金屬的強(qiáng)化方法及機(jī)理

1、2021/3/111 材料的強(qiáng)化材料的強(qiáng)化 （一）固溶強(qiáng)化（一）固溶強(qiáng)化(P17)(P17) 通過通過溶入某種溶質(zhì)元素形成溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體固溶體而使金屬強(qiáng)度而使金屬強(qiáng)度 硬度提高的現(xiàn)象硬度提高的現(xiàn)象稱為稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。分為。分為間隙固溶強(qiáng)化間隙固溶強(qiáng)化 （尺寸比較小的間隙原子引起的強(qiáng)化）（尺寸比較小的間隙原子引起的強(qiáng)化）和和置換固溶強(qiáng)化置換固溶強(qiáng)化（尺寸比較（尺寸比較 大的置換原子引起的強(qiáng)化）。大的置換原子引起的強(qiáng)化）。 例如例如: : 純純CuCu中加入中加入19%19%的的NiNi，可使合金的，可使合金的強(qiáng)度強(qiáng)度由由 220MPa220MPa提高提高到到380400MPa3

2、80400MPa，硬度硬度由由44HBS44HBS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（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效其它方法（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效 果，其塑性將接近完全喪失。果，其塑性將接近完全喪失。 2021/3/112 由于形成固溶體的溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺由于形成固溶體的溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺 寸和性質(zhì)不同，溶質(zhì)原子的溶入必然引起一些現(xiàn)寸和性質(zhì)不同，溶質(zhì)原子的溶入必然引起一些現(xiàn) 象，象，例如：例如：溶質(zhì)原子聚集在位錯周圍釘扎住位錯溶質(zhì)原子聚集在位錯周圍釘扎住位錯 （彈性交互

3、作用彈性交互作用）；溶質(zhì)原子聚集在層錯處，阻溶質(zhì)原子聚集在層錯處，阻 礙層錯的擴(kuò)展與束集礙層錯的擴(kuò)展與束集（化學(xué)交互作用化學(xué)交互作用）；）；位錯與位錯與 溶質(zhì)間形成偶極子溶質(zhì)間形成偶極子（電學(xué)交互作用電學(xué)交互作用）。這些現(xiàn)象這些現(xiàn)象 都增加了位錯運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形變都增加了位錯運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形變 得更加困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。得更加困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。 固溶強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化機(jī)制 電學(xué)交互作用電學(xué)交互作用化學(xué)交互作用化學(xué)交互作用彈性交互作用彈性交互作用 2021/3/113 （二）細(xì)晶強(qiáng)化（二）細(xì)晶強(qiáng)化(P14)(P14) 金屬的晶粒越細(xì)，單位體積金

4、屬中晶界和亞晶金屬的晶粒越細(xì)，單位體積金屬中晶界和亞晶 界面積越大，金屬的強(qiáng)度越高，這就是界面積越大，金屬的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。 晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響 晶粒的平晶粒的平 均直徑均直徑 d(mm)d(mm) 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b(MPa)(MPa) 延伸率延伸率 (%)(%) 9.79.7 7.07.0 2.52.5 168168 184184 215215 28.828.8 30.630.6 39.539.5 2021/3/114 細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還可以改善細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還可以改善 材料的塑性和韌性材料的塑性和

5、韌性。 因為晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)就越多，因為晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)就越多， 變形時同樣的變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生，變形時同樣的變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生， 以產(chǎn)生比較均勻的變形，這樣，因局部應(yīng)力集中而以產(chǎn)生比較均勻的變形，這樣，因局部應(yīng)力集中而 引起材料開裂的幾率較小，使材料在斷裂前就有可引起材料開裂的幾率較小，使材料在斷裂前就有可 能承受較大的塑性變形，得到較大的伸長率、斷面能承受較大的塑性變形，得到較大的伸長率、斷面 收縮率和具有較高的沖擊載荷抗力。收縮率和具有較高的沖擊載荷抗力。 2021/3/115 實驗證明，金屬的屈服強(qiáng)度與其晶粒尺寸之實驗證明，金屬的屈服強(qiáng)度

6、與其晶粒尺寸之 間有下列關(guān)系：間有下列關(guān)系： s=s=0 0+ K/d+ K/d1/2 1/2 此式稱為此式稱為霍耳霍耳- -配奇配奇公式。公式。 式中：式中：0 0 為常數(shù)，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度；為常數(shù)，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度； dd為多晶體中各晶粒的平均直徑；為多晶體中各晶粒的平均直徑； KK為晶界對強(qiáng)度影響程度的常數(shù)，為晶界對強(qiáng)度影響程度的常數(shù)， 與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。 s s 開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力 2021/3/116 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制：晶界是位錯運(yùn)動過程中的障礙。晶界是位錯運(yùn)動過程中的障礙。 晶界增多，對位錯運(yùn)動的阻礙作用增強(qiáng)，致使

7、位晶界增多，對位錯運(yùn)動的阻礙作用增強(qiáng)，致使位 錯在晶界處塞積（即位錯密度增加），金屬的強(qiáng)錯在晶界處塞積（即位錯密度增加），金屬的強(qiáng) 度增加；在單個晶粒內(nèi)部，塞積的位錯群的長度度增加；在單個晶粒內(nèi)部，塞積的位錯群的長度 減小，應(yīng)力集中較小，不足于使位錯源開動，必減小，應(yīng)力集中較小，不足于使位錯源開動，必 須增加外力。須增加外力。 生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法: : 1 1、加快凝固速度、加快凝固速度 2 2、變質(zhì)處理（、變質(zhì)處理（如純鋁鑄錠如純鋁鑄錠） 3 3、振動和攪拌、振動和攪拌 TiTi變質(zhì)處理變質(zhì)處理 未變質(zhì)處理未變質(zhì)處理 2021/3/117 （三）位錯強(qiáng)化（三）位錯強(qiáng)化(

8、P40)(P40) 金屬中的位錯密度越高，則位錯運(yùn)動時越容易發(fā)金屬中的位錯密度越高，則位錯運(yùn)動時越容易發(fā) 生相互交割，形成割階，造成位錯纏結(jié)等位錯運(yùn)生相互交割，形成割階，造成位錯纏結(jié)等位錯運(yùn) 動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高 金屬的強(qiáng)度，這種用增加位錯密度提高金屬強(qiáng)度金屬的強(qiáng)度，這種用增加位錯密度提高金屬強(qiáng)度 的方法稱為位錯強(qiáng)化。的方法稱為位錯強(qiáng)化。 金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強(qiáng)度與硬度隨變形金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強(qiáng)度與硬度隨變形 程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的 現(xiàn)象為現(xiàn)象為加工硬化加

9、工硬化或或形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化。 1 1、概念、概念 2021/3/118 例如：例如：自行車鏈條板自行車鏈條板(16Mn(16Mn鋼板鋼板) ) 原始厚度原始厚度3.5mm 150HB 3.5mm 150HB b b=520MPa=520MPa 五次冷軋后五次冷軋后1.2mm 275HB 1.2mm 275HB b b1000MPa1000MPa 又如：又如：冷拔高強(qiáng)度鋼絲和冷卷彈簧冷拔高強(qiáng)度鋼絲和冷卷彈簧是利用加工變是利用加工變 形來提高他們的強(qiáng)度和彈性極限；形來提高他們的強(qiáng)度和彈性極限；坦克和拖拉機(jī)坦克和拖拉機(jī) 的履帶、破碎機(jī)的顎板以及鐵路的道叉的履帶、破碎機(jī)的顎板以及鐵路的道叉等也都是等也

10、都是 利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。 2021/3/119 金屬的塑性變形是通過滑移進(jìn)行的。在塑性變形金屬的塑性變形是通過滑移進(jìn)行的。在塑性變形 過程中，由于過程中，由于位錯塞積（位錯運(yùn)動過程中遇到障位錯塞積（位錯運(yùn)動過程中遇到障 礙受阻）、位錯之間的彈性作用、位錯割階礙受阻）、位錯之間的彈性作用、位錯割階等造等造 成位錯運(yùn)動受阻，從而使材料的強(qiáng)度提高。成位錯運(yùn)動受阻，從而使材料的強(qiáng)度提高。 2 2、加工硬化機(jī)制、加工硬化機(jī)制 2021/3/1110 實驗證明，金屬強(qiáng)度實驗證明，金屬強(qiáng)度 與位錯密度有左圖所與位錯密度有左圖所 示的關(guān)系。退火態(tài)金

11、示的關(guān)系。退火態(tài)金 屬的位錯密度為屬的位錯密度為 10106 610108 8/cm/cm2 2 ，強(qiáng)度最，強(qiáng)度最 低，在此基礎(chǔ)上增加低，在此基礎(chǔ)上增加 或降低位錯密度，都或降低位錯密度，都 可有效提高金屬強(qiáng)可有效提高金屬強(qiáng) 度。加工硬化態(tài)金屬度。加工硬化態(tài)金屬 的位錯密度為的位錯密度為 101011 1110 1012 12/cm /cm2 2 。 金屬強(qiáng)度與位錯金屬強(qiáng)度與位錯 密度關(guān)系示意圖密度關(guān)系示意圖 位錯密度位錯密度 強(qiáng)強(qiáng) 度度 退火態(tài)金屬退火態(tài)金屬 加工硬化態(tài)金屬加工硬化態(tài)金屬 非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬 晶須強(qiáng)度晶須強(qiáng)度 晶須強(qiáng)度晶須強(qiáng)度 3 3、金屬強(qiáng)度與位錯密度有左圖所示的關(guān)系、金

12、屬強(qiáng)度與位錯密度有左圖所示的關(guān)系 2021/3/1111 冷加工過程中，除了冷加工過程中，除了力學(xué)性能力學(xué)性能的變化，的變化， 金屬材料的金屬材料的物理化學(xué)性能物理化學(xué)性能也有所改變。也有所改變。 例如：例如：冷加工后位錯密度增加，晶格畸變很大，冷加工后位錯密度增加，晶格畸變很大， 給自由電子的運(yùn)動造成一定程度的干擾，從而使給自由電子的運(yùn)動造成一定程度的干擾，從而使 電阻有所增加電阻有所增加；由于位錯密度增大，晶體處于高；由于位錯密度增大，晶體處于高 能量狀態(tài)，金屬易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使能量狀態(tài)，金屬易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使 抗腐蝕性能降低抗腐蝕性能降低。 2021/3/1112 （

13、四）第二相強(qiáng)化（四）第二相強(qiáng)化 第二相粒子可以有效地阻礙位錯運(yùn)動，運(yùn)動著第二相粒子可以有效地阻礙位錯運(yùn)動，運(yùn)動著 的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或切過切過， 或或繞過繞過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進(jìn)行。這一過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進(jìn)行。這一過 程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所 以造成強(qiáng)化。但是第二相粒子必須十分細(xì)小，以造成強(qiáng)化。但是第二相粒子必須十分細(xì)小， 粒子越彌散，其間距越小，則強(qiáng)化效果越好。粒子越彌散，其間距越小，則強(qiáng)化效果越好。 這種有第二相粒子引起的強(qiáng)化作用稱之為這種有第二相粒子引起的強(qiáng)化作用稱之為第

14、二第二 相強(qiáng)化相強(qiáng)化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強(qiáng)化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強(qiáng)化 機(jī)制：機(jī)制：彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。 2021/3/1113 固溶與時效處理的固溶與時效處理的 工藝過程工藝過程 把某一成分的合金加熱到固溶度曲線以上，在某一溫度保持一定把某一成分的合金加熱到固溶度曲線以上，在某一溫度保持一定 時間，使得時間，使得B B組元充分溶入組元充分溶入固溶體中，然后迅速冷卻，抑制固溶體中，然后迅速冷卻，抑制B B元元 素析出，得到過飽和素析出，得到過飽和固溶體，這就是固溶體，這就是固溶處理固溶處理。 經(jīng)固溶處理后的合金在室溫下放置或加熱到低于溶解度曲線的某經(jīng)固溶處理

15、后的合金在室溫下放置或加熱到低于溶解度曲線的某 一溫度保溫，合金將產(chǎn)生脫溶析出，即一溫度保溫，合金將產(chǎn)生脫溶析出，即B B將以新相的形式從過飽和將以新相的形式從過飽和 相中彌散析出，這個過程即是相中彌散析出，這個過程即是時效時效。通常將在室溫下放置產(chǎn)生。通常將在室溫下放置產(chǎn)生 的時效稱為的時效稱為自然時效自然時效；將加熱到室溫以上某一溫度進(jìn)行的時效稱；將加熱到室溫以上某一溫度進(jìn)行的時效稱 為為人工時效人工時效。 隨著時效時間的延長，由于彌散新相的析出而使合金的強(qiáng)度、硬隨著時效時間的延長，由于彌散新相的析出而使合金的強(qiáng)度、硬 度升高，這種現(xiàn)象稱為度升高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化時效硬化。時效硬化即脫

16、溶沉淀引起。時效硬化即脫溶沉淀引起 的的沉淀硬化沉淀硬化。 2021/3/1114 繞過機(jī)制繞過機(jī)制：基體與中間相的界面上存在點陣畸基體與中間相的界面上存在點陣畸 變和應(yīng)力場，成為位錯滑動的障礙。滑動位錯遇變和應(yīng)力場，成為位錯滑動的障礙。滑動位錯遇 到這種障礙變得到這種障礙變得彎曲彎曲，隨切應(yīng)力加大，位錯彎曲隨切應(yīng)力加大，位錯彎曲 程度加劇，并逐漸成為程度加劇，并逐漸成為環(huán)狀環(huán)狀。由于兩個顆粒間的由于兩個顆粒間的 位錯線段符號相反，它們將位錯線段符號相反，它們將斷開斷開，形成包圍小顆形成包圍小顆 粒的粒的位錯環(huán)位錯環(huán)。位錯則越過顆粒繼續(xù)向前滑動。隨位錯則越過顆粒繼續(xù)向前滑動。隨 著位錯不斷繞過第二相顆粒，顆粒周圍的位錯環(huán)著位錯不斷繞過第二相顆粒，顆粒周圍的位錯環(huán) 數(shù)逐漸增加，對后來的位錯造成更大的阻力。數(shù)逐漸增加，對后來的位錯造成更大的阻力。 位錯位錯 切應(yīng)力切應(yīng)力 第二相顆粒第二相顆粒 彌散強(qiáng)化機(jī)制彌散強(qiáng)化機(jī)制 2021/3/1115 切過機(jī)制切過機(jī)制：位錯與顆粒之間的阻力較小時，直位錯與顆粒之間的阻力較小時，直 接切過第二相顆粒，結(jié)果硬顆粒被切成上下兩部分，接切過第二相顆