金屬材料的四種強化方式
2021-08-23 03:36:09
hualin
一、形變(bian)(bian)強(qiang)化(hua)（或應變(bian)(bian)強(qiang)化(hua)，加工硬化(hua)）
01 定義
材(cai)料屈服(fu)以后，隨變形(xing)程度(du)的(de)增加，材(cai)料的(de)強度(du)、硬度(du)升高，塑性、韌(ren)性下(xia)降的(de)現象叫形(xing)變強化(hua)或加工硬化(hua)。
02 機理
隨著塑(su)性變形的(de)(de)進行(xing)，位(wei)(wei)錯密(mi)度不斷增加，因此(ci)位(wei)(wei)錯在(zai)運(yun)動時的(de)(de)相互(hu)交割加劇(ju)，結果即(ji)產生(sheng)固定(ding)的(de)(de)割階、位(wei)(wei)錯纏結等障(zhang)礙，使位(wei)(wei)錯運(yun)動的(de)(de)阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續塑(su)性變形造(zao)成困難，從而提高金屬(shu)的(de)(de)強度
規律：變形程度(du)(du)增加(jia)，材料的強度(du)(du)、硬(ying)度(du)(du)升高(gao)，塑(su)性、韌性下降，位錯密度(du)(du)不(bu)斷增加(jia)，根(gen)據公(gong)式，可知(zhi)強度(du)與位(wei)錯密度(du)ρ的二分之(zhi)一(yi)次方(fang)成正比(bi)，位(wei)錯的伯氏矢(shi)量b越(yue)大，強化效果越(yue)顯著(zhu)。
03 方法(fa)
冷(leng)變(bian)形(xing)，比如冷(leng)壓、滾壓、噴丸等。
04 例子
冷拔鋼絲(si)可(ke)使其強度成倍(bei)增加。
05 形變強化的實際意義（利與弊）
（1）利：
① 形(xing)變強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)是強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)金屬的有效方法，對一些不能(neng)用熱處理強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的材料(liao)，可(ke)以(yi)用形(xing)變強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的方法提高材料(liao)的強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)，可(ke)使強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)成倍的增加。
② 是某些工件(jian)或半(ban)成(cheng)品(pin)加工成(cheng)形的(de)重要因素，使金屬均勻變形，使工件(jian)或半(ban)成(cheng)品(pin)的(de)成(cheng)形成(cheng)為可能，如(ru)冷拔鋼絲、零件(jian)的(de)沖壓(ya)成(cheng)形。
③ 形變強化(hua)(hua)還可提(ti)高零(ling)件或構件在使(shi)用過(guo)程中的安全性(xing)，零(ling)件的某些部位出現(xian)應力集中或過(guo)載(zai)現(xian)象時，使(shi)該處(chu)產生(sheng)塑性(xing)變形，因加工硬化(hua)(hua)使(shi)過(guo)載(zai)部位的變形停止從而(er)提(ti)高了安全性(xing)。
（2）弊：
① 形(xing)變(bian)強(qiang)化也給材料生產和(he)使(shi)用(yong)帶來(lai)麻(ma)煩，變(bian)形(xing)使(shi)強(qiang)度升高、塑性降低，始繼續變(bian)形(xing)帶來(lai)困難，需要消耗更(geng)多的(de)功率。
② 為了(le)能(neng)讓材料(liao)繼(ji)續變形，中間(jian)需要進(jin)行再結晶退火，使材料(liao)可以繼(ji)續變形而不至開裂(lie)，增加(jia)了(le)生產成本。
二、固溶強化
01 定義
隨(sui)溶(rong)質原子含量的(de)增加(jia)，固(gu)溶(rong)體的(de)強度、硬度升高(gao)，塑性(xing)、韌(ren)性(xing)下降的(de)現(xian)象叫(jiao)固(gu)溶(rong)強化。
02 機(ji)理
（1） 溶質原子的溶入，使固(gu)溶體的晶(jing)格發生(sheng)畸(ji)變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用。
（2） 位(wei)錯線(xian)上偏聚的溶質(zhi)原(yuan)子形成的柯氏(shi)氣團對位(wei)錯起釘扎(zha)作用(yong)，增加了位(wei)錯運(yun)動的阻力。
（3） 溶質原子在層錯(cuo)區(qu)的偏(pian)聚阻礙(ai)擴(kuo)展位錯(cuo)的運(yun)動。所有阻礙(ai)位錯(cuo)運(yun)動，增加(jia)位錯(cuo)移動阻力的因素(su)都可使強(qiang)度提高。
03 規律(lv)
①在固溶體溶解度范圍(wei)內，合金(jin)元素(su)的質量分數越大，則強化作用越大
②溶質原子與(yu)溶劑原子的(de)尺寸相差越(yue)大，強化(hua)效果越(yue)顯著。
③形成間隙固溶(rong)體(ti)的溶(rong)質(zhi)元素的強化作用大于形成置(zhi)換固溶(rong)體(ti)的元素
④溶質(zhi)原子與(yu)溶劑原子的價電子數相差(cha)越大(da)，強(qiang)化作用越大(da)。
04 方法(fa)
合(he)金(jin)化，即加入合(he)金(jin)元(yuan)素(su)。
05 例子
銅(tong)鎳(nie)合金的強(qiang)度大于(yu)銅(tong)和鎳(nie)純金屬的強(qiang)度。
三、細晶強化
01 定義
隨晶粒(li)尺寸的減小，材(cai)料的強度(du)、硬度(du)升高，塑性、韌性也得到改(gai)善的現象稱為(wei)細晶強化。
02 機制(zhi)
其原(yuan)理在于晶(jing)(jing)(jing)界(jie)對(dui)位(wei)錯滑(hua)移的(de)阻滯效應(ying)。對(dui)于多晶(jing)(jing)(jing)體(ti)來說(shuo)，位(wei)錯運動必(bi)須克服晶(jing)(jing)(jing)界(jie)的(de)阻力，這是由于晶(jing)(jing)(jing)界(jie)兩側位(wei)錯的(de)取向不同，所(suo)以在某一個晶(jing)(jing)(jing)粒中，滑(hua)移的(de)位(wei)錯不能(neng)直接穿(chuan)越晶(jing)(jing)(jing)界(jie)進入相鄰的(de)晶(jing)(jing)(jing)粒，只有(you)在晶(jing)(jing)(jing)界(jie)處塞積(ji)了(le)大(da)量的(de)位(wei)錯后引起應(ying)力集(ji)中，才(cai)能(neng)激發相鄰晶(jing)(jing)(jing)粒中已(yi)有(you)位(wei)錯的(de)運動產生(sheng)滑(hua)移。所(suo)以晶(jing)(jing)(jing)粒越細，材(cai)料的(de)強度就越高。
03 規(gui)律(lv)
晶(jing)粒(li)越細，晶(jing)界面(mian)積越大，根據(ju)霍(huo)爾-佩奇(qi)公式，晶(jing)粒的平均(jun)直徑(jing)d越小，材料(liao)的屈服強(qiang)度(du)σs越高
04 細(xi)化晶粒的方法
①結晶過程中可以(yi)通過增加過冷度，變質(zhi)處(chu)理，振動(dong)及攪拌增加形核率來細化(hua)晶粒；
②對于冷(leng)變(bian)形(xing)的(de)金屬可以(yi)通過控制變(bian)形(xing)度(du)、退火(huo)溫(wen)度(du)來細化晶粒；
③可以通過正火(huo)、退火(huo)的熱處(chu)理方法細化晶(jing)粒；
④可以在鋼(gang)中加入合金元素(su)，形成新相(xiang)從而抑(yi)制(zhi)晶粒長大。
四(si)、第二相強化(hua)
01 定(ding)義
在金屬基體中還(huan)存(cun)(cun)在另外一個(ge)或幾個(ge)其他的(de)相(xiang)(xiang)，這些(xie)相(xiang)(xiang)的(de)存(cun)(cun)在使金屬的(de)強度(du)得到提高。因(yin)獲(huo)(huo)得第(di)二(er)相(xiang)(xiang)的(de)工(gong)藝(yi)不同，第(di)二(er)相(xiang)(xiang)強化(hua)分為：①沉淀強化(hua)：通(tong)過相(xiang)(xiang)變熱處(chu)理(li)獲(huo)(huo)得第(di)二(er)相(xiang)(xiang)②彌散強化(hua)：通(tong)過粉末(mo)燒結或內(nei)氧化(hua)獲(huo)(huo)得第(di)二(er)相(xiang)(xiang)。
02 機制
位(wei)錯(cuo)在(zai)運動過(guo)程中遇到(dao)第二相(xiang)，需要繞過(guo)或切過(guo)第二相(xiang)，從而第二相(xiang)阻(zu)礙了位(wei)錯(cuo)的運動，使得(de)材料的強(qiang)度(du)提高。
03 例子
鋼(gang)中滲碳體的(de)存(cun)在使(shi)鋼(gang)的(de)強度得到(dao)提高。