金属材料强韧化原理2 -

金属材料强韧化原理结课论文

姓 名： 谭 元 标 学 号： S11080502089 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料学

金属间化合物的强韧化研究进展

谭元标

（燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛，066004）

摘 要 金属间化合物具有低密度、高熔点、高热导率、比重轻、抗氧化和抗硫化腐蚀

性能优的特点。本文介绍了几种金属间化合物的强韧化方法，包括细晶强化、复合强

韧化、颗粒强韧化、纤维增强强韧化、微合金化强韧化。并论述了这些方法的一些研究状况。

关键字：金属间化合物； 细晶强化； 复合强韧化； 颗粒强韧化； 纤维增强强

韧化； 微合金化强韧化

1.前沿

金属强度来源于原子间结合力，如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒 (G.I.Taylor)分别提出晶体位错理论；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度和屈服强度低于理论切变强度的本质。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。为了是材料在应用过程中满足强度、塑性、韧性的要求。研究提高金属的强度和韧度的方法具有重要意义。通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。通过物理、化学、机械的方法改变材料的成分和组织结构来提高材料的断裂韧性的方法称为金属的韧化。断裂韧性是材料的一项力学性能指标。

金属间化合物具有低密度、高熔点、高热导率、比重轻、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优的特点，优于不锈钢和钴基、镍基合金等传统的高温合金，而韧性又高于普通的陶瓷材料，是一种介于Ni基合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料。作为高温结构材料的应用研究得到了越来越多的重视[1-6]。近年来，人们在Fe-Al金属间化合物及相关领域已取得了相当多的研究成果。本文着重介绍了几种金属间化合物强韧化的方法及其研究状况，为金属材料的强化和韧化提供依据。

2.常见的金属间化合物的强度和脆性

2.1 Fe-Al 金属间化合物的强度和脆性

Fe-Al合金的强度和塑性与Al的成分和温度有很大关联[7]。当Al含量为25%

时，Fe-Al合金(Fe3Al)的屈服强度达到最大值。其原因可能是此处有一定的DO3有序度，产生许多DO3有序畴界 它们会阻碍位错运动而强化合金。Fe3Al、FeAl 的屈服强度随温度升高先升高后降低在600℃左右达最大值。这是大多数金属间化合物所共有的现象。最近研究表明，这与金属间化合物的位错运动和滑移特性密切相关。

Fe3Al合金室温塑性与其成分相关 化学计量成分的 Fe3Al(Fe-25AlD合金塑性很差。而成分偏离计量成分的Fe-Al合金(Fe-28AlD 塑性明显好于 Fe-25Al这是由于形成DO3单相区 而防止进入α+B2(DO3)两相区，α相质点引起强度升高,塑性下降。Fe3Al和 FeAl高温时出现超塑性，Fe3Al在600℃以上具有良好的塑性含Ti的Fe3Al在700℃以上伸长率超过100%最大达到507% 具有明显的超塑性特征[8]。

Fe-Al金属间化合物解理强度低，存在环境氢脆。Fe3Al和FeAl在不同气氛环境下的力学性能不同[9]。Fe3Al和FeAl在氧气中的伸长率比在空气中的伸长率有大幅度的提高 且环境氢脆只影响拉伸强度而不影响屈服强度。 2.2 NiAl金属间化合物的强度和脆性

NiAl金属间化合物并不像Ni。Al等其他金属间化合物，在一定温度范围内出现强度与温度的正效应，即所谓的R效应。NiAl金属间化合物的强度随温度升高而降低或只在一段温度范围内基本保持恒定[10]。在二元NiAl合金中，合金成分对其屈服强度影响很大。Noebe和Bowman等[11]总结的在室温下不同化学成分NiAl合金的屈服强度不同，计量比附近的NiAl合金屈服强度最低，约为200~300MPa。只有在化学计量比附近的NiAl合金才呈现出有限的室温拉伸塑性[12]

。

关于NiAl金属间化合物的室温脆性机制有多种解释。NiAl金属间化合物在室温变形时只能进行<001>{110}滑移，仅能提供3个独立的滑移系，不能满足多晶变形的Yon Mises准则，晶粒之间不能协同变形，因而极易在晶界处形成裂纹，从而导致NiAl合金的室温塑性低。另外，Hack等[13]对<110>NiAl单晶的研究表明，热处理对其塑性和断裂功有明显的影响。认为NiAl单晶低的塑性和断裂韧性是由于间隙原子，如碳、氧等对位错钉扎所产生的应变时效脆化，与高温强度钢应变时效相似。尽管NiAl金属间化合物存在室温脆性，但高温时却表现出超塑性[14]，分析认为这种超塑性变形行为的变形机制源于变形过程中所发生的动态回复和再结晶。

2.3 Laves相金属间化合物NbCr2的强度和脆性

Laves相金属间化合物NbCr2因为具有高熔点(1770℃)、低密度（7.79/cm-3)、高温下优良的抗蠕变能力、潜在的抗腐蚀和抗氧化性能。室温下为C15面心立方结构的Laves相NbCr2。类似于MgCu2的点阵结构，。Nb原子有序占据晶格角点，Cr原子形成四面体包围Nb原子[15]。Laves相NbCr2。是具有AB。型原子组成的拓扑密排结构的金属间化合物。在室温下，Laves相金属间化合物NbCr2表现出明显的室温脆性。

3几种金属间化合物的强韧化方法

3.1 细化晶粒强韧化

细化晶粒被认为是改善金属间化合物强韧性最普通、最有效的方法之一， Schulson等[16]认为如果晶粒尺寸下降到一定的临界值，脆性金属间化合物将会具有一定的拉伸塑性，这种观点源于Cottrell[17]和Petch[18]理论，即在粗晶材料中，裂纹形核所需的应力大于裂纹扩展所需的应力，一旦出现裂纹形核，材料就会以脆性方式断裂；相反地，在晶粒细小的材料中，裂纹形核所需的应力小于裂纹扩展所需的应力，裂纹扩展只能发生在加工硬化之后，即出现塑性流变，晶粒越是小于临界尺寸，塑性将会变得越好。对金属间化合物NiAl的研究表明[19]，晶粒越细强度越高，拉伸塑性越好。对金属间化合物Fe-Al的研究也表明[20]，随晶粒的细化，材料强度线性增加。此外，大面积的界面将提供足够的晶界滑移机会导致变形增加材料的韧性也将显著增加。 3.2 复合强韧化

在金属间化合物基体中加入连续(如长纤维)或非连续的增强相(如短纤维、晶须及颗粒等)，通过调节复合材料内的应力分布、阻止裂纹扩展和充分发挥增强相的作用，能使金属间化合物基复合材料具有良好的综合性能。增强相是主要承载体，界面起到有效传递载荷，复合材料的机械性能依赖于增强相的形状、体积分数、尺寸和分布状态。马勤[21]的研究表明：SiC颗粒或品须与Zr02颗粒对MoSi2具有比较明显的复合增韧补强效果，由于SiC颗粒或晶须与Zr02颗粒的复合加入，一位错方面，SiC改善了品间粗大Zr02颗粒对弯曲强度的损害作用，另一方面，Zr02颗粒也减小了SiC与MoSi2之间较为严重的热胀失配应力，致使Zr02相变增韧与SiC补强增韧两种机制可以相互叠加。 3.3颗粒强韧化

用颗粒作为增强剂，其原料的均匀分散与烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行 因此，尽管颗粒的强韧化效果不如晶须与纤维，但如颗粒种类、 粒径和含量选择得当，仍有一定的韧化效果，同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。不同粒度的增强相颗粒的强韧化效果各有不同，小颗粒(1~100nm) 弥散相强烈地影响屈服强度，为了减小表面能量一般为球形，中等尺寸颗粒(0.1~1μm)弥散相能够有效阻止回复再结晶和颗粒长大，其中高温强化效果比低温更加明显；大颗粒(5~50um) 增强相存在变形不一致性，在其附近存在压应力梯度的缺陷，因此，它们成了弱化源，而不是强化源。 3.4纤维增强强韧化

增强纤维、晶须由于其长度远远大于直径的形状特征，具有突出的桥接、拔出作用机制，因此能在不牺牲或者稍微牺牲一些强度的前提下，较大地提高金属间化合物复合材料的断裂韧性纤维。Inoue M[22]用Al2O3纤 维 增 强Fe-40Al，发现纤维增强复合材料的断裂强度明显好于颗粒增强的复合材料 然而，由于 Fe-40Al 基体的韧性差，复合材料的断裂强度呈下降趋势 因此，提高Fe-Al基体的韧性是获得高性能FeAl复合材料的关键。

3.5 微合金化强韧化

微合金化元素主要有Fe、Ga、Mo、B和La等，其元素的加入量(摩尔分数)一般小于1％。R．Darolia等[23]对NiAl单晶的研究发现，适量的Fe、Ga和Mo能增加<110>取向NiAl单晶室温拉伸塑性，特别是Fe合金化后其拉伸塑性能从1％提高到6%。微合金化的是Fe-A1金属间化合物其强韧化的有效手段之一。合金元素在提高 Fe-A1金属间化合物的解理强度、晶界强度、降低APS能量以及促进交滑移等方面可以获得良好的效果。常认为，(微)合金强韧化机制主要是通过有序固溶化和沉淀强化实现的。B是微合金化最常用的元素之一，B显著偏析于晶界附近的薄层里，使此处的浓度比基体高出许多倍，降低氢原子沿晶扩散系数，抑制了环境H脆，提高了晶界断裂强度。B来增韧Fe-40A1，发现B提高了晶界结合强度Fe-40A1-0.1B在空气和油浴中都表现为穿晶断裂。B能有效抑制由于环境脆性导致的加载速率依赖性大大提高材料加载时的临界应力强度。

4.结束语

金属间化合物具有许多优异的性能(特别是高温性能)，如低密度、高熔点、高热导率、比重轻、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优。有可能为新一代航空航天装备研制高比强、耐高温、满足耐久性和损伤容限计要求的高性能高温结构零件提供关键材料。但是其低塑性和低的断裂韧性阻碍了其应用的进程。最近，人们采用各种强韧化方法使其塑性和韧性得到了极大的改善，但还存在一定的不足。因此，寻找更有效、易行的强韧化方法仍然是其得以广泛应用的关键。

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