金属材料的强化方法
金属材料的强化方法
金属的五种强化机制及实例溶强化⑴纯金属加入合金组元变为固溶体，其强度、硬度将升高而塑性将降低，这个现象称为固溶强化.（2）固溶强化的机制是：金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大，从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后，不仅使晶格发生畸变，同时使位错密度增加.畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金组元的原子聚集在位错线周围形成"气团"。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来使位错滑移所需的切应力增大.（3）实例：表1列出了几种普通黄铜的强度值，它们的显微组织都是单相固溶体，但含锌量不同，强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时，应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素，例如在铝合金中加入铜、镁；在镁合金中加入铝、锌;在铜合金中加入锌、铝、锡、镍；在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度（退火状态）表1儿种普通黄铜的强度（退火状态）对同一种固溶体，强度随浓度增加呈曲线关系升高见图1。
在浓度较低时，强度升高较快，以后渐趋平缓，大约在原子分数为50 %时达到极大值。
以普通黄铜为例:H96的含锌量为4 % , ob为240MPa ,与纯铜相比其强度增加911 %;H90的含锌量为10 % , ob为260MPa ,与H96相比强度仅提高813 %.2 细晶强化素都对位错滑移产生很大的阻碍作用，从而使强度升高.晶粒越细小，晶界总面积就越大，强度越高，这一现象称为细晶强化。
（2）细晶强化机制: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.⑶实例:ZG35CrMnSi钢强化工艺工件铸造后经过完全退火，正火，再进行亚温淬火加高温回火热处理.该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。
金属的强化方法及机理
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
例如：自行车链条板(16Mn钢板)
原始厚度3.5mm
150HB
五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系：
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。
σs ——开始发生塑性变形的最小应力
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。
2、加工硬化机制
金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
金属材料强化方法
金属材料强化方法金属材料的强化是指通过制造工艺、合金化、热处理等手段，使金属材料的力学性能显著提高的方法。
金属材料的强化可以分为几种方式，包括晶粒细化、位错增多、相变强化、析出相强化等。
下面将详细介绍这几种金属材料强化方法。
首先，晶粒细化是金属材料强化中最常用的方法之一。
通过减小材料的晶粒尺寸，可以显著提高材料的强度和硬度。
晶粒细化可以通过加热和快速冷却等热处理工艺实现，例如快速冷却可以使晶粒尺寸减小，从而提高材料的力学性能。
其次，位错增多也是一种重要的金属材料强化方法。
位错是金属材料中的一种缺陷，位错的增多会增加材料的强度和硬度。
而通过冷变形等加工工艺，可以在材料中引入更多的位错，从而实现强化。
此外，相变强化也可以在金属材料中实现强化。
相变是指材料中的晶体结构由一种类型转变为另一种类型的过程。
不同晶体结构具有不同的力学性能，通过控制相变可以实现材料的强化。
例如，淬火是一种常用的相变强化方法，它可以通过快速冷却使材料的晶体结构发生变化，从而提高材料的强度和硬度。
最后，析出相强化也是一种常用的金属材料强化方法。
析出相是指在合金中形成的一种新的晶体结构，其在晶界和位错附近起到了强化的作用。
通过调整材料中的合金元素含量和热处理工艺，可以促使析出相的形成，从而实现材料的强化。
例如，通过添加适量的合金元素，可以在金属材料中形成均匀分布的析出相，从而提高材料的强度和硬度。
总结起来，金属材料的强化可以通过晶粒细化、位错增多、相变强化和析出相强化等方法实现。
这些方法在工程实践中得到了广泛的应用，可以显著提高金属材料的力学性能，满足不同工程需求。
此外，不同的强化方法可以组合应用，以进一步提高金属材料的性能。
金属材料强化机制
金属材料强化机制金属材料在力学上有许多优异的性能，如强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等。
然而，这些性能并非所有金属都具备，因此需要通过强化机制来提高金属材料的性能。
强化机制主要有以下几种：一、细晶强化细晶强化是通过细化晶粒来提高金属材料的强度和韧性。
晶界是阻碍位错运动的重要因素，晶粒越细小，晶界就越多，阻碍位错运动的能力就越强，材料的强度和韧性就越好。
细晶强化是金属材料强化的一种重要手段，除了提高强度和韧性外，还可以提高材料的耐腐蚀性和高温性能。
二、固溶强化固溶强化是通过添加合金元素来提高金属材料的强度和硬度。
合金元素溶入基体金属中形成固溶体，这些元素会阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。
固溶强化在提高材料强度的同时，对材料的韧性影响较小，因此固溶强化材料通常具有较好的综合性能。
三、形变强化形变强化是通过塑性变形来提高金属材料的强度和硬度。
塑性变形会使位错密度增加，位错之间的相互作用增强，从而提高材料的强度和硬度。
形变强化可以提高材料的强度和硬度，但同时也会降低材料的韧性。
因此，形变强化需要在保证材料强度的同时，尽可能减小对材料韧性的影响。
四、相变强化相变强化是通过相变来提高金属材料的强度和硬度。
一些金属材料在相变过程中，会伴随着体积的变化和晶格结构的改变，这些变化会阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。
相变强化通常会伴随着材料质量的降低和韧性的下降，因此需要在保证材料强度的同时，尽可能减小对材料韧性的影响。
五、复合强化复合强化是通过结合两种或多种强化机制来提高金属材料的强度和韧性。
例如，可以将细晶强化和固溶强化结合起来，通过细化晶粒和添加合金元素来同时提高材料的强度和韧性。
复合强化可以充分发挥不同强化机制的优势，达到更好的强化效果。
总之，金属材料的强化机制有多种，可以根据不同的需求选择合适的强化方法。
细晶强化、固溶强化、形变强化、相变强化和复合强化是常用的强化方法，可以单独使用或组合使用。
金属材料的强化方法
(4)相变强化。含金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构．使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类：
1)沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3．NbC等，二是六方晶系，如M02、W2C、wc等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。
(6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如：
1)固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。
2)结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。
3)马氏体强化+表面形变强化。对ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ些承受疲劳裁荷的构件，常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。
4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用．进一步提高材料的高温强度。
金属材料的强化方法
金属材料的强化途径，主要有以下几个方面；
(1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：
1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化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，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
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。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；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。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；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。
二．固溶强化定义：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。
原理：融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。
这种通过融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。
影响因素（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
金属材料强化的途径
应变
许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变 形都属于弹性变形； 几乎没有塑性变形， l1 l0 100 %
l0 这些材料的冲击功很小；
应用受到极大的限制（如陶瓷Al2O3、ZrO2、Si3N4 等）。
2、金属材料的应力与应变关系
它在断裂前通常有大量塑性变形；
实验证明：这种变形是晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面与晶向的相对滑动。
τ
a.表示两个相邻的滑 移面受切应力作用
τ
b.表示滑移的一个过 渡态（或亚稳态）
c.表示经过b.态到达 另一个稳定态
3、晶体屈服强度的估算
假定晶体的滑移是刚性（整体）的，根据塑性变 形是由某些晶面相对滑动的事实，可以估算出晶体 的屈服强度：
晶体从一稳定状态a，经过亚稳状态b，到达另一 稳定状态c，这样一个滑动的结果使晶面相对滑动了 一个原子距离;
溶质原子在固溶体中的分布是不均匀的
1）实验现象（如屈服现象）用溶质原子均匀分布
模型无法解释；
2）溶质原子B加入溶剂中，由 A---A
εaa
于两种原子之间的键合力与 A---B
εab
相互之间的键合力不一样，
就会产生局部偏聚和有序的 B---B
εbb
现象。
3）实际晶体中存在着大量点阵缺陷、晶界和亚晶界、 层错、位错等。这些缺陷影响所及的区域都是高能 区域，为了降低系统的能量，溶质原子有可能优先 分布在点阵缺陷的附近，形成晶界的内吸附和位错 周围的原子气团。
为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种 种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
强化金属材料的思路 1）点阵阻力：
移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡 位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运 动时所受的摩擦阻力； 2）点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键 合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高， 所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构 成了位错运动的主要障碍； 3）对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不 足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力 时可以把这个因素忽略的；
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变
有色金属的强度一般较低。
例如常用的有色金属铝、铜、钛在退火状态的强度极限分别只有80100MPa 、220MPa 和450600MPa 。
因此设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。
目前工业上主要采用以下几种强化有色金属的方法。
1 固溶强化纯金属由于强度低很少用作结构材料在工业上合金的应用远比纯金属广泛。
合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。
形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变但晶体结构的基本类型不变。
固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。
绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。
替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。
间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。
纯金属一旦加入合金组元变为固溶体其强度、硬度将升高而塑性将降低这个现象称为固溶强化。
固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后不仅使晶格发生畸变同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来使位错滑移所需的切应力增大。
此外合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷使位错线弯曲从而使位错滑移的阻力增大。
在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用也是固溶强化的原因之一。
固溶强化遵循下列规律: 第一对同一合金系固溶体浓度越大则强化效果越好。
表1 列出了几种普通黄铜的强度值它们的显微组织都是单相固溶体但含锌量不同强度有很大差异。
金属强化的基本途径及原理
金属强化的基本途径及原理
金属强化是指通过各种方法使金属材料具有更高的强度和硬度。
金属强化的基本途径和原理包括以下几种：
1. 晶体缺陷控制：通过改变金属材料的晶体结构和缺陷，如晶粒尺寸、晶界、位错等，来增加材料的强度。
常见的方法有冷变形、退火和合金化等。
2. 固溶体强化：通过添加合金元素，使其与基体金属形成固溶体。
固溶体的形成可以引起晶格畸变、降低位错移动速度、限制晶界扩张等效应，从而提高金属的强度和硬度。
3. 相变强化：通过控制金属材料的相变行为，如固态相变、析出相变等，来改变材料的结构和性能。
相变可以引起晶粒细化、形成弥散相，从而提高金属的强度和硬度。
4. 变形强化：通过应用外力使金属发生塑性变形，如拉伸、压缩、弯曲等，来改变材料的晶体结构和缺陷。
变形过程中会引起位错的运动和堆积，使晶粒变细、晶界增多，从而提高金属的强度和硬度。
5. 织构强化：通过控制金属材料的晶体排列方向和晶体取向，来改变材料的力学性能。
织构能够引起晶粒的取向效应和加工显微组织的优化，从而提高金属的强度和韧性。
总体而言，金属强化的基本原理是通过改变金属材料的晶体结
构、缺陷和相变行为，来调控材料的力学性能。
不同的金属强化方法可以相互结合应用，以达到最佳的强化效果。
金属材料的四种强化方式
一、形变强化（或应变强化，加工硬化）01定义材料屈服以后，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。
02机理随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式，可知强度与位错密度ρ的二分之一次方成正比，位错的伯氏矢量b越大，强化效果越显著。
03方法冷变形，比如冷压、滚压、喷丸等。
04例子冷拔钢丝可使其强度成倍增加。
05形变强化的实际意义(利与弊)（1）利：①形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料，可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加。
②是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形。
③形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
（2）弊：①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，始继续变形带来困难，需要消耗更多的功率。
②为了能让材料继续变形，中间需要进行再结晶退火，使材料可以继续变形而不至开裂，增加了生产成本。
二、固溶强化01定义随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。
02机理(1) 溶质原子的溶入，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。
(2) 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。
(3) 溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻碍位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
03规律①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②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，强化效果越显著。
金属的强化方法有
金属的强化方法有
以下是金属的强化方法：
1. 冷加工硬化：将金属制品加工成需要的形状，从而增强其强度和硬度。
2. 熱处理強化：在一定的温度下加热和冷却，从而改善金属的晶体结构和强度。
3. 淬火：将金属加热到一定温度后迅速冷却，以改善金属结构和硬度。
4. 火焰喷涂：使用火焰和金属粉末将金属涂覆在另一个金属表面上，以提高其强度。
5. 热喷涂：在高温下将金属熔化并喷射到另一个金属表面上，形成一个密实的涂层，以增强其耐磨性和强度。
6. 离子注入：将金属暴露在离子束下，以在表面形成一层更硬、更耐磨的层，以增强其强度。
7. 镀层：在金属表面上镀层另一个金属或化合物，以形成一层可靠的防护层，以防止腐蚀和耐磨。
8. 等离子喷涂：使用等离子体将金属以及其他材料喷涂在金属表面，以改善其
性能并增强耐用性。
金属强化的四种途径
金属强化的四种途径以金属强化的四种途径为标题，写一篇文章：一、晶界强化晶界是金属晶体中相邻晶粒的交界面，晶界强化是通过优化晶界的结构和性质来提高金属的强度和硬度。
晶界可以被视为金属中的缺陷，因为晶界处原子的排列有一定的不规则性，容易发生位错和滑移。
通过控制晶界的数量、角度和尺寸等因素，可以增加位错的阻碍和滑移的距离，从而提高金属的抗变形能力。
此外，通过添加合适的合金元素或进行热处理等方式，还可以改善晶界的稳定性和强度，进一步增强金属的力学性能。
二、固溶强化固溶强化是通过向金属中加入其他金属元素形成固溶体来提高金属的强度和硬度。
当溶质原子添加到金属基体中时，它们会扩散到晶界、位错线和晶内空隙等缺陷处，阻碍位错的移动和滑移，从而增加金属的抗变形能力。
此外，溶质原子还可以改变金属的晶体结构，形成固溶体间的相互作用和固溶体与基体之间的互作用，进一步增强金属的力学性能。
固溶强化是一种常用且有效的金属强化方法，广泛应用于各种金属材料的制备中。
三、位错强化位错是金属晶体中的一种线状缺陷，是金属材料中最主要的塑性变形机制之一。
位错强化是通过增加位错的密度和运动阻力来提高金属的强度和硬度。
位错密度的增加可以通过冷变形、滚轧、拉伸等加工过程来实现，这些过程可以引入大量的位错，并形成位错堆积。
位错运动的阻力可以通过固溶强化、析出硬化、相变硬化等方式来增加，这些方式可以改变位错的运动路径和速度，从而提高金属的抗变形能力。
位错强化是一种有效的金属强化手段，尤其适用于高强度和高塑性要求的金属材料。
四、相变强化相变强化是通过控制金属材料的相变过程来提高其强度和硬度。
相变是金属中晶体结构的变化，可以导致晶体中的位错密度增加、晶界运动受阻和晶粒细化等效应，从而提高金属的力学性能。
常见的相变包括固溶体相变、析出相变和相变硬化等。
固溶体相变可以通过合金元素的固溶和析出来实现，析出相变可以通过热处理和时效等方式来实现，而相变硬化可以通过控制金属的冷却速率和变形温度等参数来实现。
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化
金属的五种强化机制及实例1 固溶强化(1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
（2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
（3）实例：表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。
在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。
以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。
2 细晶强化(1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。
晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。
(2) 细晶强化机制：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。
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法金属材料的强化方法是通过改变金属的晶体结构和微观缺陷，以提高其力学性能和耐用性。
主要的强化方法包括固溶强化、析出强化、变形强化、织构强化和表面强化。
固溶强化是通过将合金元素溶解于金属基体中，形成固溶体来提高金属材料的强度。
常见的固溶强化元素包括碳、氮、硬质合金、稀土元素等。
固溶强化可以使金属材料的晶体结构变得更加均匀稳定，从而提高其抗拉强度和硬度。
析出强化是通过在金属基体中形成微小的析出相来增加金属材料的抗拉强度和耐热性能。
析出相的形成是通过合金元素在金属基体中沉淀形成新的晶体结构。
常见的合金元素有铝、钛、锆等。
析出相的尺寸和分布对材料的强度和硬度具有重要影响。
变形强化是通过应变处理来增加金属材料的强度。
变形强化的核心原理是通过塑性变形形成的位错和晶界来阻碍位错的移动，从而增加金属材料的抗变形能力。
常见的变形强化方法包括冷加工、等温变形、轧制、拉伸等。
变形强化的效果与变形程度、变形速度和变形温度有关。
织构强化是通过改变金属材料的晶体取向和晶界分布来提高其力学性能。
织构是指材料内晶体取向的相对分布，不同取向的晶体具有不同的力学性能。
通过控制材料的织构，可以使材料在特定方向具有优异的力学性能。
常见的织构强化方法包括冷轧、热轧、拉伸等。
表面强化是通过改变金属材料表面的组织和结构来提高其表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。
常见的表面强化方法包括表面沉淀硬化、表面沉积涂层、表面喷涂处理、表面机械处理等。
表面强化可以提高金属材料的使用寿命和适应特定工作环境的能力。
综上所述，金属材料的强化方法包括固溶强化、析出强化、变形强化、织构强化和表面强化。
不同的强化方法可以根据具体应用需求选择和组合使用，以提高金属材料的力学性能和耐用性。
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法可以分为以下几种：
1. 冷变形强化：通过冷加工（如冷轧、冷挤压、冷拉伸等）使金属材料发生塑性变形，从而得到更高的强度和硬度。
2. 固溶强化：将合金元素加入金属材料中，通过固溶反应形成固溶体，增加晶格的应变能，使材料的强度提高。
常见的固溶强化方法有固溶时效和固溶微合金化。
3. 晶粒细化：通过方法如冷变形、热处理等改变材料的晶粒尺寸，使晶界数量增多，从而提高晶界强度和杂质团聚能力，使材料的强度和硬度提高。
4. 相变强化：通过控制金属材料的相变温度和相变方式，使材料在相变过程中形成更加稳定的相结构，提高材料的强度和硬度。
5. 纳米材料强化：制备出颗粒尺寸在纳米级别的金属材料，由于具有较大的晶界和表面积，导致材料强度和硬度显著提高。
6. 变形温度和速率控制：通过控制材料的变形温度和变形速率，使其在发生塑性变形时得到更高的强度和硬度。
7. 加工硬化：通过工艺性变形（如滚压、挤压、拉伸、弯曲等）使材料内部发生应变堆积，从而提高材料的强度和硬度。
以上方法可以单独应用，也可以组合应用，以实现对金属材料的强化效果。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化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，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
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。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；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。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；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。
二．固溶强化定义：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。
原理：融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。
这种通过融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。
影响因素（1）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。
（2）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。
（3）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。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式金属材料的四种强化方式是：固溶强化、细晶强化、位错强化和相变强化。
这些强化方式可以通过改变金属晶体结构、控制晶粒大小、引入位错和控制相变来提高金属材料的强度和硬度。
固溶强化是指通过固溶体中添加溶质元素来改善金属材料的性能。
溶质元素可以在金属基体中占据空位或替代原子的位置，通过与基体原子发生相互作用来影响金属的晶体结构和力学性能。
溶质元素的添加可以形成固溶体溶解度限度以及形成沉淀相，从而有效地改善金属材料的强度和塑性。
细晶强化是指通过控制金属材料的晶粒尺寸来提高材料的强度和硬度。
晶粒边界是材料中晶粒之间的界面，晶粒越细小，晶界面越多，阻碍位错移动的机会就越多，从而提高材料的强度。
细晶强化可以通过控制冷变形过程中的变形温度、变形速率和变形温度等参数来实现。
位错强化是指通过加入位错（晶体结构缺陷）来提高金属材料的强度。
位错是晶体中的一种阻碍原子位置正常排列的缺陷，位错强化的基本原理是位错产生了一系列应变场，阻碍了位错周围的其他位错的运动，从而提高了材料的强度。
位错强化可以通过冷变形和热处理等工艺实现。
相变强化是指通过金属材料的相变来提高材料的强度和硬度。
相变是指材料从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
相变强化的基本原理是相变过程中晶粒的生长和变化，使得晶体结构得以改善，从而提高材料的性能。
相变强化通常通过热处理来实现，如淬火、时效等。
金属材料的四种强化方式相互作用，可以通过不同的方式和工艺进行组合来实现对材料性能的综合强化。
例如，可以通过固溶强化控制溶质元素的含量和溶解度来改善材料的强度和塑性；通过细晶强化来控制材料的晶粒尺寸，提高材料的强度和硬度；通过位错强化控制位错密度和位错类型来改善材料的强度和耐腐蚀性能；通过相变强化来控制材料的相变过程，调节材料的晶体结构和硬度等。
综合应用这些强化方式，可以实现对金属材料性能的全面改善，满足不同工程应用的要求。
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第五章金属材料的强化方法一、金属材料的基本强化途径许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。
而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。
它在断裂前通常有大量塑性变形。
它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。
但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。
如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。
如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。
各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。
这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。
位错是实际晶体中存在的真实缺陷。
现已可以直接观察到位错。
图5-2 位错结构图5-3 位错参与的滑移过程位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。
由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。
由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。
现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。
这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。
由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。
事实并不是这样。
如图5-4所示。
图5-4 强度和位错与其它畸变可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。
这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。
金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。
流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。
所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算：⎰+=f l d d d l εεεεσσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。
对流变应力有贡献的阻力主要是两类：1）抑制位错源开动的应力，称之源硬化。
2）前面谈到的阻力，这种阻力是位错开始运动之后才起作用的，对位错的运动起着妨碍的作用，称为摩擦阻力。
为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
金属材料中这些阻力（除点阵阻力---移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运动时所受的摩擦阻力）是随组织的变化而大幅度变化的。
一切合金化、加工和热处理所引起的流变应力的提高主要是依靠对组织敏感的阻力的变化来实现的。
点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高，所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构成了位错运动的主要障碍；对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力时可以把这个因素忽略的。
为了寻求强度更高的金属材料，原则上可以沿着下列两条道路进行探索：（1）由于塑性变形是位错在晶体中运动的结果，而位错的易动性又是金属抗变形能力被大大削弱的原因，所以强化金属基本的途径应该是设法提高位错运动的阻力：其一设法改变合金的键合类型，从而提高金属晶体内的点阵阻力，使位错的运动增加困难。
这个方法还没有为人们所采纳，因为当晶体中的点阵阻力足以构成位错运动的主要阻力时，金属键的成分被共价键大量取代了，这样金属所拥有的一些性能上的基本优点（例如良好的塑性）往往就丧失了。
其二设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互作用，从而阻碍位错的运动。
后面要讲的方法会具体提到。
（2）制造无缺陷的完整晶体，使金属实际强度接近于理论强度。
目前尚不能制得大尺寸无位错金属，只能制造极细的金属须或丝，而且晶须的性能极不稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降。
在工业中所采用的方法通常是通过阻止金属晶体中位错的运动，以使金属增强。
二、形变强化例如1，高强度冷拉钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa,这就是用强烈冷变形的方法取得的。
例如2，图5-5为冷变形对工业纯铜性能的影响。
随变形量增大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。
应变强化（形变强化）是对金属常用的方法。
对于不再经受热处理并且使用温度远低于再结晶温度的金属材料，经常利用冷加工手段使金属或合金通过应变强化来提高强度。
在冷变形过程中，金属内位错密度增加，位错之间的交互作用加剧，位错运动阻力增大，从而导致金属的强度、硬度增加。
这种现象称为形变强化或加工硬化。
形变强化的本质在于，形变造成位错的大量增殖，位错之间的交互作用导致其运动愈加困难，从而使金属强度增加。
家庭作业：（1）冷变形金属的组织特点？三、固溶强化（1）固溶强化的一般规律异类原子加入纯金属基体中构成固溶体（固溶体的概念）后，其静强度行为可概括为：1）在应力—应变图上，合金的流变应力以及整个应力—应变曲线都向上提升，合金的应变强化能力一般比纯金属要高。
2）在一般的稀固溶体中，流变（屈服）应力随溶质浓度的变化可以用下式表示：m kc +=0σσ式中：σ--合金的流变应力；σ0—纯金属的流变应力；c---溶质的原子浓度；k 、m---常数，决定于基体和合金元素性质。
3）在同一基体中，不同溶质元素溶解度的大小鲜明地反映出它们强化效果的差异。
在相同的浓度下，强度的增加是随溶质元素溶解度的倒数成正比。
如果进一步分析，就会了解到溶质和溶剂两元素原子尺寸的不同，化学性质的差异，电学性质的区别等因素将直接地从本质上影响固溶体的强度。
为了解释固溶造成强化的原因，最简单的办法是假定溶质原子在固溶体中是理想均匀分布的，由于两类原子在尺寸、化学性质、电学性质等方面的差异，在点阵中任何一个溶质原子的周围都存在弹性应力场，位错在通过这种具有内应力场的晶体点阵的时候自然需要克服更大的阻力，这就是固溶原子造成强化的最简单的理由。
严格说来，用溶质原子均匀分布的模型来解释固溶强化的规律是不合适的，在一些试验现象（如屈服现象）无法解释。
问题在于固溶原子并不是均匀分布的，有两种原因引起溶质原子分布的不均匀性。
1）若B 原子溶入以A 原子为基的金属中，这两种原子自身键合的能力和相互键合的能力往往是不同的。
会引起溶质的偏聚态（如果溶质原子的键合力大，它们常常在小范围内聚合到一起，一般是在某些晶面上偏聚成片状，而偏聚区的周围则成了溶质原子贫化的区域）和有序态（如果异类原子结合的倾向大于同类原子，则两类原子将在几十个以至几百个原子的范围内以一定的排列规律结合着）。
因此，在较大的尺度下观察时，固溶体的分布可以说是无序的，统计均匀的，但在足够小的体积下仍然是呈一定程度规则排列的。
2）另一个造成溶质原子分布不均匀的原因是实际晶体中存在着大量点阵缺陷、晶界和亚晶界、层错、位错等。
这些缺陷影响所及的区域都是高能区域，为了降低系统的能量，合金元素有可能优先分布在点阵缺陷的附近，形成晶界的内吸附和位错周围的原子气团。
因此点阵缺陷的存在更增加了溶质原子分布的微观不均匀性。
固溶体的形变比纯金属需要更大的外力，除了溶质原子应力场的影响外，上面所述的溶质原子分布不均匀的状态也是一个组织因素，有时比前者的作用还大。
可以把这种影响分解为以下几个方面：1）弹性因素：它包括两个内容。
第一个是因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。
它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上（溶质原子会在位错周围形成原子气团，这种气团将能产生与屈服现象有关的一系列效应，就象我们在低碳钢变形时常常看到的那样）。
第二个是由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能。
2）电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。
在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用，从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚。
3）化学因素：层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆垛层错的结构与基体并不相同。
异类原子溶入某基体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是不一样的。
晶体发生塑性变形时，当扩张位错沿滑移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候，上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的变化。
由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所以位错的运动同样要求外界提供更大的能量。
4）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。
引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作为代价的。
5）大量异类原子的溶入可能改变基体的键合力，这点对于面心立方金属也许没有什么影响，因为它的P—N力本身就很小。
但在其它类型的晶体点阵中，P—N力的变化对流变应力的影响也许是不可忽视的因素。
家庭作业：何谓“屈服现象”？为什么低碳钢在变形时会产生这种现象？四、分散强化（沉淀强化）（1）沉淀强化的例子—铝-铜合金的时效在各种工业部门（特别是航空工业）中，高强度铝合金已经得到广泛的应用。
以铝为基的材料取得高强度的基本途径之一是依靠铝的过饱和固溶体的时效硬化。
Al-0.4wt%Cu合金是通过时效处理获得弥散强化效果的典型例子。
时效处理经过三个步骤：第一步：固溶。
首先将合金加热到溶解度曲线以上的α单相区，以获得均匀的α固溶体。
第二步：急冷。
在固溶温度，合金中只含α相。
将其急冷至室温时，原子没有足够的时间扩散至其潜在的形核位置，因而θ相无法形成。
急冷后，合金中依然只含α相，此时，α相中的含铜量大大超过其溶解度，是一种过饱和固溶体。
这是一种非平衡结构。
第三步：时效。
将过饱和的α相加热到低于溶解度曲线的某一温度进行保温，这一温度即为时效温度。
在平衡相θ相形成之前，非平衡相GP区和θ’会形成。