弥散强化与固态相变强化.ppt

第4章 材料强化 4.1 概述 * 4.2 力学实验与材料性能 4.4 固 溶 强 化 4.3 加 工 硬 化 4.5 弥 散 强 化 4.6 固态相变强化 2个学时 2个学时 2个学时 4.5 弥 散 强 化 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，通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。 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。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。 在弥散强化合金中，一定存在着一种以上的相 ，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。 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固溶体。 化学价金属间化合物具有固定的成分。钢铁中就是依靠化学价化合物Fe3C来获得强化的。 图4.24金属间固溶体相图 (a) Al-Sb相图(b) Mo-Rh相图 化学价化合物 金属间固熔体 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，有些新材料本身就是全部由金属间化合物所组成的。 金属间化合物中，有两个非常重要的材料。一个是TiAl， 又称为γ合金。另一个是Ti3Al，又称为α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航天飞机。 Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻，耐腐蚀。硬度与钢铁差不多，但比重小一半，稍比Al大，但强度（硬度）是Al的2倍。这对航空业的材料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中，就大量用Ti代替钢。 另外，Ti粉可用做燃料，是火箭的好燃料。Ti被誉为宇宙金属、空间金属。 人们是这样描述的：人类对金属的应用，如果把Cu当作第一代，Fe第二代，Al第三代，则Ti就是超越了前辈的第四代金属。 常温下，Ti不与无机酸反应，即使是王水也不能溶解。有人做过实验，把一块Ti沉到海底，经5年后取上来观察，一点没有生锈，依旧亮闪闪的。这个用于轮船，潜艇就非常有利。除此之外，Ti没有磁性。这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时，它的强度大，Ti潜艇可在深达4500m的深海中航行。 高温下，Ti能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、很难熔的化合物，如TiN，TiC，TiB，TiB2，或与许多金属形成金属间化合物。 其中 在1800~2000℃下发生反应：Ti+C→TiC（黑色）。TiC熔点3100℃，硬度高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具材料。 r-TiAl，金属间合物，高硬度比，耐高温，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空材料。 γ- TiAl， α -Ti3Al 这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。 例如，在面心正方结构的TiAl中，Ti原子占据8个角和上下两个面的面心的晶格位置，而Al原子占据其余4个侧面的面心位置。 这种有序结构使位错滑移更加困难，同时有序结构也增大了原子扩散的难度，因此增大了材料的高温蠕变强度。 在共晶反应中，会生成α相和β相两种固相。这两个固相的化学成分由共晶反应线的两端来决定。 α相的凝固会促进β相的凝固，而β相的凝固也会促进α相的凝固。这是共晶反应的一个重要特点。 图4.25 Sn-Pb相图 含锡量为61.9%的锡铅合金是共晶合金。这一合金在183℃以上时为液相，液相的成分也为61.9%。当这一合金液相冷却到183℃时，开始发生共晶反应，也就是： 含锡量为19%的α相+含锡量为 97.5% 的β相。 含锡量为61.9% 的液相 共晶反应 图4.26 锡铅合金共晶组织示意图 当锡铅合金的含锡量在19%~61.9%之间时，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。 图4.27 Pb-Sn合金的成分和强化机制对抗拉强度的影响 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，它总是将初相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生断裂。 Al2O3的熔点