金屬材料的四種強化方式
2021-08-23 03:36:09
hualin
一、形變強化（或應變強化，加工硬化）
01 定義
材料屈服以后，隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬化。
02 機理
隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度
規(guī)律：變形程度增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據公式
，可知強度與位錯密度ρ的二分之一次方成正比，位錯的伯氏矢量b越大，強化效果越顯著。
，可知強度與位錯密度ρ的二分之一次方成正比，位錯的伯氏矢量b越大，強化效果越顯著。03 方法
冷變形，比如冷壓、滾壓、噴丸等。
04 例子
冷拔鋼絲可使其強度成倍增加。
05 形變強化的實際意義（利與弊）
（1）利：
① 形變強化是強化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強化的材料，可以用形變強化的方法提高材料的強度，可使強度成倍的增加。
② 是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形。
③ 形變強化還可提高零件或構件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現應力集中或過載現象時，使該處產生塑性變形，因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。
（2）弊：
① 形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩，變形使強度升高、塑性降低，始繼續(xù)變形帶來困難，需要消耗更多的功率。
② 為了能讓材料繼續(xù)變形，中間需要進行再結晶退火，使材料可以繼續(xù)變形而不至開裂，增加了生產成本。
二、固溶強化
01 定義
隨溶質原子含量的增加，固溶體的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象叫固溶強化。
02 機理
（1） 溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用。
（2） 位錯線上偏聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力。
（3） 溶質原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴展位錯的運動。所有阻礙位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。
03 規(guī)律
①在固溶體溶解度范圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大
②溶質原子與溶劑原子的尺寸相差越大，強化效果越顯著。
③形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素
④溶質原子與溶劑原子的價電子數相差越大，強化作用越大。
04 方法
合金化，即加入合金元素。
05 例子
銅鎳合金的強度大于銅和鎳純金屬的強度。
三、細晶強化
01 定義
隨晶粒尺寸的減小，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現象稱為細晶強化。
02 機制
其原理在于晶界對位錯滑移的阻滯效應。對于多晶體來說，位錯運動必須克服晶界的阻力，這是由于晶界兩側位錯的取向不同，所以在某一個晶粒中，滑移的位錯不能直接穿越晶界進入相鄰的晶粒，只有在晶界處塞積了大量的位錯后引起應力集中，才能激發(fā)相鄰晶粒中已有位錯的運動產生滑移。所以晶粒越細，材料的強度就越高。
03 規(guī)律
晶粒越細，晶界面積越大，根據霍爾-佩奇公式
，晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強度σs越高
，晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強度σs越高04 細化晶粒的方法
①結晶過程中可以通過增加過冷度，變質處理，振動及攪拌增加形核率來細化晶粒；
②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；
③可以通過正火、退火的熱處理方法細化晶粒；
④可以在鋼中加入合金元素，形成新相從而抑制晶粒長大。
四、第二相強化
01 定義
在金屬基體中還存在另外一個或幾個其他的相，這些相的存在使金屬的強度得到提高。因獲得第二相的工藝不同，第二相強化分為：①沉淀強化：通過相變熱處理獲得第二相②彌散強化：通過粉末燒結或內氧化獲得第二相。
02 機制
位錯在運動過程中遇到第二相，需要繞過或切過第二相，從而第二相阻礙了位錯的運動，使得材料的強度提高。
03 例子
鋼中滲碳體的存在使鋼的強度得到提高。