论 2)Fleischer理论 3)Fleltham理论 1)Mott-Nabarro理论 强相互作用: τc-临界分切应力 G-切变模量 εb-原子大小错配度 c-溶质浓度 临界分切应力与溶质原子浓度成正比 尺寸因素:溶质原子大小不同引起的弹性应力场作用 弱相互作用: 临界分切应力与溶质原子浓度平方根成正比 Fm-障碍对位错的最大作用力 b-点阵常数 2)Fleischer理论 理论特点:除了尺寸因素外,还考虑了弹性模量的不同 临界分切应力与溶质浓度平方根成正比 τc-临界分切应力 G-切变模量 εs-弹性模量错配度 c-溶质浓度 U-溶质原子与位错的相互作用能 -切变速率; -常数 理论特点: 考虑了多个因素:溶质原子与位错的相互作用、溶质浓度、位错线的性质、温度等 3)Fleltham理论 2、非均匀强化 Cottrell气团强化 Snoek气团强化 Suzuki气团强化 有序强化 静电相互作用强化 浓度梯度强化 1) Cottrell气团强化 合金元素与位错之间的弹性交互作用能为 置换式溶质: ε0 位于刃位错下方 ε0 位于刃位错上方 间隙式溶质: 位于刃位错下方 钉扎作用:位错周围合金元素阻碍或限制位错运动 2)Snoek气团强化 Snoek效应:在螺位错的切应力作用下,位错附近的溶质原子都会跳到交互作用能最低的位置上,使溶质原子呈有序分布 Snoek气团强化:位错周围溶质原子的有序分布形成气团,钉扎位错 Snoek气团的特点: 强化作用与温度无关,与溶质浓度成正比 形成速度快(仅需要跳动 ) 常温下对位错的钉扎与Cottrell气团相当,但高温和形变速度过大时,有序化程度太快,作用不显著 3)Suzuki气团强化(化学相互作用强化) Suzuki气团: 溶质原子在层错区和基体两部分浓度不同 浓度差对位错有钉扎作用 Suzuki气团特点: 对位错的钉扎力比Cottrell气团小,但受温度影响小 对刃型位错和螺型位错都有阻碍作用 举例:高温合金中加Co:Co降低Ni层错能,使位错容易扩展,形成Suzuki气团 4)有序强化 位错通过有序区时破坏原子有序关系而增加位错阻力 5)静电相互作用强化 溶质与位错相互作用时,溶质的导电电子重新分布,产生位错局部电偶极,形成短程静电交互作用 6)浓度梯度强化 晶格常数变化梯度;弹性模量变化梯度;合金元素与位错弹性交互作用变化梯度 二、细晶强化 1. 细晶强化机理 细晶强化原因:晶界两侧晶粒取向不一致,一个晶粒内的滑移带不能穿过晶界直接传播到相邻晶粒 Hall-Petch关系式 Hall-Petch关系式也适用于亚晶 σ0:位错摩擦阻力 Ky:Petch斜率 2. 细晶韧化 细化晶粒使材料强化的同时也使塑性和韧性提高 塑性提高:晶粒细化使单位体积内晶界上夹杂物相对减少 韧性提高:晶界也是裂纹扩展的障碍 3. 细化晶粒的方法 改善结晶和凝固条件 增大过冷度和提高形核率(加入孕育剂) 机械震动和强磁场、强电场(破碎枝晶和粗大晶粒) 调整合金成分 添加细化晶粒的元素:Mg、B、Zr及其他稀土元素 严格控制热处理工艺 冷变形的金属,控制回复和再结晶获取细晶 往复相变细化方法 在固态相变点附近,反复加热冷却,通过相变反复形核 举例:10Ni5CrMoV钢常规淬火晶粒度9级;以9℃/s加热到774℃再淬火,晶粒度为14-15级 三、第二相强化 1. 第二相的分类 a)冶炼过程中产生(夹杂物) 氧化物、硫化物等 夹杂物对合金性能有害 夹杂物与基体结合强度低 夹杂物往往呈尖角状,产生应力集中,促进裂纹形成 第二相强化不包含此类型 b)热处理过程中产生 时效强化(沉淀强化):依靠过饱和固溶体脱溶产生的强化 γ′、γ″等 c)人为添加到合金中 弥散强化:采用粉末冶金方法造成强化 Y2O3、Al2O3等氧化物颗粒 弥散强化合金使用温度比时效强化合金高 2. 第二相强化理论 a)直接强化 第二相的存在使位错运动受阻 主要强化机制 共格应变强化机制 化学强化(位错切过)

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