金属及合金的强化方法资料
简述金属材料常见的强化机制
简述金属材料常见的强化机制
【金属材料常见的强化机制】
1、组织强化：组织强化是指在金属中加入合金元素，使组织中存在多
种偏析，如晶粒强化和回料强化等，同时利用金属再结晶及其它形态
改变实现金属本身的构造更新和复杂化以改善材料的力学性能。
2、界面强化：界面强化是指将界面细被纳米或微米粒子掺杂在金属中，这些粒子能够比金属原子更加有效地堆积在一起，形成紧紧接合的界面，使界面的强度高于实质内部的强度，从而能够有效提升材料的抗
压强度和抗拉强度，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。
3、塑性变形强化：金属塑性变形强化主要是指利用塑性变形能够形成
许多金属层，每层金属之间形成不规则的纹理，并形成复杂的异常微
结构，这种结构可以提供足够的抗压强度，从而大大提高材料的强度
和耐磨性。
4、多尺度复合强化：多尺度复合强化是一种比较先进的强化机制，主
要是指将纳米颗粒和宏观结构结合在一起，充分利用各级尺度之间的
相互作用产生强度、韧性和硬度等材料性能的加强。
5、原位合金化强化：原位合金化强化指的是在金属晶体中内掺入比基
体原子更贵重的合金，因为这种原位合金能够有效改变铁素体组织的形貌，使晶体变得硬而脆，从而提高材料的强度和耐蚀性。
6、热处理强化：热处理强化是指将原材料经历不同的热处理过程，从而实现对材料金属晶体的形貌的改变，从而调整材料的力学性能，改变组织构造，提高材料的硬度和耐腐蚀性。
金属材料的强化方法
金属的五种强化机制及实例溶强化⑴纯金属加入合金组元变为固溶体，其强度、硬度将升高而塑性将降低，这个现象称为固溶强化.（2）固溶强化的机制是：金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大，从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后，不仅使晶格发生畸变，同时使位错密度增加.畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金组元的原子聚集在位错线周围形成"气团"。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来使位错滑移所需的切应力增大.（3）实例：表1列出了几种普通黄铜的强度值，它们的显微组织都是单相固溶体，但含锌量不同，强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时，应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素，例如在铝合金中加入铜、镁；在镁合金中加入铝、锌;在铜合金中加入锌、铝、锡、镍；在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度（退火状态）表1儿种普通黄铜的强度（退火状态）对同一种固溶体，强度随浓度增加呈曲线关系升高见图1。
在浓度较低时，强度升高较快，以后渐趋平缓，大约在原子分数为50 %时达到极大值。
以普通黄铜为例:H96的含锌量为4 % , ob为240MPa ,与纯铜相比其强度增加911 %;H90的含锌量为10 % , ob为260MPa ,与H96相比强度仅提高813 %.2 细晶强化素都对位错滑移产生很大的阻碍作用，从而使强度升高.晶粒越细小，晶界总面积就越大，强度越高，这一现象称为细晶强化。
（2）细晶强化机制:通常金属是由许多晶粒组成的多晶体晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小此外，晶粒越细,晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展.⑶实例:ZG35CrMnSi钢强化工艺工件铸造后经过完全退火，正火，再进行亚温淬火加高温回火热处理.该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。
金属的强化方法及机理
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
例如：自行车链条板(16Mn钢板)
原始厚度3.5mm
150HB
五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系：
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。
σs ——开始发生塑性变形的最小应力
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。
2、加工硬化机制
金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
铝合金的强化方法
铝合金的强化方法铝合金在常温和中等应力作用下产生塑性变形，主要由位错滑移所致，而高温和低应力作用下产生塑性变形则由位错蠕动和扩散流变产生。
总的来说，不管工作温度高低，合金抵抗变形能力主要由位错运动难易所决定。
因而，把增加铝合金对位错运动的抗力称为铝合金强化。
铝合金的强化及其分类方法很多，一般将其分为加工硬化和合金化强化两大类。
铝合金强化方法可细分为加工硬化、固溶强化、异相强化、弥散强化、沉淀强化、晶界强化和复合强化七类。
在实际应用过程中往往是几种强化方法同时起作用。
A 加工强化通过塑性变形（轧制、挤压、锻造、拉伸等）使合金获得高强度的方法，称为加工硬化。
塑性变形时增加位错密度是合金加工硬化的本质。
据统计，金属强烈变形后，位错密度可由106根/cm2增至1012根/cm2以上。
因为合金中位错密度越大，继续变形时位错在滑移过程中相互交割的机会越多，相互间的阻力也越大，因而变形抗力也越大，合金即被强化。
金属材料加工强化的原因是：金属变形时产生了位错不均匀分布，先是较纷乱地成群纠缠，形成位错缠结，随变形量增大和变形温度升高，由散乱分布位错缠结转变为胞状亚结构组织，这时变形晶粒由许多称为“胞”的小单元组成;高密度位错缠结集中在胞周围形成包壁，胞内则位错密度甚低。
这些胞状结构阻碍位错运动，使不能运动的位错数量剧增，以至需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。
变形越大，亚结构组织越细小，抵抗继续变形的能力越大，加工硬化效果越明显，强度越高。
由于产生亚结构，故也称亚结构强化。
加工强化的程度因变形率、变形温度及合金本身的性质不同而异。
同一种合金材料在同一温度下冷变形时，变形率越大则强度越高，但塑性随变形率的增加而降低。
合金变形条件不同，位错分布亦有所不同。
当变形温度较低(如冷轧)时，位错活动性较差，变形后位错大多呈紊乱无规则分布，形成位错缠结，这时合金强化效果好，但塑性也强烈降低。
当变形温度较高时，位错活动性较大，并进行交滑移，位错可局部集聚、纠结、形成位错团，出现亚结构及其强化，届时强化效果不及冷变形，但塑性损失较少。
铝合金强化方法
铝合金强化方法入后通过以下几个方面对铝进行强化。
1．固溶强化合金元素加入纯铝中形成无限固溶体或有限固溶体，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。
在一般铝合金中固溶强化最常用的合金元素是铜、镁、锰、锌、硅、镍等元素。
一般铝的合金化都形成有限的固溶体，如Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn，Al-Si，Al-Mn等二元合金均形成有限固溶体，并且都有较大的极限溶解度能起较大的固溶强化效果。
2．时效强化铝合金热处理后可以得到过饱和的铝基固溶体。
这种过饱和铝基固溶体在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间和延长而增高，但塑性降低。
这个过程就称时效。
时效过程中使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。
3．过剩相强化当铝中加入的合金元素含水量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现称之为过剩相。
在铝合金中过剩相多为硬而脆的金属间化合物。
它们在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用，使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。
合金中过剩相的数量愈多，其强化效果愈好，但过剩相多时，由于合金变脆而导致强度、塑性降低。
4细化组织强化在铝合中添加微量元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一种重要手段。
变形铝合金中添加微量钛、锆、铍、锶以及稀土元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。
铸造铝合金中常加入微量元素作变质处理来细化合金组织，提高强度和塑性。
变质处理对不能热处理强化或强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金具有特别重要的意义。
比如在铝硅铸造铝合金中加入微量钠或钠盐或锑作变质剂进行变质处理，细化组织可以显著提高塑性和强度。
同样在铸造铝合金中加入少量锰、铬、钴等元素能使杂质铁形成的板块状或针状化合物AlFeSi细化，提高塑性，加入微量锶可消除或减少初晶硅，并使共晶硅细化；粒子园整度提高。
5冷变形强化冷变形强化亦称冷作硬化，即金属材料在再结晶温度以下冷变形，冷变形时，金属内部位错密度增大，且相互缠结并形成胞状结构，阻碍位错运动。
铝合金的变形工艺及强化机理
铝合金的变形工艺及强化机理一、引言铝合金是一种广泛应用于航空、汽车、电子、建筑等多个领域的材料。
作为一种轻质高强材料，铝合金对于减轻汽车和飞机质量，提高运输效率以及降低油耗有着巨大的潜力。
为了进一步提高铝合金材料的强度、硬度、延展性和韧性，人们通过变形加工和二次热处理等方法对铝合金的力学性能进行改善。
本文将围绕铝合金的变形工艺及强化机理展开探讨。
二、铝合金的变形加工方法变形加工是利用塑性变形来改变金属材料的形状、尺寸和组织结构的加工方法。
对于铝合金来说，变形加工方法主要包括拉伸、压缩、滚动、锻造、挤压和深拉等。
这些加工方法可以通过改变铝合金晶粒的结构和方向，达到改善材料的力学性能的目的。
1. 拉伸加工拉伸加工是利用拉伸力将铝合金材料向一个方向拉伸的加工方法。
在拉伸加工中，铝合金会发生塑性变形，从而使得材料的长轴方向产生细长的变形晶粒。
这种晶粒的取向具有显著的各向异性，并且通常沿材料的轴向朝一个特定方向排列。
因此，拉伸加工可以使铝合金材料在某些方向上具有很强的强度和硬度，但在其他方向上其力学性能可能较差。
2. 压缩加工压缩加工是将铝合金材料向一个方向施加压缩力的加工方法。
与拉伸加工不同的是，压缩加工会使铝合金晶粒在横截面处变形，从而产生大量的位错和晶间剪切带。
这些位错和晶间剪切带可以增加材料的强度和硬度，并且使材料更加均匀。
3. 滚动加工滚动加工是通过使铝合金材料在滚筒轧压下产生纵向和横向的压缩变形来改善材料的性能。
由于滚压过程中铝合金晶粒发生了强烈的位错和晶界移动，因此形成了一种扭曲的组织结构。
这种扭曲的结构可以增加材料的强度和硬度，提高其耐疲劳性能和韧性。
4. 锻造加工锻造加工是通过让铝合金材料在热态或冷态下受到重复的变形加载来改善材料的性能。
粗晶的铝合金材料可以在经过高温高压的锻造加工后，得到细晶体的组织结构，从而具有更好的机械性能。
在锻造过程中，铝合金材料的晶粒也会沿着加载方向得到排列，形成一种各向同性的组织结构。
金属材料的四种强化方式最全总结
金属材料的四种强化方式最全总结固溶强化1. 定义合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
2. 原理溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
3. 影响因素溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
4. 固溶强化的程度主要取决于以下因素基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。
尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
合金元素的量。
加入的合金元素越多，强化效果越大。
如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。
这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。
间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
5. 效果屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；大部分情况下，延展性低于纯金属；导电性比纯金属低很多；抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。
加工硬化1. 定义随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。
2. 简介金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。
又称冷作硬化。
产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。
提高金属材料强度的方法
提高金属材料强度的方法引言金属材料是工程领域中使用最广泛的材料之一，其强度是评价材料性能的重要指标。
提高金属材料的强度可以增加其承载能力，降低零部件的失效概率，提高工程结构的安全性。
本文将深入探讨提高金属材料强度的各种方法。
冶金方法精细晶粒化精细晶粒化是通过控制金属材料的结晶过程，使晶粒尺寸变小，从而提高材料的强度。
常用的方法包括： 1. 高温退火和快速冷却：通过高温退火使晶粒长大，然后通过快速冷却使晶粒尺寸减小。
2. 机械变形：通过冷加工或热加工使晶粒细化。
3. 添加合金元素：合金元素可以抑制晶粒生长，从而实现晶粒细化。
相变强化相变强化是通过控制金属材料的相变过程，使材料的强度得到提高。
常用的方法包括： 1. 固溶强化：通过添加合金元素使固溶体的晶格变形，从而增加材料的强度。
2. 相分解强化：通过控制相分解反应，使材料中形成细小的强化相，从而提高材料的强度。
加工方法冷加工冷加工是指在室温下对金属材料进行塑性变形的加工方法。
冷加工可以使材料的晶粒细化，提高材料的强度。
常用的冷加工方法包括： 1. 冷轧：将金属材料通过辊轧机进行塑性变形，使其厚度减小，晶粒变细。
2. 冷拔：将金属材料通过拉拔机进行拉伸变形，使其截面积减小，晶粒变细。
热加工热加工是指在高温下对金属材料进行塑性变形的加工方法。
热加工可以使材料的晶粒长大，提高材料的强度。
常用的热加工方法包括： 1. 热轧：将金属材料加热至较高温度，然后通过辊轧机进行塑性变形。
2. 热锻：将金属材料加热至较高温度，然后通过锻造机进行塑性变形。
表面处理方法渗碳处理渗碳处理是将含有碳的固体材料加热至高温，使其碳元素渗入金属表面，从而提高金属材料的强度。
渗碳处理常用于低碳钢的强化。
渗碳处理的步骤包括： 1. 预处理：将金属材料进行除油、除锈等表面处理。
2. 渗碳：将金属材料与含碳固体材料一起加热至高温，使碳元素渗入金属表面。
3. 淬火：将渗碳后的金属材料迅速冷却，使其形成马氏体结构，提高强度。
铝合金的强化方式主要有以下几种
铝合金的强化方式主要有以下几种：1．固溶强化纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。
根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。
Al－Cu、Al －Mg、Al－Si、Al－Zn、Al－Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的极限溶解度（见表9-2），因此具有较大的固溶强化效果。
2．时效强化合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。
但由于铝没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。
铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度，且随温度的降低而急剧减小。
所以铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。
这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。
在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。
时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。
其强化效果是依靠时效过程中所产生的时效硬化现象来实现的。
3．过剩相强化假如铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，则在固溶处理加热时，就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。
在铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。
它们在合金中阻碍位错运动，使合金强化，这称为过剩相强化。
在生产中经常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。
过剩相数量越多，分布越弥散，则强化效果越大。
但过剩相太多，则会使强度和塑性都降低。
过剩相成分结构越复杂，熔点越高，则高温热稳定性越好。
4．细化组织强化许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。
若能细化铝合金的组织，包括细化α固溶体或细化过剩相，就可使合金得到强化。
由于铸造铝合金组织比较粗大，所以实际生产中经常利用变质处理的方法来细化合金组织。
铝及其合金的强化机制
铝及其合金的强化机制因为是纯铝，不能进行热处理强化，就只能靠形变强化（冷变形），强化原理为冷变形后位错密度增加，且位错相互缠绕并形成胞状结构（形变亚晶），不但能够阻碍位错滑移，而且是不能滑移的位错数量增加。
1、热处理，使纯铝发生再结晶，这个原理是细晶强化，晶粒细小，金属的强度和塑性都得到提高；2、锻造、挤压、拉拔等工艺造成加工硬化，原理是形变强化，形变造成位错密度增大，金属强度增大，但是塑性下降；3、采用喷丸、喷砂等工艺对铝的表面进行加工，使其表面得到强化，即表面强化，铝的强度提高，但是塑性降低，其强化原理仍然是形变强化；4、还有一类特殊的强化，即制备很细的铝晶须，铝晶须的强化很高，达到纯铝强度的10倍左右；5、其他强化手段如固溶强化、沉淀强化、颗粒强化等都改变了铝的成分；铝合金的强化方式主要有以下几种：1．固溶强化纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。
根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。
Al－Cu、Al －Mg、Al－Si、Al－Zn、Al－Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的极限溶解度（见表9-2），因此具有较大的固溶强化效果。
2．时效强化合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。
但由于铝没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。
铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度，且随温度的降低而急剧减小。
所以铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。
这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。
在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。
时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。
材料强化的4种方法原理
材料强化的4种方法原理材料强化是通过各种手段提高材料力学性能的方法,常用的强化方法有四种:一、固溶强化固溶强化是在基体金属内溶解强化元素,生成固溶体的一种强化手段。
由于不同原子大小不同,溶质原子的存在會對基体金属矩阵产生扭曲应力和扰动,增加材料的抗变形能力。
常见的固溶强化系统有:铁素体中的碳原子生成碳素体、铜中的锌生成黄铜、铝中的镁生成的析出硬化铝镁合金等。
固溶强化的机理是:溶质原子置换矩阵原子后,由于原子大小差异,会对周围基体原子产生弹性变形场,使位错运动难度增加,从而提高合金的力学性能。
一般来说,溶质原子与基体原子大小相差不超过15%,溶解度不超过几个原子百分比时,固溶强化效果最好。
二、析出强化析出强化是通过在基体金属中生成细小、分散的第二相颗粒来达到强化目的。
析出相颗粒的存在能够阻碍位错运动,提高合金的强度。
析出相的大小、形态、分布状况等参数对强化效果有重要影响。
析出强化的典型合金系统有铝钢中的硝基碳窜、铝合金中的Mg2Si相等。
析出相颗粒一般维持在10-100纳米大小范围,既能提供强化效果,又不损害塑性。
过度析出会导致合金脆化。
合理控制热处理工艺是获得优良析出强化的关键。
三、纤维强化纤维强化是在基体金属中添加高强度、高模量的纤维材料,利用纤维阻挡裂纹扩展来提高力学性能。
常用的纤维有碳纤维、玻璃纤维等。
根据纤维在基体中的分散情况,可分为不连续增强和连续增强两种。
纤维强化复合材料中,载荷主要由纤维承担,基体起固定纤维、传递载荷的作用。
强化效果与纤维量、长度、取向等参数有关。
纤维与基体的界面粘结力也会显著影响材料强度。
四、粒界强化粒界强化是通过细化晶粒尺寸来提高力学性能。
根据哈尔-佩奇关系,随着晶粒尺寸的减小,合金的屈服强度会提高。
这是因为粒界能阻碍位错在晶粒内的运动,使材料变形难度增加。
常见的粒界强化方法有合金元素微合金化、热处理调质、严重塑性变形等。
新兴的奥氏体不锈钢即采用了超细晶粒结构来达到高强度。
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化
金属的五种强化机制及实例1 固溶强化(1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
（2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
（3）实例：表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。
在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。
以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。
2 细晶强化(1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。
晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。
(2) 细晶强化机制：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
简述金属材料的四种强化机制
简述金属材料的四种强化机制金属材料的强化机制是材料科学中重要的研究方向，在提高金属材料性能和使用寿命方面发挥着重要作用。
目前，已经有许多种金属材料强化机制，可以归纳为四种：增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制和宏观变形机制。
下面将对这四种机制进行详细介绍。
首先，增强断裂硬度机制是金属材料增韧的主要机制之一。
通过增强断裂硬度机制，可以使材料的断口断裂硬度达到更高的水平，从而增加材料的抗弯损伤能力。
增强断裂硬度机制的主要方法包括加强断口的低温组织处理、改变断口的冷变形水平以及高温析出处理。
其次，晶界界面机制也是金属材料增韧的重要机制之一。
它主要是通过改变体系中晶界强度和界面晶粒尺寸，从而改善晶界组织，降低晶界间交界强度，并减少材料的断口断裂硬度，从而达到增韧的目的。
改变体系中晶界界面机制的方法包括合金化、热处理、冷处理、电子束处理等。
第三，体积变形机制是金属材料增韧的主要机制之一，它的基本原理是通过改变金属材料的内部晶粒结构，使材料具有良好的抗压强度和抗弯强度，从而达到增韧的目的。
改变金属材料体积变形机制的方法可以分为晶粒细化、塑性变形和残余应力处理。
最后，宏观变形机制也是金属材料强化的重要机制之一。
通过宏观变形机制可以改变材料的晶粒结构，从而改善材料的力学性能，增强材料的抗弯强度和断裂硬度，从而达到增韧的目的。
改变金属材料宏观变形机制的常见方法有冷变形和热变形处理，以及压力处理、冲击处理和电渣处理等。
综上所述，金属材料的强化机制主要有四种，即增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制、宏观变形机制，通过使用这些机制可以提高金属材料的性能和使用寿命。
为此，科学家们需要继续研究这些机制，努力为社会提供更安全、可靠的金属材料。
金属材料强化机制是材料科学中重要的研究方向，在提高金属材料性能和使用寿命方面发挥着重要作用。
目前，主要有四种金属材料强化机制，即增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制和宏观变形机制。
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法可以分为以下几种：
1. 冷变形强化：通过冷加工（如冷轧、冷挤压、冷拉伸等）使金属材料发生塑性变形，从而得到更高的强度和硬度。
2. 固溶强化：将合金元素加入金属材料中，通过固溶反应形成固溶体，增加晶格的应变能，使材料的强度提高。
常见的固溶强化方法有固溶时效和固溶微合金化。
3. 晶粒细化：通过方法如冷变形、热处理等改变材料的晶粒尺寸，使晶界数量增多，从而提高晶界强度和杂质团聚能力，使材料的强度和硬度提高。
4. 相变强化：通过控制金属材料的相变温度和相变方式，使材料在相变过程中形成更加稳定的相结构，提高材料的强度和硬度。
5. 纳米材料强化：制备出颗粒尺寸在纳米级别的金属材料，由于具有较大的晶界和表面积，导致材料强度和硬度显著提高。
6. 变形温度和速率控制：通过控制材料的变形温度和变形速率，使其在发生塑性变形时得到更高的强度和硬度。
7. 加工硬化：通过工艺性变形（如滚压、挤压、拉伸、弯曲等）使材料内部发生应变堆积，从而提高材料的强度和硬度。
以上方法可以单独应用，也可以组合应用，以实现对金属材料的强化效果。
合金强化
合金强化方法定义特点机理意义局限性条件加工硬化（应变硬化）金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。
①使金属在冷加工中均匀变形实现冷加工成型工艺②使金属强度提高给进一步冷压力加工带来困难，大大增加了后续冷加工的动力消耗③因此需要进行退火处理增加加工成本金属在塑性变形时使位错增值而导致的强化。
可以提高合金的强度和硬度，尤其是对于有些不能用热处理进行强化的合金。
但应变硬化没有从根本上改变合金的性质，如果遇到某些情况，如温度升高，应变硬化可能会因再结晶的发生而丧失细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化通过细化晶粒而提高金属力学性能。
一般来说，晶粒越细小，金属的力学性能如强度、韧性、塑性就越好。
由于晶粒数量增多，尺寸减少，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大弥散强化（时效强化）弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段若化合物在固溶体晶粒内呈弥散质点或粒状分布，则既可显著提高合金强度和硬度，又可使塑性和韧性下降不大，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。
是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。
复相强化当第二相的相对含量与基体处于相同数量级时，产生的强化。
其强化程度取决于第二项的数量尺寸分布形态等。
且如果第二项强度低于基体则可能起不到强化作用固溶强化由于溶质原子的固溶而引起的强化效应称为固溶强化影响因素：溶质种类、固溶体浓度、溶剂和溶质原子尺寸差、电子浓度因素和溶质原子的强化效应由于溶质原子对位错运动产生阻碍。
包括弹性交互作用（柯氏气团）、电交互作用（铃木气团）和化学交互作用。
析出硬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可以获得过饱和固溶体，以便于第二相的析出。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One11、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显着。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。
形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显着；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
有色金属强化方式
固溶强化、冷变形强化、细晶强化、析出相强化、弥散强化和复合强化形变强化形变强化是通过塑性变形使铜合金的强度和硬度得以提高，它是最常用的铜合金强化手段之一。
由于冷加工产生的晶体缺陷对材料的导电性影响不大，这种强化方式在提高强度的同时仍使合金具有很高的导电性。
形变强化的特点是在材料强度上升的同时，其塑性迅速下降，导电率也会因位错密度的增加而略有下降。
另外，当使用温度上升时，材料会发生回复、再结晶过程而软化，而且单一的形变强化使合金的强度提高的幅度有限，所以常和其它强化方式同时使用。
固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入铜基体中形成固溶体，引起晶格畸变，畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使溶质原子移向位错附近，在位错周围形成溶质原子的偏聚即形成“柯垂尔气团”，结果造成位错运动时，一方面要克服“气团”的钉扎作用，另一方面又要克服溶质原子对位错运动的摩擦阻力，从而产生固溶强化效应。
同时合金元素的加入，可大大提细晶强化的效果可以用Hall-Petch关系式表示,晶粒尺寸减小，合金的强度提高。
这是因为多晶体在受力变形过程中，位错被晶界阻挡而塞积在晶界表面，这样停留在晶界处的滑移带在位错塞积群的顶部会产生应力集中；位错塞积群可以与外加应力发生作用，当该应力大到足以开动近邻晶粒内部的位错源时，滑移带才能从一个晶粒传到下一个晶粒。
由于晶界及相邻晶粒取向不同，这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶粒的运动，晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，对位错的阻力也越大，材料的强度就越高。
由于晶体的传导性能与结晶取向无关，晶粒细化仅使晶界增多，因而对铜的导电性能影响很小。
此外细晶强化在提高材料强度的同时还可以提高材料的塑性。
这是由于晶粒细化后，材料变形时晶界处位错塞积所造成的应力集中可以得到有效缓解，推迟了裂纹的萌生，在材料断裂前可以实现较大的变形量。
为了得到细晶粒组织，有几种方法可以采用：改变结晶过程中的凝固条件，如快速凝固法；形变配合再结晶细化晶粒；强塑性变形法，利用脱溶反应、纺锤分解、粉末烧结、内氧化等方法在合金内产生弥散的第二相以限制基体组织的晶粒长大；通过同素异形转变的多次反复实现晶粒的细化；通过加入某种微量合金元素来细化晶粒，稀土对铜合金晶粒有明显细化作用，可以显著细化铜合金晶粒。
强化铜合金的方法
强化铜合金的方法
晶粒增强是独特的变形增强技术，指在金属材料中引入独立的离散晶粒，以增强材料的强度、硬度和耐磨性。
此种增强方法有利于增强材料的热稳定性和热力学性能，主要有以下方法：
（1）粉末冶金技术：利用金属粉末和非金属粉末的反应，多层结构的粉末烧结成为合金或复合材料，这些金属粉末中的大多数粉末由晶粒组成，它们形成一种极其密集的离散团。
（2）烧结冶金技术：这种方法可以将晶粒烧结在金属材料表面，从而形成一层薄膜，从而增强材料的强度和硬度。
2、强化再结晶：
强化再结晶是把原来存在于材料中的大晶粒转变成小晶粒的技术，以增强金属材料的性能。
包括冷热再结晶及激发力再结晶。
（1）冷再结晶：把塑性变形后的金属放入室温或低温环境，其大晶粒会受到内力的作用而产生细晶粒，从而增加材料的强度、硬度和抗拉强度。
（2）热再结晶：把变形后的金属放入高温环境，让其回复原晶粒大小，并使其大小均匀，从而增加材料的强度。
（3）激发力再结晶：激发力再结晶是利用内热和外加力的作用，使金属中的大晶粒变成细晶粒的技术，从而增强金属的强度、硬度和抗拉强度。
3、变位复合：
变位复合是把一种金属材料的原子和另一种金属材料的原子混
合在一起，以增强材料的强度、硬度和抗拉强度的技术。
变位复合的方法有两种：以晶粒聚集形式变位复合，以及以相析出形式变位复合。
（1）晶粒聚集形式：利用金属的晶界变位来实现金属的复合，使金属固溶体中的金属原子处于同一位错晶结构中，从而增强金属的强度、硬度和抗拉强度。
（2）相析出形式：利用金属中的相析出物质来实现金属的复合，使金属中的原子形成一种独特的结构，从而增强材料的强度、硬度和抗拉强度。
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假设晶粒B中位错滑移方向为 QR， 它在QR方向上位错滑移临界应 力为 c， 此时： D( s i ) 2 cos c Gb 所以 Gb c 1/ 2 s＝ i＋ D cos Gb c 设K ＝ ，那么 cos 1 / 2 s＝ i＋K’ D s
’ s
8
什么是屈服强度
1）在应力1作用下，晶粒A内 A B 位错运动到晶界后受阻 2）晶粒B内的位错需要开动， 需要更大的外加应力 3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内 位错开动 4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作 用下，相邻的C晶粒内位错也能开动
9
4）位错运动能够从晶粒A、B、C。。。传递 下去 5）由于晶界的作用，应力从1增大到2，表现 为晶界对材料的强化作用 6）这种能够使位错在不同晶粒间传递下去的 应力（应力2）就是材料的屈服强度
A
B
17
如果采用正应力表示， 得到：
s＝ i＋K s D 1/ 2
这就是Hall－P et ch 公式，反映 材料屈服强度与晶粒直 径的 1 / 2成正比 讨论： 1 ） i 表征材料内位错运动阻 力，主要包括晶格摩擦 力，可以用派－纳力表 示 研究表明，应变速率提 高， i 增大；温度降低， i 增大
为外加切应力 i为位错在晶体内运动所 受到的阻力
A
B
13
按照位错塞积群理论， 2 L( i ) 2 n Gb 其中L为位错塞积群长度， 如果塞积群在晶内中心 ， 那么L＝D / 2 G为剪切弹性模量 b为布氏矢量 思考：位错塞积群不在 晶粒中心的情况？
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A
B
所以
g
D( i )
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• Hall－Petch公式本质 1）晶界两侧晶体存在取向差——位错滑移从晶粒A 传递到晶粒B需要额外的应力——该应力由晶粒A 中形成的位错塞积群提供 2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数 有关——塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶 粒尺寸D 3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少——需要 更大的外加应力——造成屈服强度提高
2）还包括位错交互作用产生的阻力 P-N力： fcc 位错宽度大，位错易运动。bcc 反之。 交互产生的阻力： 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错 交互作用产生的阻力。
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Gb c ， c相对固定，是两个相邻晶粒的取向 差。由于材料内的晶粒 cos 取向差别很大，因此 K S是一个变化的量。对于 多晶体，可以得到一个 的统计 2）K S＝ 平均值，材料确定，该 统计平均值确定。因此 K S也是材料的参数，是固 定数值. 研究发现材料滑移系越 多，K S越小。K S还与材料内位错钉扎强 度有关，C、N 原子钉扎会造成较大的 K S。
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• 滑移的临界分切应力 τ=(P/A)cosφcosλ φ—外应力与滑移面法线夹 角； λ—外应力与滑移方向的夹角； Ω= cosφcosλ称为取向因子。 • 因为各晶粒的取向不同， cosφcosλ不同
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• 室温下位错在晶体内的运动过程： ——位错运动到晶界后消失于晶界，或受 到晶界阻碍形成位错塞积 ——晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错 开动 ——相邻晶粒内位错开动需要更大的应力 ——需要外加应力提高，即屈服强度提高
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• 材料的构成 1）基体相 2）界面：包括相界面和晶界 3）第二相 • 举例： 1）Al－4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2， 2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的 第二相
4
• 金属强化途径：
内因： 界面（晶界）——细晶强化 溶质原子——固溶强化 第二相——第二相强化 提高位错密度——加工硬化
金属力学性能 第5章 金属及合金的强化方法
1
本章内容
5.1 强化的概念和途径 5.2 晶粒细化强化 5.3 固溶强化 5.4 第二相强化 5.5 加工硬化
2
5.1强化的概念和途径 • 金属失效方式——过量弹性变形；过量塑 性变形；断裂 • 金属塑性变形方式——位错滑移 • 提高位错运动阻力——强化金属 • 金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。 • 为什么不去提高金属的断裂强度？
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• Hall－Petch公式发现过程 发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch 都是英国剑桥大学研究生，Hall在论文中 对钢的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试 验研究；Petch采用位错塞积群理论进行 了理论分析。 • 材料科学中为数不多的定量描述公式之一 • 纳米材料中的Hall－Petch关系
屈服强度是位错能够在 晶粒间传递下去所需要的应力！！ • 举例：复合材料的屈服强度
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• 按照上面的思路建立晶界与位错运动的模 型，如下图
A B
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• 位错塞积群形成的方式（F-R位错源）
b S 1
2
12
位错塞积群顶端 Q处受到的应力为：
g n( i )
其中n为位错塞积群中位错个 数
外因：温度提高，位错运动容易，σs↓ 应变速率提高，σs↑ 应力状态: 切应力分量τ↑，σs↓ 特殊应力状态：平面应力和平面应变状态
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5.2 晶粒细化强化
• 晶粒：正常晶粒和亚晶粒 • 亚晶粒的形成原因？ • 晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界 （位向差小于10度） • 晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要 原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中 的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶 界为材料中的弱化区域，不起强化作用） • 晶界是位错运动的障碍 原因？
2
Gb 这是晶粒A中位错塞积群 在晶界Q处引起的应力集中
晶粒B中位错在Q处受到的应力为：
g＋＝n(－ i ) n (－ i ) g
15
假设晶粒B中位错滑移方向为 QR， 它在QR方向上位错滑移临界应 力为 c， 那么 g cos c D( s i ) 2 c Gb 上式涵义是：外加应力 作用下 — —引起位错塞积 — —塞积群应力集中达到 晶粒B位错滑移临界应力 — —此时外加应力使得位 错滑移从晶粒A传递到晶粒B — —该外加应力就是材料 的屈服强度 s