金属材料的四种强化方式

3088

固溶强化
1. 定义
合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。

4 C+ b4 D( @3 T2. 原理
溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
: f& [/ }) O5 H+ H  m& H% x
3. 影响因素
* K+ N1 r& k+ o) f3 |& y! d溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。

间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
( i/ p* \1 p  p3 a& D; h+ Z0 m0 M
4. 固溶强化的程度
主要取决于以下因素：
（1）基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
+ F1 v+ ~8 `# s. O) ], o) a
8 O3 z+ i* N4 O& o8 X* R7 j（2）合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。

$ ?6 J& b; l" ~1 Z' R( U（3）间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
* `: Q/ s0 g- B3 J( V
/ l& Z2 c3 y: k( A* w（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。

5. 效果
- b. m3 ~$ q0 S* e' c( a' T, u屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；
6 Z, E  D9 y/ [' ~大部分情况下，延展性低于纯金属；
0 l* [1 r+ W, Y& O导电性比纯金属低很多；
3 b, E. R3 l) @% |抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。
% K/ N7 O0 X2 ?6 o
- x& Y! q( s! Z加工硬化
  @5 a9 b, }7 z. n: h1. 定义
$ x- ~3 R( ]' @3 [9 z随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。

2. 简介
" W0 Y1 l1 G! c金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示加工硬化。
$ X5 p- U  i$ q2 \4 I
9 o- b  F* ?$ g" q& l& Z% u3. 从位错理论角度解释
（1）位错间发生交截，产生的割阶阻碍位错运动；
: j4 u! A) X8 ]. [* u% Y（2）位错间发生反应，形成的固定位错阻碍位错运动；
6 ^; ]# a6 C/ M# ?（3）位错发生增殖，位错密度增加使位错运动阻力进一步增大。
. g# i2 _2 Q/ M- T0 k! m) t
4. 危害
6 A( L8 k8 i0 b& C+ U! N加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。

+ z4 r+ i' Q* b5. 好处
它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。又如坦克、拖拉机的履带、破碎机的颚板和铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。

6. 在机械工程中的作用
4 [" {* ?! ?$ T3 E. F经过冷拉、滚压和喷丸（见表面强化）等工艺，能显著提高金属材料、零件和构件的表面强度；

8 Z  }6 h) j8 [0 m: H+ q9 X零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；
7 J/ {0 W0 q7 p1 W; @+ l
0 k, `, v$ q; g6 n# k金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面变形均匀一致的冷冲压件；

可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝，由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力，加速刀具磨损等。

) |; `  w3 w  \! e& ?1 w* Y+ @细晶强化
" d6 f6 n0 c' S1. 定义
( C0 M! E5 Y. B! X. H6 L) R通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上通过细化晶粒以提高材料强度。
4 ^3 z' Q+ y- s" \2 P) A
/ K/ ~1 p. A6 x+ O. z0 \2. 原理
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

+ n) z( P( |5 V% v' C6 F3. 效果
. T9 c: \) [8 R晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，应力集中越小，材料的强度越高；

) \/ s5 Y: t& X# g7 Y细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
7 K0 f- P- S5 h) L
4. 细化晶粒的方法
7 S: ]1 ?1 M0 I8 R( _增加过冷度；
+ c8 f, C; |& ^9 H" g6 O9 D: r. Q- z+ ^变质处理；
8 j8 e$ z6 ~! \( p4 W  C1 P振动与搅拌；
) V7 p. R' R: [4 @* {对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。

第二相强化
% H: h$ M) ^& k1 e; h1. 定义
复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相的存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。
8 ~  G. S- Q  g) N
% l2 s" T% I% k8 t8 ~. @2. 分类
对于位错的运动来说，合金所含的第二相有以下两种情况：
（1）不可变形微粒的强化作用（绕过机制）。  
（2）可变形微粒的强化作用（切过机制）。
% ~' ^3 o" |% O* ?; i4 R+ b( z（3）弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。
/ k: i! h+ y* z
3. 效果
第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。

总结
影响强度的因素中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。

& T- d$ [. W. {) m* [金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。另一强化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、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。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。
) J& z; B" o7 _% h1 \( h  u