金屬的強化方法及機理

關(guān)于金屬的強化方法及機理

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)象，例如：溶質(zhì)原子聚集在位錯周圍釘扎住位錯（彈性交互作用）；溶質(zhì)原子聚集在層錯處，阻礙層錯的擴展與束集（化學(xué)交互作用）；位錯與溶質(zhì)間形成偶極子（電學(xué)交互作用）。這些現(xiàn)象都增加了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高了金屬的強度和硬度。固溶強化機制電學(xué)交互作用化學(xué)交互作用彈性交互作用第2頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（二）細晶強化(P14)金屬的晶粒越細，單位體積金屬中晶界和亞晶界面積越大，金屬的強度越高，這就是細晶強化。晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響晶粒的平均直徑d(mm)抗拉強度

b(MPa)

延伸率

(%)9.77.02.516818421528.830.639.5第3頁,共18頁，2024年2月25日，星期天

細化晶粒不僅能提高材料的強度，還可以改善材料的塑性和韌性。因為晶粒越細，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，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。第4頁,共18頁，2024年2月25日，星期天實驗證明，金屬的屈服強度與其晶粒尺寸之間有下列關(guān)系：

σs=σ0+K/d1/2

此式稱為霍耳-配奇公式。式中：σ0——為常數(shù)，相當(dāng)于單晶體的屈服強度；

d——為多晶體中各晶粒的平均直徑；

K——為晶界對強度影響程度的常數(shù)，

與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。

σs——開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力第5頁,共18頁，2024年2月25日，星期天細晶強化機制：晶界是位錯運動過程中的障礙。晶界增多，對位錯運動的阻礙作用增強，致使位錯在晶界處塞積（即位錯密度增加），金屬的強度增加；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，必須增加外力。生產(chǎn)中細化晶粒的方法:1、加快凝固速度2、變質(zhì)處理（如純鋁鑄錠）3、振動和攪拌Ti變質(zhì)處理未變質(zhì)處理第6頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（三）位錯強化(P40)金屬中的位錯密度越高，則位錯運動時越容易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯纏結(jié)等位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度，這種用增加位錯密度提高金屬強度的方法稱為位錯強化。金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強度與硬度隨變形程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的現(xiàn)象為加工硬化或形變強化。1、概念第7頁,共18頁，2024年2月25日，星期天例如：自行車鏈條板(16Mn鋼板)

原始厚度3.5mm150HB

b=520MPa

五次冷軋后1.2mm275HB

b>1000MPa又如：冷拔高強度鋼絲和冷卷彈簧是利用加工變形來提高他們的強度和彈性極限；坦克和拖拉機的履帶、破碎機的顎板以及鐵路的道叉等也都是利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。第8頁,共18頁，2024年2月25日，星期天金屬的塑性變形是通過滑移進行的。在塑性變形過程中，由于位錯塞積（位錯運動過程中遇到障礙受阻）、位錯之間的彈性作用、位錯割階等造成位錯運動受阻，從而使材料的強度提高。2、加工硬化機制第9頁,共18頁，2024年2月25日，星期天實驗證明，金屬強度與位錯密度有左圖所示的關(guān)系。退火態(tài)金屬的位錯密度為106~108/cm2

，強度最低，在此基礎(chǔ)上增加或降低位錯密度，都可有效提高金屬強度。加工硬化態(tài)金屬的位錯密度為1011~1012/cm2

。金屬強度與位錯密度關(guān)系示意圖位錯密度強度退火態(tài)金屬加工硬化態(tài)金屬非晶態(tài)金屬晶須強度晶須強度3、金屬強度與位錯密度有左圖所示的關(guān)系第10頁,共18頁，2024年2月25日，星期天

冷加工過程中，除了力學(xué)性能的變化，金屬材料的物理化學(xué)性能也有所改變。例如：冷加工后位錯密度增加，晶格畸變很大，給自由電子的運動造成一定程度的干擾，從而使電阻有所增加；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)，使抗腐蝕性能降低。第11頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（四）第二相強化第二相粒子可以有效地阻礙位錯運動，運動著的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或切過，或繞過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進行。這一過程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所以造成強化。但是第二相粒子必須十分細小，粒子越彌散，其間距越小，則強化效果越好。這種有第二相粒子引起的強化作用稱之為第二相強化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強化機制：彌散強化和沉淀強化。第12頁,共18頁，2024年2月25日，星期天固溶與時效處理的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時間，使得B組元充分溶入α固溶體中，然后迅速冷卻，抑制B元素析出，得到過飽和α固溶體，這就是固溶處理。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一溫度保溫，合金將產(chǎn)生脫溶析出，即B將以新相的形式從過飽和α相中彌散析出，這個過程即是時效。通常將在室溫下放置產(chǎn)生的時效稱為自然時效；將加熱到室溫以上某一溫度進行的時效稱為人工時效。隨著時效時間的延長，由于彌散新相的析出而使合金的強度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。時效硬化即脫溶沉淀引起的沉淀硬化。

第13頁,共18頁，2024年2月25日，星期天繞過機制：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?；瑒游诲e遇到這種障礙變得彎曲，隨切應(yīng)力加大，位錯彎曲程度加劇，并逐漸成為環(huán)狀。由于兩個顆粒間的位錯線段符號相反，它們將斷開，形成包圍小顆粒的位錯環(huán)。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)數(shù)逐漸增加，對后來的位錯造成更大的阻力。位錯→切應(yīng)力→第二相顆?！鷱浬娀瘷C制第14頁,共18頁，2024年2月25日，星期天切過機制：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，并在切割面上產(chǎn)生位移，顆粒與基體間的界面面積增大，需要做功。并且，由于第二相與基體結(jié)構(gòu)不同，位錯掃過小顆粒必然引起局部原子錯排，這也會增加位錯運動的阻力，從而使金屬強化。新的界面新的界面第15頁,共1