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材料强化机制与质量评定

JIANGSUUNIVERSITY

材料强化机制与质量评定概述

学院名称：

汽车与交通工程学院

班级学号：

学生姓名：

日期：

_2015年7月30日____

摘要

复合材料的强化机制和质量评定一直是材料学的研究热点,因为这涉及到材料的组织设计问题。

以往的研究对于金属基复合材料的强化机理已有研究,而且提出了大量的模型,但迄今为止缺乏一个统一而完善的理论。

本文总结分析了近年来有关金属基复合材料的强化机制和一些相关的模型，根据金属微观强化机理的不同，从基本机理和工艺方面，并以金属材料为例简要综述其主要内容和特点。

关键词:

金属复合材料，强化机制，质量评定，材料设计

ABSTRACT

Strengtheningmechanismsandqualityassessmentofcompositematerialssciencehasbeenahottopic,asitrelatestotissuematerialdesignissues.Previousstudiesstrengthenthemechanismformetalmatrixcompositeshavebeenstudiedandmadeanumberofmodels,butsofarthelackofaunifiedandcomprehensivetheory.Thispapersummarizesandanalyzesinrecentyearsconcerningmetalmatrixstrengtheningmechanismsandsomerelatedmodelsofcompositematerials,accordingtothemicroscopicmetalstrengtheningmechanismisdifferentfromthebasicmechanismsandtechnologicalaspects,asanexampleofametalmaterialandabriefoverviewofitsmaincontentandfeatures.

Keywords:

Metalcompositematerials,strengtheningmechanisms,qualityassessment,materialsdesign

目录

第一章绪论1

第二章材料强化机制3

2.1金属材料强化方法3

2.2常用金属材料简介7

2.2.1铝合金7

2.2.2镁基合金10

2.2.3钛基合金14

2.2.4钨基合金16

第三章材料质量评定19

第四章总结22

参考文献:

23

第一章绪论

科学技术的不断发展，材料的生产和研制工作的不断深入，对材料的性能和内在的变化规律有了进一步了解，从而揭示和大大提高了材料的内在潜力，使其能发挥更大的作用。

材料科学主要是研究材料成分、结构与性能之间的相互关系和变化规律。

它为应用科学和技术提供了发展新材料、新工艺和新技术的途径。

众所周知，金属材料的力学性能主要取决于内部组织结构。

随着材料测试技术和显微分析技术的进步，加深了对材料宏观性能和微观精细结构相互关系的了解，从而揭示了各种材料强化的本质和原理。

由于宏观性能一微观组织结构一材料强化工艺三者存在着互相依存关系，因此可找到强化金属材料的基本途径。

本文根据金属微观强化机理的不同，从基本机理和工艺方面，并以金属材料为例简要综述材料强化的主要内容和特点。

航空航天等工业的发展，极大地推动了铝合金的研究和应用，特别是颗粒增强铝合金材料由于具有优良的力学性能和加工性能而备受人们的关注。

尽管铝合金得到了广泛应用并且发展迅猛，但其基础理论的研究仍相对薄弱，如增强机制的研究。

本文阐述了铝合金的几种强化技术，介绍了细晶强化及其增强机理。

简述了几种铝合金强化技术工艺，包括旋涡搅拌铸造法、压力铸造法、喷射铸造法、熔铸直接接触反应法、细晶强化法等。

镁合金较低的强度和较差的高温性能限制了它的进一步应用,镁基复合材料的强化机制和强度预报涉及到材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研究热点。

为了设计高强镁基复合材料需要优化工艺参数、热处理条件、陶瓷增强体和金属基体的选择。

钛合金由于具有比强度高、耐蚀性能好以及良好的生物相容性等优点，已经在航天、航空、化工、医药等领域得到越来越广泛的应用。

但是，由于钛合金耐磨性能差，极大地限制了其在工程上的应用范围。

利用激光熔覆技术在钛合金表面制备复合材料涂层，可以明显的提高钛合金的耐磨性能，此方面研究在国内外已有报道。

主要的研究集中在观察激光熔覆层材料的显微组织变化，测试材料的耐磨性能，从而揭示出组织与性能的关系。

金属钨具有高模量、高硬度、高密度、高熔点、抗热震、耐磨、耐腐蚀等优良特性,高密度、固溶强化、弥散强化钨合金及钨基复合材料得到广泛应用。

研究钨及钨合金的变形、强化机制及损伤行为,对推动钨及钨合金的发展具有重要意义。

介绍了一种材料质量评定的方法，贴近度法。

贴近度是描述2个模糊集合的接近程度的量。

合材料制品的性能可以用一系列的隶属度向量表示（单因素判定结果）,利用这些隶属度向量,考察2个模糊集合的接近程度来进行判定,这就是用贴近度法评定复合材料制品质量的基本思想。

第二章材料强化机制

2.1金属材料强化方法

金属微观强化机构的分类，以钢铁材料为例，其强化机理可分为晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀和弥散强化、相变强化、Spindal（调幅分解）和有序化强化七类。

2.1.1晶界强化

晶界分大角度晶界（位向差大于10°）和小角度晶界（亚晶界位向差最大1°～2°），晶界两边相邻晶粒和亚晶块的原子排列位向不同，处于一种畸变状态。

晶界处位错密度较大，对金属滑移、位错运动起阻碍作用。

即对塑性变形抗力较之晶粒内部大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也困难。

据资料报道，在室温下，当金属晶粒受外力而断裂时，真裂纹几乎都发生在晶粒内部，可见室温下晶界强度较晶内强度高。

上述现象说明晶界的主要作用是阻碍位错滑移，对金属塑性变形时的位错运动起阻碍作用。

基于这个道理，当晶粒越细，晶界越多其阻碍作用越大，此时金属材料的屈服强度也越高。

2.1.2固溶强化

1.固溶强化的机理与分类固溶强化是利用点缺陷（间隙原子、置换原子）对金属基体（溶剂金属〉进行强化，它分为两类：

（1）间隙式固溶强化有些元素原子直径很小，如C、N、H、B、0等，当它们作为溶质元素溶入溶剂金属（如Fe）时，便形成间隙式固溶体。

组织中的基本相，奥氏体（A）是C在面心立方晶格的γ-Fe中的间隙固溶体，其最大溶解度为2.06%（Wt），而铁素体（F）则是C在体心立方晶格的α-Fe中的间隙固溶体，其最大溶解度只有0.02%（Wt）。

当C、N原子嵌入α-Fe晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称正方性畸变（c/a>1）造成强硬化效应，铁基体的屈服强度随间隙原子量的增大而变大，强化增量和C原子含量的平方根成直线关系。

C、N等间隙原子在基体中与位错产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，则形成所谓“柯氏气团”。

当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“Snock气团”。

这些在位错附近所形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，所以对金属基体产生强化效应。

实验证明：

C、N原子造成的强化增量和温度无关，每增加1%原子百分数的C、N，可以使基体强化45kg/mm2

（2）置换式固溶强化置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效能要比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为弱硬化。

形成置换固溶体时，溶剂原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关。

当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化性质也愈接近，则溶解度便愈大。

若晶格类型也相同，则可形成无限固溶体（如Cu-Au,FeCr）。

由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别时就会破坏榕剂晶格结点上原子引力平衡，而使偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随着原子直径差别增加，造成的畸变的程度愈大，由此而造成的强化效果更大。

在Fe中加入Mn、Cr、Si、Ni、Mo等元素，都能造成置换式固溶强化作用。

2.1.3位错强化

由现代塑性理论和电镜、x射线衍射等现代微观测试技术研究证明：

（1）计算刚性塑性滑移开始所需临界切应力比实际测定的大几百至几千倍。

（2）晶体中存在位错，在切应力作用下，位错会发生迁移，因为迁移距离小于1个原子间距，所以位错移动所需临界切应力小得多。

金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引起的，“位错”密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大。

表现在力学性能上，金属强度提高，也就是说当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属就表现出强化效果。

理论研究同时表明，制成无缺陷，几乎不存在位错的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。

因此，根据位错机理，金属可以有两种强化途径：

1）对有晶体缺陷的金属，即存在位错的金属，可以通过位错增殖而强化；

2无晶体缺陷的理想金属，则金属强化效果更好。

金属强度与其中位错之间关系

2.1.4沉淀与弥散强化

沉淀与弥散强化就其本质来说，它有两种途径：

一是第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场，应力场和位错交互作用使基体强化F二是第二相质点和基体处于共熔或半共熔状态时，质点周围有1个高能区具有很大的弹性畸变，致使强度、硬度急剧增加而强化，总的来说，沉淀和弥散强化效应可总结成3点：

（1）沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，要使第二相有足够的数量，必须提高基体的过饱和度。

（2）第二相弥散度越大，强化效果越好，共格第二相比非共格第二相的强化效能大。

（3）第二相质点对“位错”运动的阻力越大，强化效果也越大。

2.1.5相变强化

相变强化主要是M强化和贝氏体（β）强化。

2.1.6形变热处理强化

形变热处理是将压力加工与热处理紧密结合起来,同时达到成型与强化双重目的综合工艺。

其强韧化机理可简述为:

1）形变热处理细化A晶粒,使随后淬火所得M细化。

2）形变热处理时形成大量位错）2,它可作为M成核,也使M细化,而M转变又促进位错增加,并形成胞状亚结构,其胞状壁犹如晶界,可阻碍塑性变形的发展。

由于形变过程中由M继承的大量位错属于不动位错,它对钢的强化作用,比M切变形形成的位错大。

3）在形变热处理的钢中,高度弥散的碳化物与位错的交互作用是具有高强度的主要原因。

碳化物沿位错析出,降低了A中C的含量,从而有利于增加板条M的量,也可提高强韧性效果。

形变热处理工艺方法的主要种类有：

形变阶段

马氏体相变

扩散型相变

工艺特点

工艺名称

工艺特点

工艺名称

相变前形变

在稳定奥氏体温度范围内形变，在亚稳奥氏体范围内形变

锻造淬火

改良奥氏体形变，高温形变热处理，奥氏体形变

稳定奥氏体范围内形变，亚稳奥氏体范围内形变

控制轧制

相变中形变

在马氏体相变过程中形变

低温或零下形变热处理

在珠光体、奥氏体相变过程中进行形变

等温形变

相变后形变

马氏体的形变，回火马氏体的形变

马氏体形变应变回火

珠光体、贝氏体的形变

索氏体化处理

适用钢种

超高强度钢

高强度钢

效果

强化与韧化

改善韧性

2.2常用金属材料简介

2.2.1铝合金

（一）铝合金强化技术

１　旋涡搅拌铸造法

自从熔铸法引入颗粒、晶须或短纤维增强铝合金以来，旋涡搅拌铸造法就一直受到人们的重视，其突出的优点是对设备要求低、工艺简单、易于实现。

在石墨颗粒增强、ＳｉＣ颗粒增强或Ａｌ２Ｏ３颗粒增强铝合金的制备中得到了成功运用。

为了消除颗粒在熔体中的偏析以及避免熔体激烈翻腾而大量吸入气体，可采用半固态下加入增强物的工艺规范，即先将熔铝温度升高到７５０℃，使铝熔化后，降温至固相线与液相线之间，搅拌熔体，并加入增强物。

增强物的加入会使熔体的粘度增大，故随粘度的增大再适当升高温度。

待增强物加完后，再升温至７５０～８００℃，短时间急速搅拌，使颗粒均匀地分布在熔体中，浇铸成型。

旋涡铸造过程中产生的吸气、疏松与缩孔，可以通过后续除气、热挤、热轧等工艺来提高复合材料铸锭的致密度和力学性能。

ＳｉＣ颗粒增强Ａｌ－１％Ｍｇ合金的制造过程是将铝锭清洗后放入增强相（低碳钢质），４００℃预热２ｈ后，在保护气氛中升温至７００℃左右，将铝熔化，再投入镁块，高速搅拌熔体使之形成高速流动的旋涡。

在旋涡中心投入ＳｉＣ颗粒，直至ＳｉＣ颗粒的加入量达到１２％～２０％（质量分数）。

加完颗粒后继续搅拌１０～２０ｍｉｎ，把搅拌后具有良好流动性的混合熔体迅速倒入通水激冷的铸模。

搅拌速度为９５０ｒ／ｍｉｎ，熔体温为730°C左右。

工艺过程如图所示：

涡旋搅拌铸造过程

２　压力铸造法

压力铸造法是制备非连续增强铝合金材料的主要工艺，近年来得到了很快发展，在颗粒、晶须或短纤维增强的实铝合金材料的制备中应用最多，且最为成功。

因此，压力铸造法被认为是适合大规模生产铝合金材料特别是非连续增强铝合金的主要工艺之一［２４－３０］。

压力铸造法制备颗粒、晶须或短纤维增强铝合金的基本过程是首先把颗粒与晶须或短纤维制成预制块，再使铝或铝合金液在压力作用下渗入到预制块内，制备成复合材料。

碳化硅晶须增强铸铝合金（ＺＬ１０９）的压力铸造工艺过是首先把市售商品的ＳｉＣ晶须进行过滤，然后在一定压力下使其成型，制备成具有不同体积分数的预制块。

把压铸模与预制块分别预热（晶须预制块的预热温度为９７３Ｋ、模具的预热温度为５７３Ｋ）后，往模具中浇入温度为１０３３Ｋ的铝合金熔体，在１２ＭＰａ的压力下保压１ｍｉｎ，使液态金属在压力渗入到碳化硅晶须预制块中，并充满整个预制块空间，最后凝固成复合材料［２９］，其工艺过程如图２所示。

压力铸造法最早是用于制备纤维增强复合材料，后来逐步发展到用于制备颗粒与晶须或短纤维混合增强材料。

纯颗粒增强复合材料用预制块再压铸来制备，工艺难度相对较大，主要是制备颗粒或粉末的预制块比较困难，其强度不高，预制块在压渗过程中易崩塌，而且金属熔体不易充分地渗入到颗粒或粉末预制块内。

最近的研究表明，通过增大压力的方法（比金属熔体渗透纤维或晶须预制块时所使用的压力大５～１０倍），可以实现熔铝在粉末或颗粒预制块中的渗透。

３　喷射铸造法、快速凝固法和接触反应法

喷射铸造法或共喷射铸造法也称喷射弥散法，是一种在惰性气体的推动下将金属熔体与增强颗粒共喷射来制备颗粒增强合金的方法。

根据不同的工艺条件及工艺要求，可以使共喷射混合物在水冷的金属模具内直接成型，或对共喷射物进行连续轧制，还可以在水冷盘上得到中等尺寸的板材，也可以喷成铝包覆陶瓷颗粒粉末，用作粉末挤压或等静压的原料。

与其它方法相比，喷射铸造法虽然出现较晚，但发展很快。

共喷射过程中冷却速度很快，因此增强物／铝界面之间的有害的化学反应来不及完全进行；同时由于增强物在气流推动下高速射入熔体，所以对界面的润湿性要求不高，还可以消除颗粒偏析等不良复合现象。

４　激光反应强化法

激光激波强化技术是近年来兴起的一种新型的表面强化技术，它利用高能量脉冲激光束辐照金属表面瞬间产生的激渡对材料进行改性，对提高航空铝合金的表面性能有显著效果。

激光冲击强化能大大提高金属材料的强度，改善其耐磨性和耐腐蚀性，延长金属零件的疲劳寿命，国内外很多学者做了这方面的研究，特别适合于受交变载荷作用的零件的强化。

在激光冲击下，材料表面产生冲击坑，内部组织得到细化，产生残余压应力。

无残余应力以及较小或没有腐蚀坑是材料内部组织性能优化的外在表现，与材料的力学性能有着密切关系。

５　晶粒细化及其研究现状

细晶强化作为一种特殊的强化手段，不仅提高材料的加工塑性，而且几乎不降低材料的导电率，因而具有相当广泛的应用，是一种最有发展前途的强化技术。

晶粒细化对提高铝及铝合金产品质量和成品率有极其重要的作用，而添加细化剂是细化晶粒最简便、最有效的方法。

铝和铝合金存熔铸过程中进行的晶粒细化有许多优点，如可以提高铸造速度、减少裂纹、消除羽毛状晶和铸锭冷隔，给铸锭随后的塑性变形带来更大的“灵活性”以及改善铝铸件压力气密性等。

（二）各种强化方法的对比

以上综述了各种铝合金强化技术的优缺点以及适用范围。

铸造法强化铝合金的方法中的漩涡搅拌铸造、压力铸造、快速凝固等都是通过特殊工艺自身形成增强颗粒，不需要从外部引入另外的质点。

喷射铸造法是将金属熔体与增强颗粒在惰性气体的推动下共喷射，制备颗粒增强合金。

喷射铸造法可以控制增强颗粒和金属熔体的比例，从而控制合金的强化过程。

激光激波强化技术是近年来兴起的一种新型的表面强化技术，它利用高能量脉冲激光束辐照金属表面瞬间产生的激渡对材料进行改性，其可以通过控制激光或激光波的强度控制合金的强化。

细晶强化作为一种特殊的强化手段，不仅能提高材料的加工塑性，而且几乎不降低导电率，因而具有相当广泛的应用，是一种最有发展前途的强化技术。

通过对以上各种铝合金强化技术的分析，可以预测后铝合金强化技术的方向，即通过设计合理的加工工艺，综合各种强化技术的优势，实现各种强化方法的集中优化使用，实现可自动化控制铝合金的强化过程和强化铝合金的性质。

铝合金材料不但具有可设计性，而且具有很广阔的设计自由度，通过合理选择合金成分、晶粒尺寸以及制备工艺和参数，可以制备出性能优异的材料。

细化晶粒是决定合金材料性能的关键之一，界面优化主要是通过控制界面反应来实现的。

经过多年的研究和开发，已有部分金属合金材料进入了实际应用领域。

从目前的情况来看，铝合金材料的工业应用范围与其优异性能所具有的应用潜力并不相称。

因为材料的强化过程受多个因素控制，除了这类材料与传统金属材料相比价格较高之外，铝合金材料的研究在以下几方面需要加强：

（１）加强铝合金强化技术基础理论方面的研究；（２）优化材料强化工艺参数，设计新型材料强化技术，完善工艺过程控制；（３）研究铝合金复合材料强化机制，设计综合性能优良的新型铝合金材料。

总之，铝合金有着非常好的综合性能，加强进一步深入研究会获得更广泛的应用。

2.2.2镁基合金

镁合金较低的强度和较差的高温性能限制了它的进一步应用,采用稀土元素合金强化、镁基复合强化和特殊工艺（快速凝固粉末冶金）等方法使镁合金获较高的强度和较好的高温性能。

镁基复合材料比镁合金具有更高的比强度、比刚度以及耐磨性和耐高温性能,因此在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域具有广泛的应用前景。

关于镁基复合材料实验和理论研究已经有很大进展,特别做了大量工作来解释其强化机制。

虽然提出了很多强化模型,如剪滞模型、Eshel2夹杂模型和位错增加来解释屈服增强,还有其他模型三层壳法等,但镁基复合材料强化机制尚不明确,仍存在争议。

可以确定的是强化机制作用程度与具体材料、不同阶段有关,因此,研究镁基复合材料强化机制很有必要。

镁基复合材料的强化机制和强度预报涉及到材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研究热点。

为了设计高强镁基复合材料需要优化工艺参数、热处理条件、陶瓷增强体和金属基体的选择。

解释复合材料力学性能增加可以从以下几个方面来考虑:

（1）应力转移;

（2）晶粒细化;（3）位错密度增加;（4）Orowan强化;（5）其他强化作用。

1　应力转移

镁基复合材料的主要强化机制是载荷从基体向增强体的传递,增强体是载荷的主要承担者,因此应力转移是很重要的强化因素。

以压铸法制备Al18B4O33晶须增强ZK60镁合金为例,由于制备时发生界面反应,晶须被损坏并削弱了复合材料力学性能增强。

从基体到增强相的应力转移是通过两者的界面来维持的。

外载负荷的转移是通过剪切应力实现的,这种剪切应力是作用于增强体与基体界面上的。

为了克服Cox提出模型的缺点,从基体到纤维端面的应力转移被忽略。

对于短纤维的拉伸应力转移不能忽略,因为短纤维的纵横比影响镁基复合材料的强度比较大。

2　晶粒细化

增强体加入到镁基体中起到第二重要作用是晶粒尺寸减小导致强度增强。

如WenXie等研究表明通过固相烧结制备15%SiC增强Mg-9Al基复合材料,晶粒尺寸减小到7.3μm,屈服强度增加到271Mpa,而未增强的Mg-9Al合金的晶粒尺寸为12.0μm,屈服强度只有239Mpa。

因为晶界能有效地阻碍位错运动,使材料强化。

晶粒越细,晶界浓度越高,强化作用越大。

Arse2nault等观察到更小的亚晶粒尺寸在SiC颗粒增强Al基复合材料中,认为强化作用由位错元尺寸的减小而增强。

3　位错密度增加

在镁基复合材料中,由于基体和增强体热和几何差异引起位错密度增加。

（1）热差异引起位错密度增加

在镁基复合材料中,由于基体的热膨胀系数一般要比增强相的热膨胀系数大许多,因而在制备和热处理过程中均可在基体材料中产生塑性变形而形成高密度位错,导致强化。

当镁基复合材料从高温到低温冷却时,由于在界面发生不同的热收缩,使得应变不一致。

这些应变引入热应力,当这种热应力比基体的屈服应力要高时,在基体和增强体界面会产生新的位错。

因此,镁基复合材料冷却后,基体中的位错密度增加。

为了解决弹性栓模型对变形过程中位错的增殖现象缺乏考虑和位错冲孔模型忽视了增强体的承载作用,并未考虑材料变过程中基体里的三向应力对基体变形的约束作用等等问题。

（2）何差异引起位错密度增加

镁基复合材料在塑性变形时,由于基体和增强相的不匹配（基体变形量较大,增强颗粒变形量很小甚至不变形）在界面上形成较高的形变不匹配,产生较高的形变应力,为了使界面不开裂,在增强相周围形成反向塑性切变（协调变形）。

其结果在增强相周围形成协调变形位错,引起位错密度增加。

这种由于协调几何变形而产生的位错称为几何必须位错。

除了上述位错密度增加引起复合材料强化外,还有其它影响因素。

增强相引入镁合金基体,不仅影响到热生成位错和几何必须位错,而且还影响变形时增强相上储存的位错。

由以上分析可知,颗粒平均自由间距对屈服强度影响很大;高应变下几何必位错的分布和运动类型随着应变变化而变化。

因此,由于基体与增强相间存在热膨胀系数、几何等差异,在某些特定应用领域也可能会造成材料形成内应力、产生高密度位错而影响材料的性能。

4　Orowan强化

Orowan强化是由密排硬颗粒及沉淀相阻碍位错运动产生的。

Orowan强化不能用于解释微颗粒增强镁合金,因为增强相颗粒的尺寸太粗和颗粒间距离太大,且增强作用发现存在于基体晶界,这种情况下是否是Orowan机制在起作用还不清楚。

有研究认为使用5μm或更大尺寸的颗粒增强镁合金,Orowan强化机制不突出。

但当高分散纳米尺度颗粒存在镁合金基体中,Orowan强化机制起了很大作用。

根据Orowan位错绕过机制,镁合金基体中的不熔且分布均匀的颗粒极大地提高其抗蠕变能,甚至当增强体的体积极少（少于1%）,作用也很明