05 第五章 工程材料的强化理论.pptx

第1页：机械工程材料第五章封面

机械工程材料：第五章“工程材料的强化理论”课件，讲解形变、固溶、第二相与细晶四种强化机制。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：第五章章标题页

第五章 工程材料的强化理论：本章讲解提高工程材料强度的四种基本机制。

第4页：第五章小节目录

第五章 工程材料的强化理论小节目录：

1. 5.1 形变强化
2. 5.2 固溶强化
3. 5.3 第二相强化
4. 5.4 细晶强化

第5页：滑移与滑移带

滑移

晶体一部分在切应力作用下，在某晶面上沿着一定晶体取向与对应部分产生相对滑动的现象；单晶体抛光样品塑性变形后表面出现平行线、台阶，即滑移带。

金属单晶体塑性变形的基本方式：滑移和孪生。

第6页：滑移应力与临界分切应力

滑移的临界分切应力：切应力 τ = F cosλ/(A₀/cosφ) = σ cosλ cosφ，其中 σ = F/A₀，cosλ cosφ 为取向因子。

• 临界分切应力：外力作用使滑移系上的晶体产生滑移变形的最小应力，取决于金属本性
• 单晶体的屈服强度取决于临界分切应力和取向因子

原文符号与数字提取后有粘连，上式按标准施密特（Schmid）关系整理。

第7页：单晶体变形配图页

5.1 形变强化：本页为单晶体滑移变形的配图页，源文件仅提取到节名，建议对照原课件图片补充滑移形貌说明。

第8页：滑移的能量原理与滑移系

滑移的能量原理

金属塑性变形遵从能量最低原理，滑移只能从一定晶面和晶体方向上进行。

滑移面

原子排列最密排面：晶面间距最大，切变变形所需要的分切应力最小。

滑移方向

原子排列最密排方向：原子间距最小，原子从一个稳定位置滑移到下一个稳定位置所经距离最小，外力做功小。

滑移系

一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系；一定条件下，金属滑移系越多，塑性越好。

第9页：滑移系数量与塑性比较

思考：常见晶体结构中哪类金属的塑性变形能力最差？

一般来说，面心立方金属较体心立方金属的塑性好，表明滑移系数量相同时，滑移方向数决定塑性变形能力。

第10页：滑移的本质是位错运动

滑移的本质是位错的运动——刃位错的运动、螺位错的运动、混合位错的运动均表现为晶体沿滑移面的相对滑动，滑移是金属材料塑性变形的主要方式。建议对照原课件图片核校位错运动示意。

第11页：孪生变形的条件与过程

孪生条件

当金属中滑移系较少或晶体取向不利于滑移、位错不能开动时，可进行孪生变形。

孪生过程

晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面与晶向产生一定角度的均匀切变过程；孪生切应力远高于滑移的临界分切应力，但变形速度快。

第12页：变形孪生的显微观察

变形孪生的观察：孪生变形改变晶体位向、产生取向差，以致电子显微分析明场像呈现取向衬度。

第13页：多晶体塑性变形的特殊性

多晶体的塑性变形特殊性：

• 各晶粒取向不同 → 取向因子不同 → 屈服应力不同
• 屈服应力不同 → 承载能力不同 → 变形量不同
• 试验表明，金属可产生一定的均匀变形而不断裂失效

第14页：多晶体变形的三个特点

多晶体的塑性变形特点：不同时性、不均匀性、协调性。只有处在有利位向的晶粒的滑移系才能首先开动；每个晶粒的变形量各不相同，且由于晶界强度高于晶内，每一晶粒内部的变形也不均匀。

多晶体的塑性变形通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性，根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。

第15页：塑性变形形成纤维组织

塑性变形对金属组织结构的影响：1. 形成纤维组织——晶粒沿变形方向被拉长，呈纤维状。建议对照原课件显微照片核校形貌描述。

第16页：形成形变织构

塑性变形对金属组织结构的影响：2. 形成形变织构——各晶粒取向在变形后趋于一致。建议对照原课件图片核校织构示意。

第17页：形变织构配图页

塑性变形对金属组织结构的影响：2. 形成形变织构。本页为上一页织构内容的配图展示，源文件仅提取到标题，建议对照原课件图片补充。

第18页：亚结构细化与点阵畸变

塑性变形对金属组织结构的影响：

1. 亚结构细化：随着变形量增加，位错交织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，称为形变胞
2. 点阵畸变严重：金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、位错等），使部分原子偏离平衡位置，造成晶格畸变

第19页：塑性变形对性能的影响

塑性变形对金属性能的影响：

• 各向异性：主要由于形成了纤维组织和变形织构
• 形变强化（加工硬化）：变形过程中位错密度升高，导致形变胞形成并不断细化，对位错滑移产生巨大阻碍作用
• 残余应力：由变形不均匀性引起
• 其他物理化学性能变化：电阻率增加、耐腐蚀性能下降、磁性能变化等

第20页：冷变形金属的加热变化

冷变形金属的回复与再结晶：

• 冷变形金属的稳定性：处于能量较高的亚稳定状态，变形不均匀性导致残余应力不均匀分布
• 冷变形金属加热后，随加热温度升高依次发生回复、再结晶和晶粒长大过程，最终冷变形组织消失，这一规律在工程中有重要应用

第21页：回复阶段的组织与性能变化

回复

冷塑性变形金属在加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。

• 亚结构变化：点缺陷密度下降；位错组态分布规则化，数量有所降低
• 性能变化：大大降低残余应力、物理化学性能稳定化

第22页：再结晶与最低再结晶温度

再结晶

冷变形金属加热温度高于回复温度时，在变形组织的基体上产生新的无畸变晶核，并长大成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织的过程。

最低再结晶温度

T_再(K) = (0.35~0.5) T_m(K)。

第23页：再结晶过程配图页

冷变形金属的回复与再结晶：本页为再结晶形核与长大的配图页，源文件仅提取到节名，建议对照原课件图片补充演变过程说明。

第24页：再结晶晶粒大小控制

再结晶晶粒大小控制：

• 塑性变形程度：变形程度越大，再结晶晶粒尺寸越小
• 变形温度：塑性变形温度高，变形能小，再结晶晶粒较粗大
• 原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒越细
• 杂质与合金元素：杂质一般起到细化晶粒的作用
• 退火温度：变形相同时，再结晶退火温度越高，晶粒粗大

异常再结晶：由于变形不均匀使形核长大过程不均匀而产生异常长大，变形程度在临界变形度以下时易于发生。

晶粒长大：再结晶完成后继续保温晶粒会继续长大，分为正常长大与异常长大（杂质或第二相溶解使部分晶粒无约束长大）。

第25页：异常再结晶与晶粒长大

本页为异常再结晶与晶粒长大的对比图示页，源文件仅提取到两个标题，建议对照原课件图片补充组织形貌说明。

第26页：焊缝热影响区分析题

思考题：根据回复再结晶原理，分析冷变形金属焊缝周围区域的组织结构和性能？

第27页：冷加工与热加工

冷加工

再结晶温度以下的塑性加工过程。

热加工

再结晶温度以上的塑性加工过程，加工硬化和回复再结晶同时发生，即动态回复和动态再结晶。

第28页：热加工对铸态组织的改善

金属的热加工对组织结构的影响：

1. 改善铸态组织缺陷：可使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度；某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并分布均匀
2. 出现纤维组织：热加工过程中偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出线条状组织

第29页：热加工配图页

金属的热加工：本页为热加工组织的配图页，源文件仅提取到节名，建议对照原课件图片补充纤维组织说明。

第30页：热加工配图页

金属的热加工：本页为热加工改善性能的配图页，源文件仅提取到节名，建议对照原课件图片补充说明。

第31页：第五章小节目录页

第五章 工程材料的强化理论小节目录：5.1 形变强化、5.2 固溶强化、5.3 第二相强化、5.4 细晶强化。本页为进入5.2前的导览页。

第32页：Cu-Ni固溶体合金性能曲线

5.2 固溶强化：实践观察 Cu-Ni 固溶体合金的力学性能（强度和塑性）随固溶度变化的规律——随溶质含量增加，强度硬度升高而塑性下降。建议对照原课件曲线核校变化趋势。

第33页：固溶强化的现象与原因

固溶强化现象

溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降。

固溶强化原因

由于溶质原子造成了固溶体的点阵畸变，其应力场与位错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶强化的主要原因。

第34页：固溶强化的影响因素

固溶强化的主要影响因素：

• 溶质原子浓度：浓度越高，强化作用越大
• 溶质/溶剂原子尺寸差：相差越大，强化效果越显著
• 溶质原子类型：造成球对称点阵畸变时强化约为 G/10；造成非球对称点阵畸变时强化约为 G 的几倍

第35页：第五章小节目录页

第五章 工程材料的强化理论小节目录：5.1 形变强化、5.2 固溶强化、5.3 第二相强化、5.4 细晶强化。本页为进入5.3前的导览页。

第36页：沉淀强化、时效强化与弥散强化

第二相强化

当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动，产生显著的强化作用。

沉淀强化或时效强化

第二相微粒通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化。

弥散强化

第二相微粒通过粉末冶金方法加入并起强化作用。

第37页：时效硬化合金的成分特点

时效硬化合金的成分特点：

• 合金组元之间形成固溶体，固溶度较大
• 固溶度随温度降低而显著减少

第38页：固溶处理与时效两步工艺

时效硬化合金的第二相形成：

1. 固溶处理：当含量大于 B₀ 的合金加热到略低于固相线的温度，使 B 组元充分溶解后快速冷却，形成亚稳定的过饱和固溶体
2. 时效：经固溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解脱溶，并生成第二相分布于基体中

第39页：时效的一般过程

时效的一般过程：过饱和固溶体 → 饱和 α₁ 固溶体＋溶质富集区 → 饱和 α₂ 固溶体＋亚稳相 → 饱和 α 固溶体＋平衡相。

组织结构变化：由单相固溶体（高固溶度）转变为弥散相＋固溶体（低固溶度）的双相或多相组织；时效过程中可能有多种亚稳相析出；时效工艺变化，析出相的大小、分布有所变化。

第40页：时效状态与性能

时效状态与性能：时效合金的性能随时效状态而变化，欠时效、峰时效与过时效对应不同的强度与塑性组合。建议对照原课件曲线核校峰值位置。

第41页：时效焊缝组织分析题

思考题：根据固溶时效原理，分析时效合金焊缝周围区域的组织结构和性能？

第42页：粉末冶金原理与强化机制

粉末冶金概念

利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经过压制成型和烧结两个主要工序来生产各种金属制品的方法。

工艺过程

粉末的制备、压制成型、烧结及后处理。

强化机制

将细小、强硬的第二相颗粒与金属基体相均匀混合烧结成一体，使第二相弥散于金属基体中，达到弥散强化的效果。

第43页：粉末冶金工艺过程

粉末冶金工艺过程：粉末制备 → 压制成型 → 烧结 → 后处理。建议对照原课件流程图核校各工序顺序与名称。

第44页：第五章小节目录页

第五章 工程材料的强化理论小节目录：5.1 形变强化、5.2 固溶强化、5.3 第二相强化、5.4 细晶强化。本页为进入5.4前的导览页。

第45页：细晶强化试验现象

5.4 细晶强化试验现象：

• 显微硬度测量：晶界硬度高
• 拉伸形貌：晶界变形小，变形抗力大

第46页：细晶强化特点与霍尔-佩奇关系

细晶强化特点：材料的宏观强度与其晶粒尺寸的平方根成反比，即 Hall-Petch 关系：

σ_s = σ₀ + K d^−1/2

晶粒细化使强度升高，其韧性也会升高——这是细晶强化与其他强化机制不同的特点。

第47页：晶粒大小对强度的影响曲线

5.4 细晶强化：本页为晶粒大小对不同材料强度影响的试验曲线，展示晶粒越细强度越高的规律。建议对照原课件曲线核校材料种类与坐标。

第48页：细晶强化机制

细晶强化机制：

• 晶界强度高，晶粒细化使晶界增多，材料宏观强度升高，因此细晶强化也称晶界强化
• 晶粒细化后，在载荷相同时每个晶粒所分担的载荷较小，因此在材料本征强度相同时宏观强度高
• 晶粒细化后，当宏观变形相同时每个晶粒的变形量较小，以致宏观材料受载变形断裂时吸收的外力做功更多，韧性高

第49页：细化晶粒的工程方法

细化晶粒方法：

1. 对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等
2. 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间
3. 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数，利用相变重结晶来细化晶粒