清华版：《材料科学基础》课程电子教案（PPT课件）第四章 晶体中的缺陷 4-4 金属及合金强化的位错解释

第三节金属及合金强化的位错解释s1Cottrell气团溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团，即所谓的Cottrell气团。间陈型溶质原子和位错的交互作用很强，位错被率固地钉扎住。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能格脱Cottrell气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。这就是屈服现象的物理本质

§1 Cottrell气团 ◆ 溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子 气团，即所谓的Cottrell气团。 ◆ 间隙型溶质原子和位错的交互作用很强，位错被牢固地钉 扎住。 ◆ 位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱Cottrell 气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点；而一旦挣脱之 后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服 点和水平台。这就是屈服现象的物理本质

第三节金属及合金强化的位错解释★82位错交割和带割阶位错的运动一个运动的位错线，在受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折若该曲折线段垂直于位错的滑移面肘，称为割阶。扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几手不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。但割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化

◆ 一个运动的位错线，在受到阻碍的情况下，有可能通过其中 一部分线段（n个原子间距）首先进行滑移。 ◆ 若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折； 若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。 ◆ 扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动， 几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。但割 阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移， 否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障 碍，通常称此为割阶硬化。 §2 位错交割和带割阶位错的运动

第三节金属及合金强化的位错解释83固定仪错（压杆位错）有些位错本身不能沿滑移面滑动，称为团定位错。面心立方晶体内部形成的弗兰克不全位错其枸氏矢量与密排面垂直，不能滑移。(b)周4-22Frmnk位销品层错区的供界负Fcank分位销：（th）正Frank分位销

◆ 有些位错本身不能沿 滑移面滑动，称为固 定位错。 ◆ 面心立方晶体内部形 成的弗兰克不全位错 其柏氏矢量与密排面 垂直，不能滑移。 §3 固定位错

第三节金属及合金强化的位错解释84滑动位错与第二相质点的交互作用当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化作用。这种强化相颗粒如果是通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出的，就称作沉淀强化或时效强化；如果是借助粉末冶金或其它方法加入的，则称为弥散强化。在讨论第二相颗粒的强化作用时，通常将颗粒分为“可变形的”和“不可变形的”两大类来考虑。一般来说，弥散强化的颗粒属于不可变形的，而沉淀强化的颗粒多数可变形，但当沉淀粒子长大到一定程度后，也会变为不可变形的

§4 滑动位错与第二相质点的交互作用 ◆当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化作用。这种 强化相颗粒如果是通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出的，就称作 沉淀强化或时效强化；如果是借助粉末冶金或其它方法加入的，则称 为弥散强化。 ◆ 在讨论第二相颗粒的强化作用时，通常将颗粒分为“可变形的”和 “不可变形的”两大类来考虑。一般来说，弥散强化的颗粒属于不可 变形的，而沉淀强化的颗粒多数可变形，但当沉淀粒子长大到一定程 度后，也会变为不可变形的

第三节金属及合金强化的位错解释p590当运动位错与颗粒相遇时，由于颗粒的阻挡，使位错线绕着颗粒发生弯曲：随着外加应力的增加，弯曲加剧，最终围绕颗粒的位错相遇，并在相遇点抵消，图第二相颗粒周围的位错环在颗粒周围留下一个位错环，而位错线立错线化精环将继续前进，很明显，这个过程需要额外做功，同时位错环将对后续位错产生进一步的阻碍作用，这些都将导致材料强度的上升。不可变形颗粒的强化与颗粒间距成反比颗粒越多、越细，则强化效果越好。这就是奥罗万（Orowan）机制。图位错绕过第二相粒子的示意图

◆当运动位错与颗粒相遇时，由于颗粒的 阻挡，使位错线绕着颗粒发生弯曲；随 着外加应力的增加，弯曲加剧，最终围 绕颗粒的位错相遇，并在相遇点抵消， 在颗粒周围留下一个位错环，而位错线 将继续前进，很明显，这个过程需要额 外做功，同时位错环将对后续位错产生 进一步的阻碍作用，这些都将导致材料 强度的上升。 ◆不可变形颗粒的强化与颗粒间距成反比， 颗粒越多、越细，则强化效果越好。这 就是奥罗万（Orowan）机制。 图 位错绕过第二相粒子的示意图 图 第二相颗粒周围的位错环

第三节金属及合金强化的位错解释(0019o(010)当第二相题粒为可变形题粒时，位错将切过题粒。此时强化机制较复杂，主要由以下因素决定：反相畴界，APB位错切过颜粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加了题粒与基体两者间界面，需要相应的能量：如果题粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导致有序强化由于两相的结构存在差异，因此当位错切过额粒后，在滑移面上导致原子错配，需要额外作功：颗粒周图存在弹性应力场（由于题粒与基体的比容差别，而且题粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用；

当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过颗粒。此时强化机 制较复杂，主要由以下因素决定： ◆ 位错切过颗粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加了颗粒 与基体两者间界面，需要相应的能量； ◆ 如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导 致有序强化； ◆ 由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移 面上导致原子错配，需要额外作功； ◆ 颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而 且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互 作用，对位错运动有阻碍作用； 反相畴界，APB

第三节金属及合金强化的位错解释滑移面新增界面第二相颗粒侧视图图位错切过颗粒机制新增界面顶视图

图 位错切过颗粒机制

1000.900第三节金属及合金强化的位错解释800700CuAlz(0)500400对AI-1.6%Cu合金中，先在773K进行国游处理，随300后在463K进行时效处理，此时国溶在（AI）中的过20010304050020饱和钢将发生析出。Cuwt%在析出的初始阶段，析出的是很细小的共格过渡相图AI-Cu合金相图位错切过时受到很大阻力，因此合金强度显著提高100继续进行时效，额粒的尺寸增大、教量也增加，强Bdn80度随之增加，并遥渐达到其最大值，进一步时放时由于析出额粒分教不再增加，而此时题粒将发生粗60化现象，同时与基体问的共格关集也通渐更去，合40金的强度开始下降。201000010100时效时间h图Al-1.6%Cu合金时效曲线

◆ 对Al-1.6%Cu合金中，先在773K进行固溶处理，随 后在463K进行时效处理，此时固溶在（Al）中的过 饱和铜将发生析出。 ◆ 在析出的初始阶段，析出的是很细小的共格过渡相， 位错切过时受到很大阻力，因此合金强度显著提高； 继续进行时效，颗粒的尺寸增大、数量也增加，强 度随之增加，并逐渐达到其最大值；进一步时效时， 由于析出颗粒分数不再增加，而此时颗粒将发生粗 化现象，同时与基体间的共格关系也逐渐失去，合 金的强度开始下降。 图 Al-Cu合金相图 图 Al-1.6%Cu合金时效曲线