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金屬材料的四種強化方式

2016-11-23 16:43:45 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

細晶強化

    1. 定義

    通過細化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細晶強化，工業(yè)上通過細化晶粒以提高材料強度。

    2. 原理

    通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。故工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。

    3. 效果

    晶粒越細小，位錯集群中位錯個數(shù)（n）越小，根據(jù)τ=nτ0，應(yīng)力集中越小，所以材料的強度越高；

    細晶強化的強化規(guī)律，晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式，晶粒的平均值（d）越小，材料的屈服強度就越高。

    4. 細化晶粒的方法

    增加過冷度；

    變質(zhì)處理；

    振動與攪拌；

    對于冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細化晶粒。

固溶強化

    1. 定義

    合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高的現(xiàn)象。

    2. 原理

    溶入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

    3. 影響因素

    溶質(zhì)原子的原子分數(shù)越高，強化作用也越大，特別是當原子分數(shù)很低時，強化作用更為顯著。

    溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。

    間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限。

    溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶體的屈服強度隨著價電子濃度的增加而提高。

    4. 固溶強化的程度主要取決于以下因素

    基體原子和溶質(zhì)原子之間的尺寸差別。尺寸差別越大，原始晶體結(jié)構(gòu)受到的干擾就越大，位錯滑移就越困難。

    合金元素的量。加入的合金元素越多，強化效果越大。如果加入過多太大或太小的原子，就會超過溶解度。這就涉及到另一種強化機制，分散相強化。

    間隙型溶質(zhì)原子比置換型原子具有更大的固溶強化效果。

    溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用越顯著。

    5. 效果

    屈服強度、拉伸強度和硬度都要強于純金屬；

    大部分情況下，延展性低于純金屬；

    導(dǎo)電性比純金屬低很多；

    抗蠕變，或者在高溫下的強度損失，通過固溶強化可以得到改善。

第二相強化

    1. 定義

    復(fù)相合金與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相的存在。當?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植加诨w相中時，將會產(chǎn)生顯著的強化作用。這種強化作用稱為第二相強化。

    2. 分類

    對于位錯的運動來說，合金所含的第二相有以下兩種情況：

    （1）不可變形微粒的強化作用（繞過機制）。

    （2）可變形微粒的強化作用（切過機制）。

    彌散強化和沉淀強化均屬于第二相強化的特殊情形。

    3. 效果

    第二相強化的主要原因是它們與位錯間的交互作用，阻礙了位錯運動，提高了合金的變形抗力。

加工硬化

    1. 定義

    隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度提高，但塑性、韌性有所下降。

    2. 簡介

    金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。又稱冷作硬化。產(chǎn)生原因是，金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等。加工硬化的程度通常用加工后與加工前表面層顯微硬度的比值和硬化層深度來表示加工硬化。

    3. 從位錯理論角度解釋

    （1）位錯間發(fā)生交截，產(chǎn)生的割階阻礙位錯運動；

    （2）位錯間發(fā)生反應(yīng)，形成的固定位錯阻礙位錯運動；

    （3）位錯發(fā)生增殖，位錯密度增加使位錯運動阻力進一步增大。

    4. 危害

    加工硬化給金屬件的進一步加工帶來困難。如在冷軋鋼板的過程中會愈軋愈硬以致軋不動，因而需在加工過程中安排中間退火，通過加熱消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表層脆而硬，從而加速刀具磨損、增大切削力等。

    5. 好處

    它可提高金屬的強度、硬度和耐磨性，特別是對于那些不能以熱處理方法提高強度的純金屬和某些合金尤為重要。如冷拉高強度鋼絲和冷卷彈簧等，就是利用冷加工變形來提高其強度和彈性極限。又如坦克和拖拉機的履帶、破碎機的顎板以及鐵路的道岔等也是利用加工硬化來提高其硬度和耐磨性的。

    6. 在機械工程中的作用

    經(jīng)過冷拉、滾壓和噴丸（見表面強化）等工藝，能顯著提高金屬材料、零件和構(gòu)件的表面強度；

    零件受力后，某些部位局部應(yīng)力常超過材料的屈服極限，引起塑性變形，由于加工硬化限制了塑性變形的繼續(xù)發(fā)展，可提高零件和構(gòu)件的安全度；

    金屬零件或構(gòu)件在沖壓時，其塑性變形處伴隨著強化，使變形轉(zhuǎn)移到其周圍未加工硬化部分。經(jīng)過這樣反復(fù)交替作用可得到截面變形均勻一致的冷沖壓件；

    可以改進低碳鋼的切削性能，使切屑易于分離。但加工硬化也給金屬件進一步加工帶來困難。如冷拉鋼絲，由于加工硬化使進一步拉拔耗能大，甚至被拉斷，因此必須經(jīng)中間退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中為使工件表層脆而硬，再切削時增加切削力，加速刀具磨損等。

     小結(jié)

    影響強度的因素中最重要的是材料本身的成分、組織結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)；其次是受力狀態(tài)，如加力快慢、加載方式，是簡單拉伸還是反復(fù)受力，都會表現(xiàn)出不同的強度；此外，試樣幾何形狀和尺寸及試驗介質(zhì)也都有很大的影響，有時甚至是決定性的，如超高強度鋼在氫氣氛中的拉伸強度可能成倍地下降。

    金屬材料的強化途徑不外兩個，一是提高合金的原子間結(jié)合力，提高其理論強度，并制得無缺陷的完整晶體，如晶須。已知鐵的晶須的強度接近理論值，可以認為這是因為晶須中沒有位錯，或者只包含少量在形變過程中不能增殖的位錯。可惜當晶須的直徑較大時，強度會急劇下降。另一強化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷，如位錯、點缺陷、異類原子、晶界、高度彌散的質(zhì)點或不均勻性（如偏聚）等，這些缺陷阻礙位錯運動，也會明顯地提高金屬強度。事實證明，這是提高金屬強度最有效的途徑。對工程材料來說，一般是通過綜合的強化效應(yīng)以達到較好的綜合性能。