机械制造基础大作业

机械制造基础大作业金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。一、金属材料的强化强韧化意义提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础提高金属材料强度途径1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度2.主要采用另一条途径来强化金属，即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样强韧化意义提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括1.固溶强化2.细晶强化3.第二相粒子强化4.形变强化5、综合强化1.固溶强化固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较为重要2.细化晶粒强化1.晶界对位错滑移的阻滞效应2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高常温下一种有效的材料强化手段高温时晶界滑动导致材料形变，细晶材料比粗晶材料软，增加金属材料高温强度要增大晶粒尺寸。镍基高温合金利用定向凝固方法获得较大晶粒尺寸甚至（2）脆性相脆性相对材料韧性的影响很复杂①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响（3）脆性相各种几何学参量对韧性影响①含量(fv)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低②大小(D)：D愈大，韧性下降愈多③间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高④形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差⑤类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低（4）韧性相对韧性的影响①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性③复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。平面应力下的断裂韧性比平面应变下的断裂韧性要高用奥氏体作为韧性相可提高钢的韧性。如对于AFC77不锈钢，通过改变奥氏体化温度来调整残余奥氏体的含量，对KIC值有很大影响。在强度基本上不变的情况下，可使KIC提高4倍左右。对于这种PH不锈钢，加入1%Ni及调整热处理工艺来控制残余奥氏体含量，可以获得很好的强度和韧性的组合对于合金结构钢，少量的残余奥氏体也是KIC提高的原因之一。如4340钢通过1200℃奥氏体化处理，虽然晶粒粗大，但KIC显著提高。原因1：这种处理得到条板状马氏体，没有孪生马氏体；原因2：这种处理后，在马氏体片间有100~200Å（5）基体相对韧性的影响裂纹主要在基体中扩展，因而基体的特征显然会影响裂纹伸展途径，从而改变多晶金属材料的断裂韧性此外，基体的特征还通过工艺影响相变产物及其组织结构，从而间接地影响材料的整体断裂行为（6）奥氏体基体对钢材断裂韧性的影响奥氏体基体的淬透性，Ms温度，层错能和强度等对钢材断裂韧性的影响如下①细化奥氏体晶粒(d)，从而可细化转变产物，对提高韧性有利②一般地说，转变温度愈低，则回火后的韧性愈高，因而对淬火一回火的钢材，要求有足够的淬透性③先共析铁素体对韧性是不利的，而针状的危害性又大于等轴状的，调整成分和工艺，细化针状铁素体，可以改善韧性④珠光体片是应力和应变集中点，有利于解理和脆断的形成和伸展，应该设法避免⑤孪生马氏体的韧性低于条板状马氏体，调整奥氏体的成分，改变奥氏体的Ms、层错能USF及σS，可以改变马氏体的形貌⑥上贝氏体类似片层间距较小的珠光体，它们对于韧性是不利的，下贝氏体貌似自回火的条板状马氏体，它的韧性高于孪生马氏体，而低于条板状马氏体，在条板状马氏体形成之前先形成约10~20%的下贝氏体，由于分割了奥氏体晶粒，对韧性是有益的3、韧化工艺韧化工艺有三种：（1）熔炼铸造（2）压力加工（3）热处理1）熔炼铸造韧化工艺①成分控制实际情况成分波动和存在一定的杂质是不可避免的。从提高韧性出发，提高合金纯度是有效的途径②气体和夹杂物控制气体（氢、氧、氮）和夹杂物（主要是氧化物和硫化物等）是冶炼和铸造工艺的重要问题a.氢是有害气体，引起白点和氢脆，材料强度愈高，危害性愈大b.氮易于引起低碳钢的蓝脆，是一种有害气体；在普通低合金钢中若有钒存在形成氮化物，则能提高强度；在奥氏体不锈钢中，它能够代替一部分镍，氮是有益的合金元素c.氧以氧化物类型的夹杂物存在，使韧性降低d.夹杂物是脆性相，一般夹杂物含量愈多，则韧性愈低2）压力加工韧化工艺依靠压力加工控制晶粒大小和取向，可改变材料韧性。细化晶粒是重要的韧化措施。热加工时，形变和再结晶同时进行，终轧温度和终轧后冷却速度会影响晶粒大小。对钢材而言有以下几条规律：①在较低温度，连续而较快地施加大变形量，可以获得细晶②高温停留时间愈长，则奥氏体晶粒愈大③快速通过Ar3~Ar1区，可获得较细的铁素体晶粒④快速冷却，可防止铁素体晶粒长大采用愈来愈低的终轧温度，如在Ar3以上、γ+α区及低于Ar1温度连续轧制，由于晶粒细化和位错胞块细小而使热轧钢板的强度和韧性提高。连续轧制时，终轧温度愈低及变形量大，则板材的{111}<110>织构愈强，韧性愈高3）热处理韧化工艺热处理是改变金属材料结构，控制性能的重要工艺①超高温淬火：以淬火、回火和时效以及形变热处理为例，讨论提高断裂韧性的一些概念和思路对于中碳合金结构钢，采用比一般淬火温度高300多度的1200~1255℃②临界区淬火：当钢加热到Ac1~Ac3临界区，淬火回火后可以得到较好的韧性，这种热处理叫临界区热处理，或部分奥氏体化处理临界区处理的作用a组织和晶粒细化：临界区处理时，在原始奥氏体晶界上形成细小奥氏体晶粒，并且复相区内形成的α/γ界面比一般热处理的奥氏体晶界面积大10~50倍，较大的晶界及相界面使杂质偏析程度减小b杂质元素在α及γ晶粒的分配：P(Sn、Sb)等杂质可富集在α晶粒，α晶粒这种清除杂质的作用，对于降低回火脆性有利c碳化物形态：临界区热处理后的碳化物要比一般热处理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作为回火时形核中心，从而减少晶界碳化物的沉淀③回火和时效：钢材的回火是一种时效过程，是过饱和固溶体一马氏体的脱溶沉淀过程。合金结构钢有两种回火脆性，即高温回火脆性和低温回火脆性。a.高温回火脆性由Sb、Sn、As、P等杂质偏聚在奥氏体晶界引起。选用Sb、Sn和As低的废钢及降低钢中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可减少回火脆性倾向可提高钢的纯度，控制碳化物析出，可减少低温回火脆性。如Si含量增加使Fe3C开始形成温度上升，减少了脆化倾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的稳定性，增加脆化倾向。铝合金：时效组织对合金断裂性能有重大影响，一般获得均匀弥散的共格或半共格沉淀相比较适宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，对断裂十分不利

为此铝合金淬火加热温度应尽可能高，保温时间充分，使强化相最大限度地溶入基体，淬火速度要快，以避免在晶界析出第二相

④形变热处理

将压力加工和热处理两种工艺巧妙结合起来的形变热处理可以进一步提高材料的韧性。如使结构钢在亚稳定奥氏体区变形，不仅可提高强度，还可同时提高韧性。提高强度主要是由于形变增加位错密度和加