第1章 绪论
1.2 材料的发展与人类的 进步 钢、铝、钛、镁、铜世界年产量和我国年产量的变化图（ 20世纪初至今）
第1章 绪论 1.2 材料的发展与人类的 进步 其它材料的近代发展历程：
• 二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世：1909年的酚醛树脂 （电 木）、1920年的聚苯乙烯、1931年的聚氯乙烯和1941年的尼龙。 • 二十世纪中叶，通合成及其它方法，制备出各种类型的先进陶瓷材料， 如： Si3N4, SiC, ZrO2等。 • 二十世纪中叶开始出现先进复合材料：树脂基已经得到广泛应用，金 属基复 合材料在汽车和航天航空领域开始应用，陶瓷基复合材料在1000－
金属材料改性原理
耿 林
哈尔滨工业大学 材料科学与工程学
第1章 绪论 1.1 材料的定义及分 类 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物
质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。材料是人类赖以 生存和发展的物质基础。 按物理化学属性，材料可以分为：金属材料，无机非金属材料，有 机高分子材料，以及不同类型材料组成的复合材料。 按应用领域，材料可以分为：电子材料，航空航天材料，核材料， 建筑材料，能源材料，生物材料等。 按使用用途，材料可以分为：结构材料和功能材料。 按先进性，材料可以分为：传统材料和新材料（先进材料）。
过渡相θ”相形成
第二阶段：
•在θ”基础上长大。 •晶体结构为正方点阵：a=4.04A, c=5.8A。 •与母相保持部分共格。 •形状为圆盘状。 •尺寸与θ”相相比有明显长大。
过渡相θ’相形成
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.1 相变强化
2.1.2 铝合金的固溶与时效强化 （5）Al-4%Cu合金的时效强化
③马氏体强度和硬度偏高，塑性和韧性偏差，需要回火改善其综合性能。
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
2.1.1 钢的马氏体相变强化
马氏体照片 珠光体照片
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
2.1.2 铝合金的固溶与时效强化 （1）合金元素在铝中的存在形式 ① 铝中常用的合金元素：Mg, Si, Cu, Zn等。
经过550℃固溶处理并淬火后，可以获得单相过饱和铝基固溶体非平衡相，再加 热到130℃时效，在过饱和固溶体中将发生以下析出过程： G.P.区 → θ ”→θ ’→θ 前期阶段： •靠浓度起伏的均匀形核。 •晶体结构与母相过饱和固溶体相同。 •与母相保持完全共格。 •形状为圆盘状。 •直径为一至几十纳米，厚度为几个原子层。
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.3 变形强化
2.3.1 变形强化指数
绝大多数金属在室温下屈服后，要使塑性变形继续进行，必须不断增大应力， 在真应力真应变曲线上表现为流变应力不断上升，这种现象称为变形强化。 真应力和真应变的关系可以表示为：
C原子 Fe原子
• 碳在铁晶体结构的间隙位置处存在
• 在α铁中碳的最大溶解度是0.0218％ • 在γ铁中碳的最大溶解度是2.11％ ②形成化合物：Fe3C（含碳量为6.7％）
α铁
γ铁
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
2.1.1 钢的马氏体相变强化 （3）平衡冷却得到的相和组织 平衡相：铁素体＋渗碳体 平衡组织：
③ 影响时效强化效果的因素：
• 第二相的尺寸越小、含量越多、分布越均匀，时效强化效果越大。 • 第二相与基体共格，时效强化效果越大。
• 第二相的形状对强化效果有影响。
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.1 相变强化
2.1.2 铝合金的固溶与时效强化 （5）Al-4%Cu合金的时效强化
Al-Cu合金中，室温下Cu在Al中的最大溶解度为1％左右，而550℃下Cu在Al中 的最大溶解度为5％左右。因此Al-4％Cu合金在室温下的平衡组织由Al基固溶体和化 合物CuAl2相组成。
位错穿越晶界时受阻及方向改变示意图
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.2 晶粒细化强 2.2.2 晶粒尺寸与材料性能的关系 化
Hall-Petch equation：
sy— 屈服强度
sy= so+kyd-1/2
so，ky — 材料常数
d — 晶粒半径Biblioteka Hall-Petch 关系不适用于粗大晶粒和极细小晶粒尺寸。
第1章 绪论 1.2 材料的发展与人类的 进步 材料的发展是人类进步程度的重要标志，是人类社会发展的里程碑。
• 一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以用石头作工具。 • 一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头加工成器皿和工具， 在8000 年前，开始人工烧成陶器，用于器皿和装饰品。 • 五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜浇铸成型，人类开始大 量使用 金属，河南安阳的鼎，湖北隋县的编钟，西安的青铜车马等。 • 三千年以前，人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农
② 合金元素在铝中的存在形式：
•形成置换固溶体，溶解度随温度提高而增大，在某一温度达到最大。 •与铝或其它合金元素形成化合物，如：Mg2Si, Al2Cu, Al3Zn等。 合金元素原子 铝原子
（2）平衡冷却得到铝合金的相和组织
① 平衡相：平衡铝基固溶体＋化合物
②平衡组织：化合物尺寸较大，与基体不共格，往往分布于晶界
第1章 绪论 1.4 材料科学技术发展的 重点
• 开发先进材料 材料制备新技术的开发；新材料的设计与制备； • 改进现有材料 传统材料的改性；先进复合材料的研制。 • 材料的应用 材料的应用要考虑的主要因素有：材料的使用性能；材料的使用寿 命及可靠性；材料制备、加工与使用期间与环境的适应性；价格。 • 科学仪器与检测装置
第1章 绪论 1.5 金属材料改性原理的主要内 容
整
相变强化，晶粒细化，
体
材 料 改 性
不改变整体成分 改变整体成分
变形强化 合金化， 复合强化
改
性 表
面
改 性
不改变表面成分
表面相变硬化，表面晶粒细化， 表面残余应力控制 表面合金化，表面复合化，
改变表面成分
表面涂层处理
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
•亚共析钢：铁素体＋珠光体 •共析钢：珠光体
（4）快速冷却得到的相和组织 非平衡相：马氏体 非平衡组织：
•低碳钢：板条状马氏体 •中碳钢：板条状马氏体＋片状马氏体
•过共析钢：珠光体＋渗碳体
•高碳钢：片状马氏体
性能特点：强度低，塑性好
性能特点：强度高，塑性低
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
2.1.1 钢的马氏体相变强化 （5）马氏体强化机理 ①固溶强化：过饱和间隙碳原子－晶格畸变－应力场－与位错交互作用－阻碍位错运动。 ②相变强化：相变切变特性－晶体内部晶体缺陷密度提高－阻碍位错运动。 ③时效强化：碳原子偏聚－碳化物弥散析出－钉轧位错－阻碍位错运动。 （6）马氏体的塑性和韧性 ①片状马氏体强度和硬度高，但塑性和韧性差。 ②板条状马氏体在具有较高的强度和硬度同时，塑性和韧性较高。
2.2 晶粒细化强 2.2.2 晶粒尺寸与材料性能的关系 化
冷变形黄铜退火后晶粒尺寸演化规律：
(a) (e)
(b) (f)
(c)
(d)
退火过程中再结晶和晶粒长大组织照片
(a)冷加工状态，33%CW； (b)再结晶起始阶，580oC 3s； (c)部分再结晶阶段，580oC 4s； (d)完全再结晶阶段，580oC 8s； (e)晶粒长大，580oC 15min； (f)晶粒长大，700oC 10min；
第三阶段： •在θ’相基础上长大。 •晶体结构为正方点阵：a=6.07A, c=4.87A。 •与母相不共格。 •形状为块状。 •尺寸很大。
平衡相θ相形成
时效强化：
•Al-Cu合金的时效强化相主要为G.P.区和θ”相。 •θ”相强化效果最大。 •出现θ’相后硬度开始下降。
第2章 不改变整体成分的整体改性
第1章 绪论 1.2 材料的发展与人类的 进步 金属材料的近代发展历程：
• 十八世纪发明了蒸汽机，十九世纪发明了电动机，对金属材料要求提 高。
• 1854年发明了转炉炼钢，1864年发明了平炉炼钢，1890年年产2800万 吨钢。
• 十九世纪末开始电炉炼钢，各种特殊钢相继问世：1987年的高锰钢、 1890年 的高速钢（W18Cr4V）、1903年的硅钢、1910年的奥氏体不锈钢 （Cr18Ni8)。
第2章 不改变整体成分的整体改性 2.1 相变强化
2.1.2 铝合金的固溶与时效强化 （3）铝合金的固溶强化 ① 合金元素存在状态：全部合金元素过饱和固溶在基体铝中。
② 固溶强化机理：合金元素与铝原子尺寸差－晶格畸变－应力场－
与位错交互作用－阻碍位错运动。
③ 影响固溶强化效果的因素：
• 合金元素与铝原子尺寸差越大，固溶强化效果越大。 • 合金元素的过饱和度越大，固溶强化效果越大。
（1）提高凝固速率，增加过冷度，提高形核率，从而细化晶粒。 （2）强塑性变形，随后退火热处理，产生细小再结晶晶粒。 （3）物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体沉积法、机械合金化法、等径角挤压 法(ECAP)、高压扭转法等晶粒细化工艺方法。
等径角挤压法示意图及纯Cu八道次微观组织
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.1 相变强化
2.1.2 铝合金的固溶与时效强化 （5）Al-4%Cu合金的时效强化
a)
b)
c)
d)
(000) 90o (020) (200)
q？phase
2024Al合金中第二相析出强化组织照片 2024Al合金中GP区及q ，析出相
第2章 不改变整体成分的整体改性
2.2 晶粒细化强 2.2.1 晶粒细化方法 化
2.1.1 钢的马氏体相变强化 （1）纯铁的同素异构转变