工程材料的强化与改性

第三章工程材料的强化与改性
机械工程材料是机械工业、工程技术上大量使用的材料，不仅要求有高的强度，而且要有足够的塑性和韧性。

这些性能都同材料的组织、结构有密切的关系。

因此可通过各种措施，改变其组织和结构，以及使其复合，从而达到强化与强韧化。

材料的改性处理主要指钢铁材料的改性处理，包括钢的热处理和钢的表面处理两大类。

钢经过适当的热处理可提高零件的强度、硬度及耐磨性，并可改善钢的塑性和切削加工性能；而经过合理的表面处理则可提高零件的耐蚀性及耐磨性，并可装饰和美化外观，延长其使用寿命。

3.1工程材料的强化与韧化
一、材料强化的概念
使金属材料强度(主要是屈服强度)增大的过程称为强化。

工程材料的强度与其内部组织、结构有着密切的关系。

通过改变化学成分，进行塑性变形以及热处理等，均可以提高材料的强度。

由于塑性变形是通过位错运动实现的，因此，材料强化机制的基本出发点是造成障碍，阻碍位错运动。

二、工程材料常见的强化方式
1、固溶强化
固溶强化是指由于晶格内溶入溶质原子而使材料强化的现象。

固溶强化效果越大，则塑性韧性下降越多。

因此选用固溶强化元素时一定不能只着眼强化效果的大小，而应对塑性、韧性给予充分保证。

所以，对溶质的浓度应加以控制。

2、晶界强化（也称细晶强化）
晶界强化是一种极为重要的强化机制。

不但可以提高强度，而且还能改善钢的韧性，这一特点是其它强化机制所不具备的。

晶界的作用有两个方面：一方面它是位错运动的障碍，另一方面又是位错聚集的地方。

所以，晶粒越细小，则晶界面积愈大，位错运动的障碍愈多，导致强度升高。

3、第二相强化
第二相强化是指利用合金中的第二相进行强化的现象。

强化效果与第二相的形态、数量及其在基体上的分布方式有关。

4、冷变形强化(加工硬化或形变强化)
冷变形强化是指在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。

强化的原因：一是随塑性变形量的不断增大，位错密度不断增加，并使之产生的交互作用增强，使变形抗力增加。

二是随塑性变形量的增大使晶粒变形、破碎，形成亚晶粒，
亚晶界阻碍位错运动，使强度和硬度提高。

5、相变强化
相变强化主要是指马氏体相变强化(以及下贝氏体相变强化等)，它是钢铁材料强化的重要途径。

相变强化不是一种孤立的强化方式，而是固溶强化，沉淀硬化、形变强化、细晶强化等多种强化效果的综合。

6、表面强化
材料表面强化是指利用各种表面处理、表面扩渗和表面涂覆等技术，来改善材料表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性和抗疲劳性等性能，或者是赋予材料表面以特定的理化性能，从而达到有效地提高产品质量并延长其使用寿命的目的。

7、纤维增强的复合强化
用高强度的纤维同适当的基体材料相结合，来强化基体材料的方法称为纤维增强复合强化。

用于复合材料的强化。

8.能促进在已形成的铁素体晶粒内产生亚晶，增加位错密度，形成亚晶强化，同时也能引起织构形成而产生织构强化。

9. 沉淀硬化（析出强化）：指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。

如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在400～500℃或700～800℃进行沉淀硬化处理，可获得很高的强度。

时效强化aging strengthening：是指在固溶了合金元素以后，在常温或加温的条件下，使在高温固溶的合金元素以某种形式析出（金属间化合物之类），形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，使强度增加，韧性降低。

固溶强化solution strengthening：就是合金元素在基体金属晶格中存在使晶格产生畸变，位错运动阻力加大。

通常也是强度增加，韧性降低。

细晶强化(也叫晶界强化)grain refining strengthening：可以通过形变-再结晶获得较细的晶粒，使强度和韧性同时提高。

形变强化working hardening：随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。

弥散强化dispersion strengthening：材料通过基体中分布有细小弥散的第二相细粒而产生强化的方法，称为弥散强化。

纤维强化fiber strengthening：用高强度的纤维同适当的基体材料相结合，来强化基体材料的方法称为纤维强化。

辐照强化radiation hardening：由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子，这时缺陷阻碍位错运动，从而产生强化效应。

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。

在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。

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。

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。

(3)固溶强化．通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。

(4)相变强化。

合金化的金属材料，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：
位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化。

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。

2) 马氏体强化。

金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。

但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。

(5)晶界强化。

晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻
碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。

因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。

硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。

(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。

对一些承受疲劳载荷的构件，常在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。

三、工程材料的强韧化（自阅）
3.2 钢的热处理
热处理是提高材料使用性能和改善工艺性能的基本途径之一，是挖掘材料潜力，保证产品质量、延长寿命的重要工艺。

热处理是指采用适当方式对材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。

热处理的实质是通过改变材料的组织结构来改变材料的性能，因此只适用于固态下发生组织转变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来强化。

热处理的原理：
热处理工艺：
一、钢的热处理原理
1、钢在加热时的组织转变
由Fe-Fe 3C 相图可知，室温的钢只有加热到PSK 温度以上才能发生组
织转变，即获得奥氏体，而只有奥氏体才能通过不同的冷却方式使钢转
变为不同的组织，获得所需要的性能。

钢加热获得奥氏体的过程称为奥氏体化过程。

完全奥氏体化：
不完全奥氏体化：
在实际加热（或冷却）时的临界点分别用Ac 1 、Ac 3、Ac cm （或Ar 1、Ar 3、Ar cm ）表示，如图3-1所示。

（1）奥氏体的形成
以共析钢为例，说明共析钢奥氏体的形成过程。

当共析钢加热到Ac 1以上温度时，将形成奥氏体。

奥氏体的形成也是通过形核和长大来实现。

此过程可分为奥氏体的形核、长大，残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段，如图3-2所示。

图 3-1 钢的相变点在 Fe-Fe 3C 相图上的位置
图3-2 共析钢奥氏体形成过程示意图
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。

但是，由于这两类钢的室温组织中除了珠光体以外，亚共析钢中还有先共析铁素体，过共析钢中还有先共析二次渗碳体，所以要想得到单一奥氏体组织，亚共析钢要加热到Ac3线以上，过共析钢要加热到A Ccm线以上，以使先共析铁素体或先共析二次渗碳体完成向奥氏体的转变或溶解。

影响奥氏体的转变因素很多，如加热温度、加热速度和原始组织等。

加热温度越高，加热速度越快，形成奥氏体的速度越快；原始组织中钢的成分相同，组织越细，相界面越多，奥氏体形成的速度越快。

在这里必须要指出的是钢的奥氏体化的目的主要是获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，如果加热温度过高，或保温时间过长，将会促使奥氏体晶粒粗化。

（2）奥氏体晶粒的长大及其控制
奥氏体晶粒的大小将直接影响到随后冷却转变产物的晶粒大小及性能。

加热时获得的奥氏体晶粒越细小，冷却转变的产物组织也越细小，性能会越好。

1）奥氏体晶粒度
在奥氏体化刚完成时的奥氏体晶粒很细小（一般称为起始晶粒度），但随着加热温度的升高和保温时间延长，会出现晶粒长大的现象。

在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度。

奥氏体晶粒的长大是通过晶界两侧原子的扩散，大晶粒吞并小晶粒来完成的。

本质晶粒度：是表示晶粒长大的倾向性，而不是实际晶粒大小的量度。

本质粗晶粒钢：
本质细晶粒钢：
生产中，须经热处理的工件，一般都采用本质细晶粒钢制造。

工业生产中，用锰铁、硅铁脱氧的钢为本质粗晶粒钢，如沸腾钢。

用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，如镇静钢。

奥氏体晶粒大小的控制
①合理选择加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大。

通常加热温度对奥氏体晶粒长大的影响比保温时间更显著。

②加热速度当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。

因此，快速高温加热和短时间保温，是生产中常用的一种细化晶粒方法。

③钢中加入一定量合金元素其影响与作用机理见第4章合金元素的作用。