金属材料的强化与韧化
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。
通过改变材料的内制材料性能的目的。
不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。
一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局变。
固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。
（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程位错的交互作用导致致错运动受阻。
溶质相位错的交互作用是二者应力场用。
作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使成弯曲形状。
如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。
x—x＇，A的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。
处于位错线上的少数溶质原子与位互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。
相对于x—x＇的偏离为x在方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。
位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。
在切应力τ动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻。
若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。
由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。
由ABC变为AC，平均位力需要做功为τb(2y)·x/2，故1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。
用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，溶质钉扎将降低的能量为所以设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室 温下也为A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
金属的韧化方法及工艺
1、金属材料的韧化•各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故•促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的•为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性韧化原理•断裂韧性：材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高•提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性•断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高沿晶断裂与晶粒度•由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用•晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大•细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施•合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行•如E n24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，K IC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。
•K IC值：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
•它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
•通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益2、脆性相•脆性相对材料韧性的影响很复杂•①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多•②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性•③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性•④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响脆性相各种几何学参量对韧性影响•①含量(f v)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低•②大小(D) ： D愈大，韧性下降愈多•③间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高•④形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物沿纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差•⑤类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低3、韧性相对韧性的影响•①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止•②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性•③复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。
材料韧化的基本原理
材料的强韧化
相对分子质量增大使分子键的缠结点增多，有利于伸长 率和强度的提高，两者又使高分子材料的冲击韧性获得 改善。
(3) 嵌段共聚与冲击韧性 在玻璃化温度高的链段之间嵌入玻璃化温度低的链段可 发挥良好的配合作用，既保证高的强度和硬度，又又好 的韧性。
(4) 共混与冲击韧性 与橡胶态高聚物掺混的树脂。橡胶颗粒的承载作用
5 强化同时的 增韧(1)位错强化与 Nhomakorabea性和韧性
位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性 。可动的未被锁住的位错对韧性的损害小于 被沉淀物或固溶原子锁住的位错。故提高可 动位错密度对塑性和韧性均有利。
(2)固溶强化与塑性 固溶强化应在保证强度的同时提高塑性 。通过添加合适的合金元素，如，Ni， 可促进交滑移，改善塑性。 另外，调整间隙原子的添加浓度，实现 强度和塑韧性的最佳配合。
三、无机非 金属材料的 韧化机理
ZrO2陶瓷中四方相的ZrO2向单斜相的ZrO2转变，伴 随有体积膨胀。当有较大外应力作用时，基体的约束 作用减弱，促进相变，会引发微裂纹，从而消除应力 集中，吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。
(1) 相变增韧
材料的强韧化
大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。如果在主 裂纹尖端存在相变诱导微裂纹区，由微裂纹吸收 裂纹扩展过程中的能量，则可有效阻止主裂纹的 扩展，起到增韧的目的。
材料的强韧化
(3)细化晶粒 与塑性
细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧性，是 目前公认最佳的实现材料强韧化的途径。
(4)沉淀相颗粒与塑性
沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和 硬度，但可能会明显降低塑性和韧性。尤其 ，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析 出的沉淀相，均显著降低材料塑性。 减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状 和分布状态，可改善材料塑性。
机械制造基础大作业
金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。
关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。
一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：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。
这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。
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。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
下面简要的予以介绍：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，因而可使金属材料得到强化。
同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
（2）提纯强化。
在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。
夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。
采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。
2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
如铜合金。
3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。
金属材料的强韧化机理与实践
• 钨钼的低温再结晶脆性： 在高温下使用的钨钼回到室温附近时表
现严重的脆性，加工过程及使用过程中产生 各种形式的脆性破裂。
产生原因: 本征脆性 间隙杂质在晶界上偏聚
• 钨钼的强韧化途径：
钨合金 抗震钨 稀土钨
纯净化 合金化
钼合金 掺杂钼 稀土钼
三、铝合金的强韧化
• 细晶强化 • 热处理强化 • 第二相粒子强化
细晶强化
• 变质处理
目的: 减少枝晶距及元素偏析,细化晶粒 变质剂: B、Ti、Zr, RE(La,Ce,Pr,Nd,Sc,Er)
微量Sc和Zr添加到Al-Mg-Mn合金中，因显著细化合金的铸态晶拉, 热轧 态合金的拉伸强度和屈服强度分别提高了75~90 MPa和90~94 MPa,而延 伸率仍保持在11%~12%
固溶强化
固溶强化：C原子在面心立方晶格中造成的 畸变呈球面对称，所以C在A中的间隙强化作用属于 弱硬化。置换原子在A中的强化作用比C原子更小。
固溶强化是钢铁材料主要强化手段之一，其 基本内容可归纳为两点：
①间隙式固溶强化对F基体(包括M)的强化效能最大，但对 韧性、塑性的削弱也很显著；
②置换式固溶强化对F强化作用虽然比较小，却不削弱基 体的塑性和韧性。
如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属 的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热 处理新技术方法有以下三种。
①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理
由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提 高，在10-2~1s的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A)状 态，此时A的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达 104℃/s以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一般高频 淬 火 比 较 硬 度 可 高 出 Hv50 ， 而 变 形 只 有 高 频 淬 火 的 1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。
第一章金属热处理2
2. 细晶强化 机制：
塑性变形时粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目 多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位 错源启动，使变形继续；相反，细小晶粒的晶 界处塞积的位错数目少，要使变形继续，须施 加更大的外部作用力，从而体现了细晶对材料 强化的作用。
模型：
Hall-Petch公式： s= i + Ky d-1/2 ,其中，溶质原子 的钉扎作用越强，Ky越大. s为强化效果， i 位错在 金属基体中运动阻力。
位错运动与材料力学性能之间的关系： 只要能阻碍位错滑移，就能提高金属材料的 强度，同时降低了金属的塑性。
线缺陷 — 位错
线缺陷指各种类型的位错（dislocation），
它是在晶体中有一列或若干列原子发生了有规
律的错排后形成的线性点阵畸变区。
位错理论的产生
位错概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来。 1926年弗兰克尔从理论上推算了金属的切变强度。
建立的模型：在外力作用下所有原子同时偏离平
衡位置，做整体切变运动。（要求滑移面上全部的
键同时破断）
宏观描述
微观描述
模型的局限性：实际测出的切变强度值比根据公式计
算出的切变强度值小了2～4个数量级。
1934年G.L.Taylor、M.Polanyi和E. Orowan三人 几乎同时分别提出了位错（dislocation）的模型。 位错概念的提出：人们设想在晶体中存在某些缺陷，
金属材料的韧化原理 改善金属材料韧性断裂的途径是： ① 减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相 数量 ②提高基体塑性，从面可增大在基体上裂纹 扩展的能量消耗； ③增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了 减少应力集中； ④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核 与扩展； ⑤金属材料的各种强化 。
金属材料的强韧化.概要
金属强韧化从机理上划分可分为三种：
(1) 物理强韧化
金属内部晶体缺陷的作用和通生一定
的影响，进而改变金属性能的现象。
(2)化学强韧化
指的是元素的本质决定的因素以及元素 的种类不同和元素的含量不同造成的材料性 能的改变。这里包括了元素之间的相互作用 和结合对性能带来的影响，也包括元素的含 量不同造成的由量变到质变的许多问题。
3、位错强化
（1） 晶体中的位错达到一定值后，位错间 的弹性交互作用增加了位错运动的阻力。可 以有效地提高金属的强度。 流变应力τ 和位错密度的关系： 培莱-赫许公式
（2）加工硬化
4、沉淀相颗粒强化
（1）可变形微粒的强化作用——切割机制 适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。 主要有以下几方面的作用： A 位错切过粒子后产生新的界面，提高了界 面能。 B 若共格的粒子是一种有序结构，位错切过 之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒 子时需要附加应力。
材料的强韧化
主讲人：邵红红
强韧化问题的主要着眼点在于 材料的性能。
调整化学成分 细化晶粒 金属材料的强韧化 形变热处理 复相热处理 下贝氏体强韧化
复习
强度 是材料抵抗变形和断裂的能力。 塑性 表示材料断裂时总的塑变程度。
韧性 是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力， 它是强度和塑性的综合表现。 材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的 多少表示韧性的高低．
图中阴影区域是23刃位错多余半原子面的区域， 如果这段位错沿滑移面移动，必然导致这个多余 半原子面扩大或缩小，即发生位错大攀移。
二、化学强韧化
化学强韧化的核心意义是阐述元素以化
学相互作用方式强韧化的概念、内涵、化学
强化所面对的结合键和材料腐蚀的问题。
第1章：钢的强韧化基本理论
钢位 材 塑 轧 的错 料 性 钢 力理 热 变 工 学论 处 形 艺 性 理金学 能 属 学
生产实践
辽宁科技大学 材料与冶金学院 井玉安 微 控 编制 强 强 奥 变 控
韧 性 能 定 义 和 指 标 韧 化 机 制 氏 体 形 变 2 与 再 结 晶 制 轧 制 的 概 念 及 4 思 想 3 形 条 件 下 的 相 变 合 金 元 素 的 作 用 制 冷 却 的 概 念 及 思 6 想 中 厚 板 上 的 应 用 热 连 轧 带 钢 上 的 应 用 薄 板 坯 连 铸 连 轧 上 的 应 用 型 钢 生 产 中 的 应 用 棒 线 材 生 产 上 的 应 用 无 缝 钢 管 生 产 上 的 应 用
B上
σ 材料与冶金学院 σ
b
D B
弹性阶段OA 屈服阶段AB 强化阶段BC 颈缩阶段CD
辽宁科技大学 2.抗拉强度σb
钢材所能承受的最大应力
结构设计中钢材强度取值的依据
A B下
σb
s
屈强比= σ s σ b 屈强比↑，利用率
井玉安
σs σ p
编制
α
O L1 L0
↑，安全可靠程度↓
3.伸长率δδ = L1 − L0 ×100% L0
τ m = G 2π 辽宁科技大学 材料与冶金学院 但从试验数据可以看出：由试验测到的剪切强度与按此关糸求出的理论剪切强
度相差4个数量级。金属的理论抗拉强度大致为其弹性模量的1/10,而其实际抗拉 强度同样也低于理论值的3到4个数量级。
井玉安
编制
School of Materials and Metallurgy
井玉安
University of Science and Technology Liaoning
控轧与控冷
控轧与控冷1钢的强化和韧化1.1钢的强化机制通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。
金属学方面可应用的强化机制可以有以下几种：置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用（固溶强化、激冷强化）；位错以线状障碍物形式起作用（通过冷加工变形的强化）；晶粒界作为面状的障碍物形式起作用（通过晶粒细化）；非内聚的析出和内聚的析出显示为空间障碍物形式起作用（弥散强化、沉淀强化）。
1.1.1固溶强化要提高金属的强度可使金属与另一种金属（或非金属）形成固溶体合金。
固溶体合金或以固溶体为基的合金（如碳钢等）一般具有较纯金属高的强度。
这种采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。
钢中最主要的合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Cu和P都能构成置换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强度呈线性增加。
除了置换元素外，C、N等元素在Fe中形成间隙固溶体，但它们在铁中的溶解度都很低，而且随着温度的下降而大大下降。
因此C、N在固溶含量内对屈服强度和抗拉强度的增长影响都很小。
假定合金元素的叠加作用呈线性关系，就可以列出下式用以计算由化学成分引起的强度值。
屈服强度σS（MPa）=9.8{12.4+28C+8.4Mn+5.6Si+5.5Cr+4.5Ni+8.0Cu+55P+[3.0-0.2(h-5)]}抗拉强度σb（MPa）=9.8{23.0+70C+8.0Mn+9.2Si+7.4Cr+3.4Ni+5.7Cu+46P+[2.1-0.14(h-5)]}式中h为产品厚度，各元素含量以百分含量代入。
根据大量的实验结果可得到下表1-1的数据。
1.1.2位错强化图1-1表明实际晶体的强度比理论晶体小得多,但同时随着晶内缺陷或晶格崎变的程度的增加而使强度提高。
塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此位错密度值随着变形而不断提高，一直可达到1012/cm 2。
如果要继续塑性变形就要提高应力值，也就是说材料被加工硬化了。
韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现b..
材料的强化与韧化韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现；强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性则表示材料断裂时总的塑变程度。
金属材料的强化方法大体分为四类：固溶强化、细晶强化、形变强化、沉淀相颗粒强化等。
固溶强化是指纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象。
根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体。
固溶强化的特点：（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大；（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大；（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；（3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。
晶粒细化是一种有效的既可提高金属材料强度又可改善韧性的手段，这是其他强化方式如加工硬化、时效强化等方法难以达到的。
细化晶粒提高材料强度和硬度主要来源于晶界对位错运动的阻碍作用，而改善韧性源于晶界面积增加使单位面积上偏聚的杂质原子数量减少，降低材料脆性转变温度。
多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的目的。
形变强化是指金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为盈利不断上升。
随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加。
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的相互作用不断加强，因而位错运动越来越困难。
晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力，可以有效地提高金属的强度。
曲线明显可分为三个阶段：I．易滑移阶段：发生单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，θI 很低，约为10-4G数量级。
II．线性硬化阶段：发生多系滑移，位错运动困难，θII 远大于θI 约为G/100—G/300 ，并接近于一常数。
金属材料的强化和韧化金属材料的强化11材料强化简介材料强度强
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度：强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。
强化机理主要有：固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种，以下将分别予以介绍。
1.2 固溶强化即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
合金元素的固溶强化效果一般可以表示为：△σs= K i C i n式中，K i为系数；C i n为固溶度。
对于C、N等间隙原子，n=0.33～2.0；对于Mo、Si、Mn等置换原子，n=0.5～1.0。
固溶强化的机理：原子固溶与钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，宏观上即表现为提高了材料的强度。
1.3 形变强化金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难—位错强化。
作用是为了提高材料的强度，使变形更均匀，防止材料偶然过载引起破坏。
金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。
理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。
因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。
形变强化遵循以下规律:第一，随着变形量增加，强度提高而塑性和韧性逐渐降低，逐渐接近于零。
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化机理是金属材料科学中的一个重要概念，它涉及到材料性能的改善，尤其是硬度和韧性这两个重要的力学性能指标。
强化与韧化通常是材料改性处理的目的，使其在保持足够强度的同时，提高抵抗断裂的能力。
1. 强化机制：
强化主要通过以下几种方式进行：
- 固溶强化：通过添加合金元素使基体材料内部形成固溶体，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。
- 时效强化：通过加热、保温然后冷却的过程，使材料内部析出第二相粒子，位错运动受到阻挡，提高材料强度。
- 应变强化（加工硬化）：通过冷加工（如轧制、锻造等）使材料内部产生大量位错，位错交互作用增加，从而提高材料的抗拉强度。
- 晶粒细化强化：通过控制加工工艺使材料晶粒细化，晶界数量增多，位错运动阻力增大，材料强度提高。
2. 韧化机制：
韧化主要通过以下方式实现：
- 细化晶粒：晶粒越细，晶界越多，晶界能阻止裂纹扩展，从而提高材料韧性。
- 第二相颗粒强化：在材料基体中引入弥散分布的第二相颗粒，如陶瓷颗粒、金属间化合物等，可以阻滞裂纹的扩展，起到钉扎位错的作用，提高材料韧性。
- 亚微观结构调控：通过调整材料内部的层片状、孪晶、位错胞等亚微观结构，使材料在遭受冲击或负载时分散并吸收能量，从而提高韧性。
- 混合韧化：结合多种韧化机制，如相变韧化（马氏体钢的相变）、沉淀强化与韧化并存（航空铝合金的时效处理）等，实现强度和韧性的同步提升。
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化第一节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。
通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。
不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。
一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶强化。
其原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。
固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。
（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。
溶质相位错的交互作用是二者应力场之间的作用。
作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位错截交成弯曲形状。
如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。
x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。
处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出的曲率。
钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。
相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。
位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。
在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。
若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。
由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。
总共需要式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。
由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故从图10—1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。
第一章65445
• 空间 空间障碍物－碳化物析出、第二相析出 • 大小、形状及性质影响强化效果 • 强化机制：迂回过程（硬质点，弥散强化 效果好）、剪切过程（软质点）
1.1.4提高强韧性的措施
• 1)制成无缺陷的完整晶体，使金属的晶体强 度接近理论强度。 • 2)在有缺陷的金属晶体中设法阻止位错运动 设法阻止位错运动 • 具体办法如下： 提高钢的冶金质量：去除或降低钢中夹杂 物、有害气体；降低P、S，改善碳化物分 布、形态等。 改善工艺制度（轧制工艺、热处理工艺） 调整合金成分、发展低合金钢。
气体和夹杂物控制
• 钢中的气体主要是氢、氧、氮，氢和氮主要以溶解状态 存在，而氧主要以化合物状态存在。 • 夹杂物主要是氧化物和硫化物。 • 氢↓可以引起白点和氢脆，应该尽量降低。 • 氮↑与位错结合力较强，通过形成气团而阻止位错运动。 • 钢中的氧↓常以氧化物形式存在，一般说来，夹杂物含 氧 量愈多韧性愈低，尤其是超过临界尺寸的夹杂物存在会 使韧性明显的降低。
成分控制
• 有害元素：一般的说，加入基体（铁）的合 金元素对基体形成间隙式固溶强化或置换式 固溶强化有明显的效果。 固溶强化 • 在一定的条件下（如能形成稳定的化合物、 足够的合金含量等）还可形成析出强化 析出强化，使 析出强化 材料的强度提高。 • 但同时合金含量的增加造成了基体内缺陷的 缺陷的 增加，从而降低了 降低了材料的塑性和韧性。 增加 降低了
摆锤式一次冲击试验
1.7 断裂韧性
1）问题的提出 ） 低应力脆断――断裂力学 2）应力场强度因子KI ）应力场强度因子 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的， 但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等）， 由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在 裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场 裂纹尖端应力场。表示 裂纹尖端应力场 应力场强度的参数——“应力场强度因子”。
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金属材料的强化与韧化
机械工程学院机械工程1班刘文龙2011201120 对于金属材料来讲，最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。
简单的说，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
随着制造业及材料工业的快速发展，人们对高性能材料的需求已经越来越迫切，从目前角度来看，在不更改加工方式与行业整体现状的情况下，高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法，显然的，第二种方法更易实现，也更接近工程实际。
在现有的研究中，提高材料的强度主要有以下两种途径：
1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷，使它的强度接近于理论强度，例如金属晶须等，但实际应用难度较大；
2、在金属中引入大量缺陷，以此阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。
其中金属材料的强化主要有以下几种放法：
1、固溶强化此方法是利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法，一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。
2、细晶强化此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。
3、第二相粒子强化此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。
4、形变强化金属在塑性变形过程中，位错密度会逐渐增加，使得弹性应力场不断变大，位错间交互作用增强，使得位错困难增强金属强度。
这里以金属的细晶强化方式举例，在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出，在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下，对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织，将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级，见图1。
通过试验发现，轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%，与空冷状态下的24.30%基本相等，但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa，提高了大约39.20%，抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa，提高了23.23%，可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显，适宜推广；而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发，均实现了细晶钢棒线材的工业化生产，并进行了推广应用。
图1 轧后经不同冷却方式下的组织形貌
a一空冷；b一强制冷却
金属材料韧化的原理主要包括：细化晶粒、脆性相、韧性相的加入以及调整基体的组织结构等。
而当前韧化工艺主要包括熔炼铸造、压力加工和热处理等。
熔炼铸造主要依靠成分控制、夹杂物以及气体含量控制等；压力铸造主要依靠晶粒控制与组织控制；热处理主要靠组织控制。
这里以闵世英[2]关于35CrMo这种常见钢材的热处理强韧化研究举例。
按照国际分类法，35CrMo为调质钢，常规硬度为HRC50~54，按常规热处理方法，当35CrMo的硬度为HRC48~52，冲击韧性只有7~9J/cm，即为脆性状态，无法用作机械零件使用。
在其研究的试验中，分别对相同规格的35CrMo进行了不同热处理方法的研究，其中将尺寸为10mm×10mm×55mm的试样进行了1100°C 的油淬、450°C回火、860°C油淬和200°C回火，即“高温调制并常温淬火”的热处理方法。
将获得的处理后试样对冲击断口进行了分析，发现断口基本是纤维状组织，撕裂韧窝较多，而正常淬火情况下的断口属于沿晶断裂，呈冰糖状，有明显二次断裂，典型的脆性断裂断口，见图2。
经试验，“高温调制并常温淬火”的热处理方法在保证35CrMo的硬度达到HRC54~52时，其冲击韧性也达到了41.0~43.0J/cm，起到了明显的增韧作用，完全可以作为机械零件使用。
正常淬火试样断口“高温调制并常温淬火”热处理试样断口提高材料的强度与韧性，可以节约材料、降低成本、增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。
参考文献：[1] 王艳林等.热轧钢材晶粒细化及其应用研究[J].金属材料与冶金工程,2008.1：45-48．
[2] 闵世英.35CrMo钢强韧化处理的研究[J].科技经济市场,2007.4：44-45．。