金屬材料的四種強(qiáng)化方式
2021-08-23 03:36:09
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一、形變強(qiáng)化（或應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強(qiáng)化或加工硬化。
02 機(jī)理
隨著塑性變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度不斷增加，因此位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度
規(guī)律：變形程度增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯(cuò)密度不斷增加，根據(jù)公式
，可知強(qiáng)度與位錯(cuò)密度ρ的二分之一次方成正比，位錯(cuò)的伯氏矢量b越大，強(qiáng)化效果越顯著。
，可知強(qiáng)度與位錯(cuò)密度ρ的二分之一次方成正比，位錯(cuò)的伯氏矢量b越大，強(qiáng)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(qiáng)度成倍增加。
05 形變強(qiáng)化的實(shí)際意義（利與弊）
（1）利：
① 形變強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的有效方法，對(duì)一些不能用熱處理強(qiáng)化的材料，可以用形變強(qiáng)化的方法提高材料的強(qiáng)度，可使強(qiáng)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(qiáng)化還可提高零件或構(gòu)件在使用過(guò)程中的安全性，零件的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或過(guò)載現(xiàn)象時(shí)，使該處產(chǎn)生塑性變形，因加工硬化使過(guò)載部位的變形停止從而提高了安全性。
（2）弊：
① 形變強(qiáng)化也給材料生產(chǎn)和使用帶來(lái)麻煩，變形使強(qiáng)度升高、塑性降低，始繼續(xù)變形帶來(lái)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(jìn)行再結(jié)晶退火，使材料可以繼續(xù)變形而不至開(kāi)裂，增加了生產(chǎn)成本。
二、固溶強(qiáng)化
01 定義
隨溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化。
02 機(jī)理
（1） 溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對(duì)滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)有阻礙作用。
（2） 位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。
（3） 溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)的偏聚阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。所有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)移動(dòng)阻力的因素都可使強(qiáng)度提高。
03 規(guī)律
①在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強(qiáng)化作用越大
②溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸相差越大，強(qiáng)化效果越顯著。
③形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素
④溶質(zhì)原子與溶劑原子的價(jià)電子數(shù)相差越大，強(qiáng)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(qiáng)度大于銅和鎳純金屬的強(qiáng)度。
三、細(xì)晶強(qiáng)化
01 定義
隨晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。
02 機(jī)制
其原理在于晶界對(duì)位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng)。對(duì)于多晶體來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)必須克服晶界的阻力，這是由于晶界兩側(cè)位錯(cuò)的取向不同，所以在某一個(gè)晶粒中，滑移的位錯(cuò)不能直接穿越晶界進(jìn)入相鄰的晶粒，只有在晶界處塞積了大量的位錯(cuò)后引起應(yīng)力集中，才能激發(fā)相鄰晶粒中已有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移。所以晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度就越高。
03 規(guī)律
晶粒越細(xì)，晶界面積越大，根據(jù)霍爾-佩奇公式
，晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強(qiáng)度σs越高
，晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強(qiáng)度σs越高04 細(xì)化晶粒的方法
①結(jié)晶過(guò)程中可以通過(guò)增加過(guò)冷度，變質(zhì)處理，振動(dòng)及攪拌增加形核率來(lái)細(xì)化晶粒；
②對(duì)于冷變形的金屬可以通過(guò)控制變形度、退火溫度來(lái)細(xì)化晶粒；
③可以通過(guò)正火、退火的熱處理方法細(xì)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(zhǎng)大。
四、第二相強(qiáng)化
01 定義
在金屬基體中還存在另外一個(gè)或幾個(gè)其他的相，這些相的存在使金屬的強(qiáng)度得到提高。因獲得第二相的工藝不同，第二相強(qiáng)化分為：①沉淀強(qiáng)化：通過(guò)相變熱處理獲得第二相②彌散強(qiáng)化：通過(guò)粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得第二相。
02 機(jī)制
位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到第二相，需要繞過(guò)或切過(guò)第二相，從而第二相阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得材料的強(qiáng)度提高。
03 例子
鋼中滲碳體的存在使鋼的強(qiáng)度得到提高。