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金属材料的四种强化方式

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一、形变强化(或应变强化,加工硬化)
01
定义

材料屈服以后,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。

02
机理

随着塑性变形的进行,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,根据公式图片,可知强度与位错密度ρ的二分之一次方成正比,位错的伯氏矢量b越大,强化效果越显著。

03
方法

冷变形,比如冷压、滚压、喷丸等。

04
例子

冷拔钢丝可使其强度成倍增加。

05
形变强化的实际意义(利与弊)

(1)利:

① 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。

② 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。

③ 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。

(2)弊:

① 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,始继续变形带来困难,需要消耗更多的功率。

② 为了能让材料继续变形,中间需要进行再结晶退火,使材料可以继续变形而不至开裂,增加了生产成本。

二、固溶强化
01
定义

随溶质原子含量的增加,固溶体的强度、硬度升高,塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。

02
机理

(1) 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。

(2) 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。

(3) 溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻碍位错运动,增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

03
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相差越大,强化效果越显著。

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相差越大,强化作用越大。

04
方法

合金化,即加入合金元素。

05
例子

铜镍合金的强度大于铜和镍纯金属的强度。

三、细晶强化
01
定义

随晶粒尺寸的减小,材料的强度、硬度升高,塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。

02
机制

其原理在于晶界对位错滑移的阻滞效应。对于多晶体来说,位错运动必须克服晶界的阻力,这是由于晶界两侧位错的取向不同,所以在某一个晶粒中,滑移的位错不能直接穿越晶界进入相邻的晶粒,只有在晶界处塞积了大量的位错后引起应力集中,才能激发相邻晶粒中已有位错的运动产生滑移。所以晶粒越细,材料的强度就越高。

03
规律

晶粒越细,晶界面积越大,根据霍尔-佩奇公式图片,晶粒的平均直径d越小,材料的屈服强度σs越高

04
细化晶粒的方法

①结晶过程中可以通过增加过冷度,变质处理,振动及搅拌增加形核率来细化晶粒;

②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;

③可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒;

④可以在钢中加入合金元素,形成新相从而抑制晶粒长大。

四、第二相强化
01
定义

在金属基体中还存在另外一个或几个其他的相,这些相的存在使金属的强度得到提高。因获得第二相的工艺不同,第二相强化分为:①沉淀强化:通过相变热处理获得第二相②弥散强化:通过粉末烧结或内氧化获得第二相。

02
机制

位错在运动过程中遇到第二相,需要绕过或切过第二相,从而第二相阻碍了位错的运动,使得材料的强度提高。

03
例子

钢中渗碳体的存在使钢的强度得到提高。

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