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「材料课堂」金属的四种强化机制

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金属的强化是指通过合金化、塑性变形、热处理等手段提高金属材料的强度。金属的实际强度只有理论强度的几十分之一,甚至几千分之一。为了提高金属的强度,常用的强化方法有形变强化、固溶强化、第二相强化、析出强化。

「材料课堂」金属的四种强化机制

典型的金属材料拉伸曲线

1、 形变强化

  • 随变形程度的增加,材料的强度、硬度升高,塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
  • 随塑性变形的进行,位错密度不断增加,导致位错运动时的相互作用增强,位错运动阻力增大,变形抗力增加,从而提高金属的强度。
  • 变形程度增加,位错密度不断增加,根据公式Δσ=αbGρ1/2 ,强度与位错密度(ρ)的二分之一次方成正比,位错的柏氏矢量(b)越大强化效果越显著。
  • 通常采用冷变形(挤压、滚压、喷丸等)的方法进行强化。形变强化是强化金属的有效方法,尤其对于一些不能用热处理强化的材料;还可以使金属均匀变形,提高零件或构件在使用过程中的安全性。
  • 形变强化也给材料生产和使用带来麻烦,变形使强度升高、塑性降低,需要进行再结晶退火,增加生产成本。
「材料课堂」金属的四种强化机制

位错塞积示意图

2、 固溶强化

  • 固溶强化的实质是将合金元素溶入基体相中形成固溶体,由于两者原子半径的差异及晶格改变造成内部晶格畸变,使金属的强度、硬度升高,塑性、韧性下降。
  • 固溶强化的机理一是溶质原子使固溶体的晶格发生畸变,对滑移面上运动的位错有阻碍作用;二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用,增加了位错运动的阻力;三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
  • 在固溶体溶解度范围内,合金元素的质量分数越大,则强化作用越大;溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大,强化效果越显著;形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素;溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大,则强化作用越大。
  • 固溶强化通常采用的方法是合金化,即加入合金元素。
「材料课堂」金属的四种强化机制

固溶体示意图

3、第二相强化

  • 第二相强化一般指各种化合物质点。通过各种手段使第二相质点弥散分布,可以阻碍合金内部的位错运动,从而提高屈服强度和抗拉强度。目前工业上使用的合金大都是复相或多相合金,其显微组织为在固溶体基体上分布着第二相(过剩相)。
  • 钢中第二相的形态主要有三种,即网状、片状和粒状。网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C,降低的钢机械性能,塑性、韧性急剧下降,强度也随之下降。
  • 第二相为片状分布时,片层间距越小,强度越高,塑性、韧性也越好。第二相为粒状分布时,颗粒越细小,分布越均匀,合金的强度越高,第二相的数量越多,对塑性的危害越大;
  • 沿晶界析出时,不论什么形态都降低晶界强度,使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。
  • 第二相强化的方法通常是加入合金元素,然后通过热处理或塑性加工第二相的形态及分布。
「材料课堂」金属的四种强化机制

4、细晶强化

  • 细晶强化:随晶粒尺寸的减小,材料的强度硬度升高,塑性、韧性得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒可以同时提高强度,改善钢的韧塑性,是一种较好的强化材料的方法。
  • 合金的晶粒越细小,内部晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性、原子能量高的这一特点,对材料进行强化。根据霍尔-配奇关系式,晶粒的平均直径越小,材料的屈服强度越高。
  • 细化晶粒的方法主要有:结晶过程中增加过冷度,变质处理,振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。冷变形金属通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。通过正火、退火的热处理方法细化晶粒;在钢中加入强碳化物物形成元素等。
  • 晶粒尺寸小于临界尺寸dc时,会出现反霍尔-佩奇现象,即强度随晶粒尺寸的减小而减小。
「材料课堂」金属的四种强化机制

反霍尔-佩奇现象

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