金属的强化方法及机理

1、材料的强化材料的强化（一）固溶强化（一）固溶强化(P17)(P17) 通过通过溶入某种溶质元素形成溶入某种溶质元素形成固溶体固溶体而使金属强度而使金属强度硬度提高的现象硬度提高的现象称为称为固溶强化固溶强化。分为。分为间隙固溶强化间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化）（尺寸比较小的间隙原子引起的强化）和和置换固溶强化置换固溶强化（尺寸比较（尺寸比较大的置换原子引起的强化）。大的置换原子引起的强化）。例如例如: : 纯纯CuCu中加入中加入19%19%的的NiNi，可使合金的可使合金的强度强度由由220MPa220MPa提高提高到到380400MPa380400MPa，硬度硬度由由44H

2、BS44HBS升高升高到到70HBS70HBS，而而塑性塑性由由70%70%降低降低到到50%50%，降幅不大。若按，降幅不大。若按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。果，其塑性将接近完全丧失。 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现象，象，例如：例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻溶质原子聚集在层错处，阻碍层

3、错的扩展与束集碍层错的扩展与束集（化学交互作用化学交互作用）；）；位错与位错与溶质间形成偶极子溶质间形成偶极子（电学交互作用电学交互作用）。这些现象这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。固溶强化机制固溶强化机制电学交互作用电学交互作用化学交互作用化学交互作用弹性交互作用弹性交互作用（二）细晶强化（二）细晶强化(P14)(P14)金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是界面积越大，金属的强度

4、越高，这就是细晶强化细晶强化。晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒的平晶粒的平均直径均直径d(mm)d(mm)抗拉强度抗拉强度 b b(MPa(MPa) ) 延伸率延伸率 (%)(%)9.79.77.07.02.52.516816818418421521528.828.830.630.639.539.5 细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善材料的塑性和韧性材料的塑性和韧性。 因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多，因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多，变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生，变形时同样的变形量可分散到更多

5、的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系：间有下列关系： ss=0 0+ K/d+ K/d1/21/2 此式称为此式称为霍耳霍耳- -配奇配奇公式。公式。式中：式中：0 0 为常数，相当于单晶体的屈服强度；为常

6、数，相当于单晶体的屈服强度； d d为多晶体中各晶粒的平均直径；为多晶体中各晶粒的平均直径； K K为晶界对强度影响程度的常数，为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。与晶界结构有关。 s s 开始发生塑性变形的最小应力开始发生塑性变形的最小应力细晶强化机制细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。晶界是位错运动过程中的障碍。晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度减小，应力集中

7、较小，不足于使位错源开动，必减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必须增加外力。须增加外力。生产中细化晶粒的方法生产中细化晶粒的方法: :1 1、加快凝固速度、加快凝固速度2 2、变质处理（、变质处理（如纯铝铸锭如纯铝铸锭）3 3、振动和搅拌、振动和搅拌TiTi变质处理变质处理未变质处理未变质处理（三）位错强化（三）位错强化(P40)(P40)金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高

8、金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。的方法称为位错强化。 金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的现象为现象为加工硬化加工硬化或或形变强化形变强化。1 1、概念、概念例如：例如：自行车链条板自行车链条板(16Mn(16Mn钢板钢板) ) 原始厚度原始厚度3.5mm 150HB 3.5mm 150HB b b=520MPa=520MPa 五次冷轧后五次冷轧后1.2mm 275HB 1.2mm 275HB

9、 b b1000MPa1000MPa又如：又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变是利用加工变形来提高他们的强度和弹性极限；形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是等也都是利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形过程中，由于过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障位错塞积（位错运动过程中遇到障碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶碍受阻）、位错之间的弹性作

10、用、位错割阶等造等造成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。2 2、加工硬化机制、加工硬化机制实验证明，金属强度实验证明，金属强度与位错密度有左图所与位错密度有左图所示的关系。退火态金示的关系。退火态金属的位错密度为属的位错密度为10106 610108 8/cm/cm2 2 ，强度最强度最低，在此基础上增加低，在此基础上增加或降低位错密度，都或降低位错密度，都可有效提高金属强可有效提高金属强度。加工硬化态金属度。加工硬化态金属的位错密度为的位错密度为1010111110101212/cm/cm2 2 。金属强度与位错金属强度与位错密度关系示意图密度关系示意

11、图位错密度位错密度强强度度退火态金属退火态金属加工硬化态金属加工硬化态金属非非晶态金属晶态金属晶须强度晶须强度晶须强度晶须强度3 3、金属强度与位错密度有左图所示的关系、金属强度与位错密度有左图所示的关系 冷加工过程中，除了冷加工过程中，除了力学性能力学性能的变化，的变化，金属材料的金属材料的物理化学性能物理化学性能也有所改变。也有所改变。例如：例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使电阻有所增加电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高；由于位错密度增大，晶体处于高能量状

12、态，金属易与周围介质发生化学反应，使能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使抗腐蚀性能降低抗腐蚀性能降低。（四）第二相强化（四）第二相强化第二相粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着第二相粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过切过，或或绕过绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过，这样滑移变形才能继续进行。这一过程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小，以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。粒子越弥散，其间距

13、越小，则强化效果越好。这种有第二相粒子引起的强化作用称之为这种有第二相粒子引起的强化作用称之为第二第二相强化相强化。根据两者相互作用的方式有两种强化。根据两者相互作用的方式有两种强化机制：机制：弥散强化和沉淀强化弥散强化和沉淀强化。固溶与时效处理的固溶与时效处理的工艺过程工艺过程把某一成分的合金加热到固溶度曲线以上，在某一温度保持一定把某一成分的合金加热到固溶度曲线以上，在某一温度保持一定时间，使得时间，使得B B组元充分溶入组元充分溶入固溶体中，然后迅速冷却，抑制固溶体中，然后迅速冷却，抑制B B元元素析出，得到过饱和素析出，得到过饱和固溶体，这就是固溶体，这就是固溶处理固溶处理。经固溶处理

14、后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某一温度保温，合金将产生脱溶析出，即一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B B将以新相的形式从过饱和将以新相的形式从过饱和相中弥散析出，这个过程即是相中弥散析出，这个过程即是时效时效。通常将在室温下放置产生。通常将在室温下放置产生的时效称为的时效称为自然时效自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称；将加热到室温以上某一温度进行的时效称为为人工时效人工时效。随着时效时间的延长，由于弥散新相的析出而使合金的强度、硬随着时效时间的延长，由于弥散新相的析出而使合金的强度、硬度升高，这种现象称为度升高

15、，这种现象称为时效硬化时效硬化。时效硬化即脱溶沉淀引起。时效硬化即脱溶沉淀引起的的沉淀硬化沉淀硬化。 绕过机制绕过机制：基体与中间相的界面上存在点阵畸基体与中间相的界面上存在点阵畸变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇到这种障碍变得到这种障碍变得弯曲弯曲，随切应力加大，位错弯曲随切应力加大，位错弯曲程度加剧，并逐渐成为程度加剧，并逐渐成为环状环状。由于两个颗粒间的由于两个颗粒间的位错线段符号相反，它们将位错线段符号相反，它们将断开断开，形成包围小颗形成包围小颗粒的粒的位错环位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随位错则越过颗粒继续向前滑动。随着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。位错位错切应力切应力第二相颗粒第二相颗粒弥散强化机制弥散强化机制切过切过机制机制：位错与颗粒之间的阻力较小时，直位错与颗粒之间的阻力较小时，直接切