金属材料的强化机理讲解

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1、材料结构与性能读书报告-金属材料的强化机理摘要综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能微观组织结构 材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了 论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的 性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程 材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶 强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维 强化和相变强化等。关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变AbstractIn this paper a summary is m

2、ade on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology. ：Metal strengthening can

3、improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life,T in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of mat

4、erials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandize

5、ment, etc.Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition一、金属的强化通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强 化。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的 屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试 验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。 每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体 反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强

6、度指标可能是有效的，而对另一 强度指标未必有效。影响强度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、组织结 构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复 受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很 大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍 地下降。二、金属的强化机理金属的强度主要是指抵抗塑性变形的能力。大多数情况下，我们以抗拉强度 作为评定材料性能好坏的指标1。而塑性变形产生的主要机制是位错在滑移面上 的移动。所以,根据目前工业生产中已经采用的金属材料的强化手段以及国内外 材料发展的新动向,可以得出这样的认识:塑性材

7、料的强化2可归结为两种途径: 如图1 所示。侖工硬化态退火态P-图T金属强度与Q的关系一是尽量消除位错等晶体缺陷,获得近乎理想的单晶材料。例如,可采用特殊方法制造出几乎不含位错的结构完整的小晶体一晶须。直径1.6 口 m件的铁晶须 强度就高达13400MN/m,而实际工业纯铁的强度仅为300MN/m,提高了 40多倍。 这个强度值很接近铁的理想晶体的理论估算强度。目前这种晶体仅能制成直径几 微米的晶须,如果更粗就会因含有缺陷而使强度迅速下降。故当今用以提高金属 强度的主要方法是沿着提高位错密度p的方向努力。提高金属强度的另一个途径,是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺 陷、异类原子、晶界、

8、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍 位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途 径。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和 必要性3。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。 具体方法有晶界强化，固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、位错强化相 变强化等。三、金属的强化措施3 .1 晶界强化晶界分大角度晶界（位向差大于 10）和小角度晶界（又称亚晶界位向差最 大 1一 2）,晶界两边相邻晶粒和亚晶块的原子排列位向不同,处于一种畸变 状态4。晶界处位错密度较大,对金属滑移、位错运动起阻碍作用。即对塑性

9、变 形抗力较之晶粒内部大,使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界,裂纹穿越也困难。 据资料报道,在室温下,当金属晶粒受外力而断裂时,其裂纹几乎都发生在晶粒内 部,可见室温下晶界强度较晶内强度高。上述现象说明晶界的主要作用是阻碍位 错滑移,对金属塑性变形时的位错运动起阻碍作用。基于这个道理,当晶粒越细, 晶界越多,其阻碍作用越大,此时金属材料的屈服强度也越高。3.2 位错强化由现代塑性理论和电镜，X射线衍射等现代微观测试技术研究证明：（1）以 刚性塑性滑移计算滑移开始所需临界切应力比实际测定的大几百至几千倍 ;（2） 晶体中存在“位错”，在切应力作用下，“位错”会发生迁移，因为迁移距离小于 一个原子间

10、距，所以“位错”移动所需临界切应力小得多。金属晶体中的“位错” 是由相变和塑性变形引入的,位错密度愈高,“位错”运动愈困难。金属抵抗塑性 变形的能力就愈大,表现在力学性能上:金属强度提高,也就是说当造成金属晶体 内部“位错”大量增殖时,金属就表现出强化效果。理论研究同时也说明:制成无 缺陷,几乎不存在“位错”的完整晶体,使金属晶体强化接近理论强度,则会使金 属强化效果表现得更为突出。因此,根据“位错”理论,金属可以有两种强化途径: 一是对有晶体缺陷的实际金属,即存在“位错”金属,可以通过“位错”增殖而强 化;二是制成无晶体缺陷的理想金属,使其晶体中几乎不存在“位错”。则金属强 化效果更大。3.

11、3 形变强化随着塑性变形量增加，金属的流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加 工硬化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形 后位错运动的阻力增加所致。形变强化是金属强化的重要方法之一，它能为金属材料的应用提供安全保 证，也是某些金属塑性加工工艺所必须具备的条件(如拔制)。 形变强化是位错 运动受到阻碍的结果。表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，常用 的表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本 低廉。用 AISI304 钢与 CrMnN 双相不锈钢进行了磨损和腐蚀磨损试验，测 定了磨损和磨蚀的体积损失随载荷及接触应务的变化关系及磨

12、痕的显微硬度，观 察了磨痕形貌及 CrMnN 双相不锈钢形变引起的位错滑移及增殖。结果表明， 双相 CrMnN 不锈钢具有较强的形变强化能力，良好的耐磨性和耐腐蚀性。 在不降低合金耐蚀性的前提下，利用合金本身的形变强化能力提高其耐磨蚀性 能，是一种开发磨蚀合金的有效途径。3.4 固溶强化随着溶质原子的溶入固溶体晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固 溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化分为两类4:(1)间隙式固溶强化有些元素原子直径很小,如 C、N、H、B、0 等,当它们作 为溶质元素溶入溶剂金属(如F

13、e)时,便形成间隙式固溶体，实验证明,两者直径之比 d质/d剂小于0.59时，易形成间隙固溶体。组织中的基本相,奥氏体(A)是C在面心 立方晶格的7 一 Fe中的间隙固溶体，其最大溶解度为2.06%(Wt)，而铁素体(F)则是 c在体心立方晶格的a 一 Fe中的间隙固溶体，其最大溶解度只有0.02%(Wt)5。当 C、N原子嵌入a 一 Fe晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称正方性畸变(al) 造成强硬化效应，铁基体的屈服强度随间隙原子量的增大而变大，强化增量和C原 子含量的平方根成直线关系。C、N等间隙原子在基体中与位错产生弹性交互作 用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，则形成所谓“

14、柯氏气团”。当在螺 型位错应力场作用下,C、N原子在位错线附近有规则排列就形成,Snock气团” 这些在位错附近所形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用 ，所以对金属 基体产生强化效应。实验证明:C、N原子造成的强化增量和温度无关,每增加1% 原子百分数的C、N,可以使基体强化45kg/mm2o(2)置换式固溶强化置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对 称的，因而强化效能要比间隙式原子小(约小两个数量级)，这种强化效应称为弱硬 化。形成置换固溶体时，溶剂原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺 寸、电化学性质等因素密切相关。当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电 化性质也

15、愈接近，则溶解度便愈大。若晶格类型也相同 ，则可形成无限固溶体(如 Cu 一 Au,Fe-Cr)。由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差 别时就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶 格畸变,随着原子直径差别增加,造成的畸变的程度愈大,由此而造成的强化效果 更大。在Fe中加入Mn、Cr、51、Ni、Mo等元素，也都能造成置换式固溶强化作 用6。3.5 沉淀强化与弥散1) 过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中(时效)发生脱溶分解。 时效过程往往是很复杂的。细小的沉淀物分散于基体之中， 阻碍着位错运动而产 生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强

16、化”。2) 为了提高金属，特别是粉末冶金材料的强度，往往人为地加入一些坚硬 的细质点，弥散于基体中，称为弥散强化。3) 固溶强化和弥散强化是通过加入合金元素，改变钢的成分，再通过一系 列热处理而产生的强化作用7，故成本高于碳钢，常用于强化比较重要的金属材 料和零件，另外固溶强化不受热处理条件的限制；而弥散强化必须通过一热处理 工艺才能实现。沉淀与弥散强化就其本质来说,它有两种途径:一是第二相质点沉淀时,沉淀 相在基体中造成应力场,应力场和运动“位错”之间交互作用使基体强化;二是第 二相质点和基体处于共格或半格状态时 ,质点周围有一个高能区 ,具有很大的弹 性畸变,致使强度、硬度急剧增加而强化,

17、总的来说,沉淀和弥散强化效应可总结 成三点:一是沉淀相的体积比越大,强化效果越显著,要使第二相有足够的数量, 必须提高基体的过饱和度;二是第二相弥散度越大,强化效果越好.共格第二相比 非共格第二相的强化效能大；三是第二相质点对位错运动的阻力越大,强化效果 也越大4。3.6 相变强化1）合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织 结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。2）过剩相（第二相）强化：当合金元素加入量超过极限溶解度时，合金固 溶处理时就有一部分合金元素不能溶入固溶体，这部分组成第二相，称为过剩 相，过剩相一般为硬而脆的金属化合物（如渗碳体），当其数量一定且分布均匀

18、时，对合金有较好的强化作用，但也会使塑性，韧性下降，数量过多还会使合金 脆化，强度也降低8。3）在生产中，根据具体的情况，可采用不同的方法或综合使用几种方法来 达到强化的目的。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分 发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意 义，因此，研究强化理论，探索强化的途径，是一项重要任务。参考文献1 王忠.机械工程材料M.北京：清华大学出版社,2005.2 姚素兰.内蒙古农牧学院学报J.内蒙古.内蒙古农业大学 出版社，1992，13(2).电子工业技术戴起勋.金属材料学M.北京：化学工业出版社,2005.4 谭家骏 . 金属

19、材料强化原理基本途径及热处理新技术1995,6： 5-10.5 王毛球等 奥氏体化对二次硬化钢组织和力学性能的影响 兵器材料科学与工程 2002,25(5):9-13.6 Ridley N, Maropoilos S,Paul J D H.Effects of Heat TreatmentOn Microstructure and Mechanical Properties of Cr Mo-3.5Ni-VSteelJl.Mater Sci Technology,1994,10(3):239一 249.7 陈志毅.金属材料与热处理M.北京：中国劳动社会保障 出版社, 2007.朱怀忠.机械工程材料M.北京：北京理工大学出版,2007.