机械制造基础大作业

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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

强韧化意义

提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可

靠性和延延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础

提高金属材料强度途径

1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度

2.主要采用另一条途径来强化金属，即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位

错的运动

目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样强韧化意义

提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降

在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括

1.固溶强化

2.细晶强化

3.第二相粒子强化

4.形变强化5、综合强化

1.固溶强化

固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法

溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式

1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示

2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较为重要

2.细化晶粒强化

1.晶界对位错滑移的阻滞效应

2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不

易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高

位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高

常温下一种有效的材料强化手段

高温时晶界滑动导致材料形变，细晶材料比粗晶材料软，增加金属材料高温强度要增大晶粒尺寸。镍基高温合金利用定向凝固方法获得较大晶粒尺寸甚至单晶，减少晶界对高温强度不利影响，提高高温下的强度

3.第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著

①通过相变热处理获得的，称为析出硬化、沉淀强化或时效强化

第二相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响

4.形变强化

金属材料具有加工硬化的性能，形变后流变应力得到提高。

形变强化是因为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

引起金属加工硬化的机制有：位错的塞积、位错的交割（形成不易或不能滑移的割阶、或形成复杂的位错缠结）、位错的反应（形成不能滑移的固定位错）、易开动的位错源不断消耗等等

形变强化不利方面

1）由于金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗

更多的功率

2）由于形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工而不致裂开

3）有的金属（如铼）尽管某些使用性能很好，但由于解决不了加工问题，其应用受到很大限制

形变强化有利方面

1）有些加工方法要求金属必须有一定的加工硬化？某些不锈钢冷轧后的强度可以提高一倍以上？用金属板材冲压成杯子时只有板材发生硬化，才能使塑性变形不断进行直至最后冲压成杯，金属的拉伸过程（如拉丝）也要求金属线材在模口处能迅速硬化

2）可以通过冷加工控制产品的最后性能？冷拉的钢丝绳不仅强度高，而且表面光洁？工业上广泛应用的铜导应用的铜导线，由于要求导电性好，不允许加合金元素，加工硬化是提高其强度的唯一办法

形变硬化不是工业上广泛应用的强化方法，它受到两个限制

1•使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化

2.由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金属，一般不宜利用应变硬化

来提高强度性能

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 ）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。

二、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

1.韧化原理

断裂韧性是指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，贝U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。

2.韧化方法

(1)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En24钢的奥氏体晶粒度由5~6 级细化到12~13级，K|C值则由141MPam 1/2提高到266MPam 1/20K IC 值：指材料阻止宏