金属的强化方法及机理优秀课件

弹性交互作用
化学交互作用
电学交互作用
（二）细晶强化(P14)
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。
晶粒大小对纯铁力学性能的影响
晶粒的平 均直径 d(mm)
9.7 7.0 2.5
抗拉强度 b(MPa)
延伸率(%)
168
28.8
184
30.6
215
39.5
细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善 材料的塑性和韧性。
因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多， 变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生， 以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而 引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可 能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面 收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。
随着时效时间的延长，由于弥散新相的析出而使合金的强度、硬 度升高，这种现象称为时效硬化。时效硬化即脱溶沉淀引起 的沉淀硬化。
固溶与时效处理的 工艺过程
弥散强化机制
➢绕过机制：基体与中间相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。
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。
3、金属强度与位错密度有左图所示的关系
晶须强度 晶须强度 强 度 加工硬化态金属
退火态金属
金属强度与位错 密度关系示意图
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。
非晶态金属 位错密度
实验证明，金属强度 与位错密度有左图所 示的关系。退火态金 属的位错密度为 106~108/cm2 ，强度最 低，在此基础上增加 或降低位错密度，都 可有效提高金属强 度。加工硬化态金属 的位错密度为 1011~1012/cm2 。
冷加工过程中，除了力学性能的变化， 金属材料的物理化学性能也有所改变。
生产中细化晶粒的方法: 1、加快凝固速度 2、变质处理（如纯铝铸锭） 3、振动和搅拌
Ti变质处 理
未变质处理
（三）位错强化(P40)
1、概念
金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发 生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运 动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高 金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度 的方法称为位错强化。
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以上，在某一温度保持一定 时间，使得B组元充分溶入α固溶体中，然后迅速冷却，抑制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ຫໍສະໝຸດ Baidu效。
位错→
切应力
第二相颗粒
➢切过机制：位错与颗粒之间的阻力较小时，直 接切过第二相颗粒，结果硬颗粒被切成上下两部分， 并在切割面上产生位移，颗粒与基体间的界 面面积增大，需要做功。并且，由于第二相与基 体结构不同，位错扫过小颗粒必然引起局部原子 错排，这也会增加位错运动的阻力，从而使金属 强化。
新的界面
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。
金属的强化方法及机理优秀课 件
固溶强化机制
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
新的界面
Mg17Al12
Mg3Sb2
例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大， 给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使 电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高 能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使 抗腐蚀性能降低。
（四）第二相强化
第二相粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着 的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过， 或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过 程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所 以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小， 粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。 这种有第二相粒子引起的强化作用称之为第二 相强化。根据两者相互作用的方式有两种强化 机制：弥散强化和沉淀强化。