工程材料强化方法综述

工程材料强化方法综述

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【摘要】本文主要包括金属固溶体强化，第二项强化，形变强化，细化晶粒强化，热处理强化以及表面热处理和化学热处理等。

【关键词】固溶体位错细化晶粒退火正火淬火回火

【作者简介】李洪民机制本科班

引言

随着现代科技的发展，越来越多的材料被运用到日常的生活生产之中，这就使得强化和处理材料成为工程材料应用的重要问题之一，通过各类强化和处理手段，既可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力又可以获得一些特殊要求的性能，以满足各种各样使用条件下对材料的要求。

1.固溶体强化

1.1固溶体定义及表示方法

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。

1.2.固溶体的分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子; 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。

1.3.固溶体强化机理

固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。

2.金属化合物强化（第二相强化）

复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。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。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。使得合金强度、硬度和耐磨性都有所提高。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。（2）、可变形微粒的强化作用。

弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。

3.形变强化

金属在冷变形过程由于位错使得强度和硬度提高但塑性下降，该现象被称为加工硬化。多用于不可热处理强化的金属材料。

4.细化晶粒强化

金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒的大小对金属的力学性能物理性能和化学性能均有很大影响细晶组织的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好。这是因为，晶粒越细一定体积中的晶粒数目越多，在同样的变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀不致产生应力集中的现象。此外，晶粒细化，晶界就越多，越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现较高的塑性和韧性。常见细化晶粒方法如下：

（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。

（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。这种方法在工业生产中得到了广泛的应用。如铸铁中加入硅、钙等。

（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。5.热处理强化

5.1普通热处理

钢的最普通热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等。

5.1.1、钢的退火

退火是将刚加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛抷和半成品零件，为预备热处理。退火后获得珠光体型组织。退火的主要目的是：软化钢材以利于切削加工：消除内应力以防止工件变形：细化晶粒改善组织，为零件的最终热处理做好准备。主要退火方式有完全退火，等温退火，球化退火，均匀化退火，去应力退火及再结晶退火。

5.1.2、钢的正火

将钢加热到Ac3以上30到50摄氏度，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺叫正火。与退火相比，正火的生产周期短，节约能量，而且操作简便，冷却速度较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。生产中常优先采用正火工艺。

正火的主要应用范围有：①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。

⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。⑦过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。

5.1.3、钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间，冷却后获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。淬火是钢的最有效最经济的强化手段之一。

5.1.4、回火

回火是将淬火钢加热到Ac1一下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。回火是淬火的后续工序。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，防止工件变形或开裂，稳定工件尺寸及获得工件所需的组织和性能。淬火后钢的坐直是不稳定的，具有向稳定组织转变的自发倾向。加热回火加速了这个自发转变的过程。

用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有提高。②弹簧在350～500℃下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。

③中碳结构钢制作的零件通常在500～600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。

5.2表面热处理

5.2.1、表面淬火