第 4章 材料强化
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
4.4固 溶 强 化
4.3加 工 硬 化
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
2个学时
2个学时
4.5弥 散 强 化
如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了
其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。
在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有
晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界
面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。
这就是弥散强化的由来。
所谓弥散强化，是指将多相组织混合在
一起所获得的材料强化效应
在弥散强化合金中，一定存在着一种以
上的相,含量大的连续分布的相称为基
体。而第二相则一般是数量较少的析出物。
4.5弥 散 强 化
基体与析出物之间的关系
1,基体应该是塑性的，而析出物则应该是
脆性的
2,脆性的析出物应该是不连续分布的，而
塑性的基体则应该是连续分布的
3．析出物的尺寸应该小，数密度应该多
5．析出物的数量越多，合金的强度越高
4．析出物的形状应该是圆的，而不应该是
尖的 或针状的
4.5弥 散 强 化
弥散强化合金中常常含有金属间化合物。
所谓金属间化合物，是指两种或多种元素
按一定比例形成的新相。金属间化合物具
有一定的晶体结构和特定的性能。金属间
化合物大都又硬又脆。
非化学价金属间化合物的成分不像化学化
合物那样严格，它可以在一定的范围内变
化。非化学价金属间化合物又称为金属间
固溶体。
4.5弥 散 强 化
图 4.24金属间固
溶体相图
(a) Al-Sb相图 ;
(b) Mo-Rh相图
4.5弥 散 强 化
为了利用金属间化合物的高熔点、高硬
度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，有
些新材料本身就是全部由金属间化合物
所组成的。
金属间化合物中，有两个非常重要的材料。
一个是 TiAl,又称为 γ合金。另一个是
Ti3Al，又称为 α合金。这两种金属间化合
物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和
航天飞机。这两种金属间化合物都是有序
化的晶体结构。
4.5弥 散 强 化
利用共晶反应也能够获得
弥散强化的材料
在共晶反应中，会生成 α相和 β相两种固
相。这两个固相的化学成分由共晶反应
线的两端来决定。
α相的凝固会促进 β相的凝固，而 β相的凝
固也会促进 α相的凝固。这是共晶反应的
一个重要特点。
4.5弥 散 强 化
图 4.25 Sn-Pb相图
4.5弥 散 强 化
含锡量为 61.9%的锡铅合金是共晶合金。这
一合金在 183℃ 以上时为液相，液相的成分
也为 61.9%。当这一合金液相冷却到 183℃
时，开始发生共晶反应，也就是,
含锡量为 19%的 α相
+含锡量为 97.5% 的 β相。
含锡量为 61.9% 的液相
共晶反应
4.5弥 散 强 化
图 4.26锡铅合金共晶组织示意图
4.5弥 散 强 化
当锡铅合金的含锡量在 19%~61.9%之间
时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在
61.9%~97.5%之间时，则称为过共晶合金。
4.5弥 散 强 化
图 4.27 Pb-
Sn合金的成
分和强化机
制对抗拉强
度的影响
4.5弥 散 强 化
共晶反应应用
?陶瓷材料的制作
?共晶焊锡 (共晶反应的具有很低
的熔点 )
?加快金属和陶瓷粉末之间的扩散
连接或增大其烧结速率
?共晶合金
4.5弥 散 强 化
不过，有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶
组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初
相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使
共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变
脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发
生断裂。
Al2O3的熔点很高，为 2020℃,常用作盛放液态金
属的耐火材料。 CaO的熔点则更高，为 2570℃ 。
但如果 Al2O3耐火砖接触到 CaO后，会产生一系列
的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的
炼钢温度，就可能引起耐火材料的破坏。
4.5弥 散 强 化
可以用来强化材料的固态相变有时效强化、共
析反应，非平衡态的马氏体相变。所有这些固
态相变都需要经过热处理
4.6固态相变强化
通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能
在材料冶炼制备过程中采用一次。但是，控制
固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次
采用。
图 4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能
出现的组织结构
4.6固态相变强化
只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位
错继续滑移。
如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列
保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那
么析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物
的影响。这种析出物称为共格析出物。
位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物
旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物
的影响。
共格析出物
4.6固态相变强化
1.固溶化处理,将合金加热到固溶度线以上
的温度，使合金生成均匀的 α相固溶体
2.淬火,将已经加热的合金放入水中，达到
迅速冷却的目的
3.时效,将具有过饱和固溶体的合金在低于
固溶度线的温度下进行加热
共格析出的热处理方法
4.6固态相变强化
图 4.29 Al-Cu合金的时效强化过程
4.6固态相变强化
时效强化效应的 4个条件
1 合金相图中必须存在这样一条固溶度线，
其固溶度将随着温度的降低而减小
2 基体应该比较软，具有塑性。而析出物则
应该比较硬，且具有脆性。
3 合金应该能够进行淬火
4.合金中应该有共格析出物生成。
4.6固态相变强化
时效强化的合金是不能在高温状态下使
用的。
时效强化合金面临的另一个问题是焊
接。
4.6固态相变强化
共析反应
从一个固相 S1转变成两个固相 S2和 S3的
反应，如下公式所示,
S1 → S 2 + S3
共析反应是固态相变强化的重要手段。
4.6固态相变强化
从一个液相转变成两个固相的。共晶反 应肯
定不能通过热处理的方式来实现。
固相之间的反应，所以在热处理时，可以先
将材料加热到形成固相 S1的温度，然后在冷
却过程中利用共析反应得到 S2和 S3两个固相。
作为共析反应产物的两个固相可以使合金实
现弥散强化
共晶反应
共析反应
4.6固态相变强化
图 4.30
铁 -碳相图
4.6固态相
变强化
在铁 -碳相图中，含碳量为 0.77%时为共析成分，
这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到
727℃ 以上时，出现单一的 γ相。 γ相冷却到
727℃ 时，发生如下的共析反应,
含碳量为 0.77% 的 γ相
含碳量为 0.0218%的 α
+含碳量为 6.67%的 Fe3C
这种薄片状的 α相和 Fe3C互相叠在一起的组织
称为珠光体（ Pearlite）。
4.6固态相变强化
图 4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组
织结构变化
4.6固态相变强化
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
4.4固 溶 强 化
4.3加 工 硬 化
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
2个学时
2个学时
4.5弥 散 强 化
如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了
其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。
在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有
晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界
面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。
这就是弥散强化的由来。
所谓弥散强化，是指将多相组织混合在
一起所获得的材料强化效应
在弥散强化合金中，一定存在着一种以
上的相,含量大的连续分布的相称为基
体。而第二相则一般是数量较少的析出物。
4.5弥 散 强 化
基体与析出物之间的关系
1,基体应该是塑性的，而析出物则应该是
脆性的
2,脆性的析出物应该是不连续分布的，而
塑性的基体则应该是连续分布的
3．析出物的尺寸应该小，数密度应该多
5．析出物的数量越多，合金的强度越高
4．析出物的形状应该是圆的，而不应该是
尖的 或针状的
4.5弥 散 强 化
弥散强化合金中常常含有金属间化合物。
所谓金属间化合物，是指两种或多种元素
按一定比例形成的新相。金属间化合物具
有一定的晶体结构和特定的性能。金属间
化合物大都又硬又脆。
非化学价金属间化合物的成分不像化学化
合物那样严格，它可以在一定的范围内变
化。非化学价金属间化合物又称为金属间
固溶体。
4.5弥 散 强 化
图 4.24金属间固
溶体相图
(a) Al-Sb相图 ;
(b) Mo-Rh相图
4.5弥 散 强 化
为了利用金属间化合物的高熔点、高硬
度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，有
些新材料本身就是全部由金属间化合物
所组成的。
金属间化合物中，有两个非常重要的材料。
一个是 TiAl,又称为 γ合金。另一个是
Ti3Al，又称为 α合金。这两种金属间化合
物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和
航天飞机。这两种金属间化合物都是有序
化的晶体结构。
4.5弥 散 强 化
利用共晶反应也能够获得
弥散强化的材料
在共晶反应中，会生成 α相和 β相两种固
相。这两个固相的化学成分由共晶反应
线的两端来决定。
α相的凝固会促进 β相的凝固，而 β相的凝
固也会促进 α相的凝固。这是共晶反应的
一个重要特点。
4.5弥 散 强 化
图 4.25 Sn-Pb相图
4.5弥 散 强 化
含锡量为 61.9%的锡铅合金是共晶合金。这
一合金在 183℃ 以上时为液相，液相的成分
也为 61.9%。当这一合金液相冷却到 183℃
时，开始发生共晶反应，也就是,
含锡量为 19%的 α相
+含锡量为 97.5% 的 β相。
含锡量为 61.9% 的液相
共晶反应
4.5弥 散 强 化
图 4.26锡铅合金共晶组织示意图
4.5弥 散 强 化
当锡铅合金的含锡量在 19%~61.9%之间
时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在
61.9%~97.5%之间时，则称为过共晶合金。
4.5弥 散 强 化
图 4.27 Pb-
Sn合金的成
分和强化机
制对抗拉强
度的影响
4.5弥 散 强 化
共晶反应应用
?陶瓷材料的制作
?共晶焊锡 (共晶反应的具有很低
的熔点 )
?加快金属和陶瓷粉末之间的扩散
连接或增大其烧结速率
?共晶合金
4.5弥 散 强 化
不过，有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶
组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初
相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使
共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变
脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发
生断裂。
Al2O3的熔点很高，为 2020℃,常用作盛放液态金
属的耐火材料。 CaO的熔点则更高，为 2570℃ 。
但如果 Al2O3耐火砖接触到 CaO后，会产生一系列
的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的
炼钢温度，就可能引起耐火材料的破坏。
4.5弥 散 强 化
可以用来强化材料的固态相变有时效强化、共
析反应，非平衡态的马氏体相变。所有这些固
态相变都需要经过热处理
4.6固态相变强化
通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能
在材料冶炼制备过程中采用一次。但是，控制
固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次
采用。
图 4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能
出现的组织结构
4.6固态相变强化
只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位
错继续滑移。
如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列
保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那
么析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物
的影响。这种析出物称为共格析出物。
位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物
旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物
的影响。
共格析出物
4.6固态相变强化
1.固溶化处理,将合金加热到固溶度线以上
的温度，使合金生成均匀的 α相固溶体
2.淬火,将已经加热的合金放入水中，达到
迅速冷却的目的
3.时效,将具有过饱和固溶体的合金在低于
固溶度线的温度下进行加热
共格析出的热处理方法
4.6固态相变强化
图 4.29 Al-Cu合金的时效强化过程
4.6固态相变强化
时效强化效应的 4个条件
1 合金相图中必须存在这样一条固溶度线，
其固溶度将随着温度的降低而减小
2 基体应该比较软，具有塑性。而析出物则
应该比较硬，且具有脆性。
3 合金应该能够进行淬火
4.合金中应该有共格析出物生成。
4.6固态相变强化
时效强化的合金是不能在高温状态下使
用的。
时效强化合金面临的另一个问题是焊
接。
4.6固态相变强化
共析反应
从一个固相 S1转变成两个固相 S2和 S3的
反应，如下公式所示,
S1 → S 2 + S3
共析反应是固态相变强化的重要手段。
4.6固态相变强化
从一个液相转变成两个固相的。共晶反 应肯
定不能通过热处理的方式来实现。
固相之间的反应，所以在热处理时，可以先
将材料加热到形成固相 S1的温度，然后在冷
却过程中利用共析反应得到 S2和 S3两个固相。
作为共析反应产物的两个固相可以使合金实
现弥散强化
共晶反应
共析反应
4.6固态相变强化
图 4.30
铁 -碳相图
4.6固态相
变强化
在铁 -碳相图中，含碳量为 0.77%时为共析成分，
这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到
727℃ 以上时，出现单一的 γ相。 γ相冷却到
727℃ 时，发生如下的共析反应,
含碳量为 0.77% 的 γ相
含碳量为 0.0218%的 α
+含碳量为 6.67%的 Fe3C
这种薄片状的 α相和 Fe3C互相叠在一起的组织
称为珠光体（ Pearlite）。
4.6固态相变强化
图 4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组
织结构变化
4.6固态相变强化
