材料强韧化处理第一部分

材料强韧化处理教师：赵满秀博士

摘录：李丹彭凤仇才君

教学内容：

①有关材料的强化和韧化的基本原理

②材料表面强化（重点）

目录

第一部分材料的强化和韧化的基本原理

第一章材料的强韧化基本原理

一、金属材料强韧化的意义

①通过强化处理可以优化材料的力学性能指标，充分挖掘材料的潜力。

②工作表面通过表面强化处理，增加耐磨性、耐蚀性、疲劳强度，提高工件使用寿命。

综上所述，材料的强韧化处理就是在保证材料的强化的同时，尽量提高材料的韧性。

二、实现钢铁材料强韧性的两个阶段

1、液态阶段（炼钢者研究的重点）

方法：细化晶粒、纯洁钢材、合金化

（1）、细化晶粒

方法：①快速冷却（增大过冷度）；②加变质剂：减少表面能，提高形核率；抑制晶粒长大；③震动搅动：机械形核；④合金化（用Al、Nb、Ti脱氧）：氧化物熔点高，成为非均匀形核的核心，增加形核率。

Al脱氧的原因：Al与氧的结合力强，生成高熔点的氧化物，成为非均匀形核的核心，提高形核率，细化晶粒。

钢铁冶炼的最后阶段：①脱氧：加Al、Mg、Si与O结合，细化晶粒；②合金化。

（2）纯洁钢材：如模具、刀具（含C 量高、耐磨、高纯净） 方法：去除有害元素S 、P 、O 、H ；去除氧化物、氯化物、硅酸盐；去除有害气体。 2、固态阶段

对于固体材料为提高材料的强韧化，常采用常规热处理或者形变两大方法，也可以通过表面强化提高表面强度。

（1）、常规热处理方法：正火、退火、回火、淬火（时效强化、固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化）

（2）冷变形强化机理：塑性变形使位错密度增加，位错运动受阻。 （3）热加工强化的原因：能焊合某些缺陷、破碎粗大组织、形成纤维组织。

常规热处理与形变工艺如下所示：

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪⎪

⎪

⎪⎪⎨⎧⎪⎪

⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨

⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧热挤压热轧

热锻热加工挤压滚压喷丸冷变形形变淬火回火退火

正火常规热处理诱发M 相变，产生孪晶，提高硬度

三、强化的两个途径

1、晶体的理论强度和实际强度

①理论强度：按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度 ②实际强度：实验测得的单晶体临界分切应力 2、材料强度和位错密度的关系

须晶：接近完整晶体的须状晶体 强化的两个基本途径：

①尽可能减少晶体中的位错密度，使其接近完整晶体或者制成无缺陷的完整晶体，是金属的实际强度接近理论强度。

②在实际晶体中尽可能增大晶体中的位错密度，并尽可能的从运动着的位错设置障碍，抑制位错源的运动。

四、金属材料强化机理

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧第二相强化固溶强化晶界强化：细晶强化

形变强化

1、形变强化：金属因塑性变形而引起的强化现象（冷热加工）。（硬度、韧性都增加）

实质：位错增加——位错阻力来源三个方面---位错塞积、位错割阶、位错林。

【问题：①什么是冷加工？ ②什么是热加工？】

2、晶界强化（细晶强化）

概念：细晶强化是指因晶界的存在及晶界的增多而引起的强化现象。 原因：晶界是位错的阻碍 霍尔佩奇公式：d k 2/1-y i s +=σσ σs ：屈服强度

∑i ：位错在晶粒内为克服摩擦力所需的应力 k y ：与材料的有关的常数 d ：晶粒直径

晶界强度、晶内强度与温度的关系如图所示：

常温下：晶界强度>晶内强度（温度升高，晶界强度下降幅度比晶内强

度下降幅度要快） 3、固溶强化

晶格内溶入异种原子而使金属强化的现象。

①原因：溶质原子作为位错运动的阻碍，增加塑性变形的抗力。

②类型：⎪

⎩

⎪

⎨⎧⎩⎨⎧无限固溶体有限固溶体

置换固溶体间隙固溶体强化效果：有限>无限 （有限固溶体：溶质在金属中溶解度愈小，固溶强化作用越大） 强化效果：间隙固溶体>置换固溶体

原因:点阵畸变变大，容易形成“柯垂尔气团”，扩散快，自发进行（使系统能量降低）

③形成固溶体的条件：半径相差不大、电负性相差不大（在元素周期表中，位置相邻）

4、第二相粒子强化（金属间化合物、氮化物、碳化物） 由于金属中的第二相的存在而引起的强化现象。

第二相强化效果与第二相的形态、数量以及其在基体上的分布方式有关。 （1）弥散分布

第二相以细小的质点的分散状态存在而使金属强化的现象。 弥散分布的第二相质点大小与强化作用密切相关，最合适的第二相质点间距为20~50个原子间距，第二相质点太粗，位错线弯曲程度不够，强化作用减弱，第二相质点不能太细，位错线不能弯曲，而是刚性地通过微小的第二相质点，强化效果不大。弥散分布的第二相质

点对基体的连续性破坏性较小，对塑性、韧性影响较小。

（2）双相合金中的第二相强化

有一些合金中，两相的体积、尺寸、结构、成分和性质，相差较大，往往以非共格形式存在。

第二相应呈片状或者球状，才能起到有效的强化作用。

双相合金中用于强化的第二相是硬脆相，当硬脆性的第二相以连续的网状分布在基体上晶粒的边界上，由于第二相本身无法产生塑性变形，对基体产生割裂作用，引起应力集中，韧性、塑性降低。

5、复合强化

各种因素综合而强化金属的现象。

例如：低碳钢经淬火后获得优质性能的原因？

（1）由于快冷，是M含碳量、含合金元素量，超过饱和状态，故有相当程度的固溶强化效果。

（2）M转变：有非扩散切变和体积变化产生的滑移变形产生形变强化。

（3）低碳M具有板条状结构，在板条状间以大晶界角度或者小晶界角度存在，即存在晶界强化。

（4）M转变开始温度高，有细小的碳化物析出，即产生弥散强化。

五、韧化的途径

强度与塑性、韧性往往是矛盾的，唯有细晶强化可以同时提高强度、塑性、韧性，其他的提高强度的方法均会不同程度的降低塑性、韧性。