金属强化机制及实际应用

金属强化机制及实际应用
1.形变强化
金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。

变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，这是产生形变强化的主要原因。

2.固溶强化
溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强化。

例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强度和硬度的。

固溶强化的实质是由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用，并阻碍位错运动。

3. 第二相强化
只通过单纯的固溶强化，其强化程度毕竟有限，还必须进一步以第二相或更多的相来强化。

当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动，产生显著的强化作用。

如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为弥散强化。

4.细晶强化
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。

5.强化实例
5.1固溶强化[1]
残余可溶结晶相颗粒是制约高强度铝合金力学性能的重要因素。

作者通过改变固溶热处理条件并结合金相组织观察和断口分析研究了强化固溶对提高7055 铝合金力学性能的作用。

结果表明:采取逐步升温固溶处理可使最终固溶温度超过多相共晶温度而不产生过烧组织，提高残余可溶结晶相的固溶程度和合金力学性能。

强化固溶的7055合金的屈服强度和抗拉强度分别达715 MPa 和750 MPa，且延伸率约为10 %;微量元素Zr比Cr更有利于提高7055合金的力学性能，且在强化固溶条件下，提高效果更加明显。

通过断口分析显示，合金的断裂属晶内韧窝断裂与沿晶断裂的混合断裂;强化固溶后，残余结晶相引起的晶内韧窝断裂减少，沿晶断裂增加。

图1 7055 合金的金相组织
7055-C: a —一般固溶，T6 时效; b —强化固溶，T6 时效; 7055-Z: c —一般固溶，T6 时效; d —强化固溶，T6 时效
5.2弥散强化[2]
作者研究了在磨粒磨损条件和不同载荷的油磨条件下，原位合TiC弥散强化不同碳含量的普碳钢的磨损性能。

结果表明，运用原位合成工艺可以制备出微米级的TiC颗粒弥散强化普碳钢，TiC颗粒在强化钢中分布均匀，与基体结合良好。

加入TiC后，碳质量分数为0.55% 和0.8%的普碳钢在油润滑磨损条件下耐磨性得到了很大的提高。

当载荷为150N时，TiC弥散强化钢的耐磨性能比相应的基体钢提高了近一个数量级，但随着载荷的加大，TiC颗粒对抗磨损的改善作用减弱。

在碳质量分数大于1.0%的高碳钢中，引入TiC对材料性能的改善作用不如含碳量较低的碳钢显著。

在以刚玉轮为摩擦副的磨粒磨损条件下，含碳质量分数为0.55% 和0.8%的TiC弥散强化钢的耐磨性能比相应的基体钢分别提
高了大约100% 和50% 。

然而对碳质量分数为1.4%普碳钢，TiC的引入对耐磨损性能没有显著的改善作用。

图2 基体和弥散强化钢磨损体积对比图（载荷12.5N）
参考文献
1.陈康华,刘红卫,刘允中．强化固溶对7055铝合金力学性能和断裂行为的影响
[J]．中南工业大学学报, 2000 ,31 (6) 528-531
2.吴钱林,等．原位TiC颗粒弥散强化普碳钢的磨损性能[J]．东南大学学报(自
然科学版),2006 ,36 (15) 836-841。