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。