完整版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

1、金属的五种强化机制及实例1 固溶强化(1) 纯金属参加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,故但凡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

2、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,例如在铝合金中参加铜、镁；在镁合 金中参加铝、锌；在铜合金中参加锌、铝、锡、镣 ;在钛合金中参加铝、钮等.表1几种普通黄铜的强度(退火状态)表1 J团普通黄铜的强度(退火状态)牌号H96H90田0H6SH62显微组织+底落体(4 W)又固浴体 ("g(20 W)必固溶体(32 *边)崖固溶体 (380oZi)吼(雌)240260310330360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5

3、0 %时到达极大值.以普通黄铜为例 ：H96的含锌量为4 %, M 为240MPa,与纯铜相比其强度增加 911 %;H90的含锌 量为10 %, b b为260MPa,与H96相比强度仅提升 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. 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.实验说明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、

4、硬度、塑性和韧性.这是由于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.(3)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炽热处理.该工艺处理的主要好处在于提升了本工件的强度和 韧性.分析如下：亚温淬火在原奥氏体晶界上形成细小的奥氏体晶粒,奥氏体面积也变大了数倍；杂质在晶界偏析较少,可 以细化晶粒和减少晶界偏析；加热温度较低,晶粒长大倾向小,实际晶粒较细；淬火时,马氏体被细化,而且细小晶粒的交 界面曲折多弯,可以阻挡裂纹的扩展,两相区淬火时碳化物的析

5、出过程及碳化物的形态不同于普通淬火,可减轻回火脆性提 高冲击韧度同时亚温淬火采取水冷,冷速的提升也使晶粒得到细化.所以亚温淬火在保持抗拉强度不变的情况下,可提升冲 击韧度.由于亚温淬火,存在一局部未溶铁素体,可以提升材料整体的塑性.由以上分析可知,ZG35CrMnSi钢强化手段主要有细晶强化,第二相强化和位错强化.3 形变强化(1) 随着塑性变形量的增加,金属流变强度也增加,这种现象称为形变强化.形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷 作硬化.(2) 形变强化的机理是：冷变形后金属内部的位错密度将大大增加,且位错相互缠结并形成胞状结构(形变亚晶),它们不但阻碍位错滑移,而且使不能滑移的位错数量

6、剧增 ,从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提升.(3)例如高温形变淬火钢及其经形变硬化的效果.胡 材H拌事称IdlAft度V冲10QQ (ft此旧于n子尊 火机上宜at悸火在冲出崖机仲长事0持木疑 岫田下,掾窗直wK-io%K ilinrn 方怪 肇巧IB轧 尹See550在陆和宅布帷有所激番西磐4. 性普胸性瓯咨帕好 停下,普育碰度篇.岩MEMft IF7 E岫件卜席诅Ufc 1S/SA-T?U房350在雄高住粼茄握卜.建喜营度g克左右EOUaCA SSCr)35000勺SA陌1牌常瓶噂技比凝,粒 寿的忙CDSiZMnU410她Bit瞥整虚,耳督H熟姓同 比*.重员N网*左右457IC37

7、S卷魔H在耻X耐序住善帷商RCrlS的150GCrU1.140槌鬲蛇电野命土情4 弥散强化(1) 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相细粒而产生强化的方法,称为弥散强化.弥散强化亦称第二相强化或沉淀强化.第二相是通过参加合金元素然后经过塑性加工和热处理形成,也可通过粉末冶金等方法获得.第二相大都是硬脆、晶体结构复杂、熔点较高的金属化合物,有时是与基体相不同的另一种固溶体.第二相的存在一般都使合金的强度升高.只有当第二相强度较高时,合金才能强化.如果第二相是难以变形的硬脆相,合金的强度主要取决于硬脆相的存在情况.当第二相呈等轴状且细小均匀地弥散分布时,强化效果最好；当第二相粗大、沿晶界分布或呈粗

8、大针状时,不但强化效果不好,而且合金明显变脆.如果第二相十分细小,并且弥散分布在基体相晶粒中,称为弥散分布型多相合金.经过淬火+时效处理的铝合金、经过淬火+时效处理的钛合金、以及许多高温合金和粉末合金均属于这类合金.(2) 其强化机制是：由于第二相微粒的晶体结构与基体相不同 ,当位错切过微粒时必然在其滑移面上造成原子排列错配 , 增加了滑移阻力.另外每个位错切过微粒时 ,均使微粒产生宽度为位错柏氏矢量的外表台阶 ,增加了微粒与基体间的界面积需要相应的能量.微粒周围的弹性应力场与位错产生交互作用,将增加位错滑移的阻力.微粒的弹性模量与基体不同,如果微粒的弹性模量较大,也将使位错滑移的阻力增大.最

9、后 ,微粒尺寸和体积分数对合金的强度也有影响,增大微粒尺寸和体积分数,都有利于合金强化.(3) 实例：TZMI目合金主要在温度高于 1000 C的情况下使用,具有熔点高,强度大,弹性模量高和高温力学性能好等特点.TZMI目合金是在钳中参加一定量的Ti和Zr而形成的一种高温合金.其中除少量的Ti和Zr形成碳化物外,有 90.77 %以上的Ti , 94.62 %以上的Zr及41.8 %以上的C固溶到基体 Mo中,Ti和Zr主要起固溶强化作用,另外合金中局部富集在晶界 的碳化物起一定的强化作用,因而使钳基体得到Mo-Ti固溶体的固溶强化和 TiC质点的弥散强化.5 时效强化(1) 是指在固溶了合金

10、元素以后,在常温或加温的条件下,使在高温固溶的合金元素以某种形式析出(金属间化合物之类),形成弥散分布的硬质质点,对位错切过造成阻力,使强度增加,韧性降低.(2) 时效强化机制是：先通过固溶淬火获得过饱和固溶体,在随后的时效(人工时效或自然时效)过程中将在基体上沉淀出弥散分布的第二相溶质原子富集区、过渡相或平衡相,通过沉淀强化使合金的强度升高.在热处理前后第二相的组织形 态发生了很大变化,而这些变化均有利于合金强化.3实例：许多铝合金、镁合金和铜合金都可以通过淬火、时效提升强度,许多钛合金主要是6型钛合金和a + 6型钛合金可以通过马氏体转变提升强度,而且强度增幅很大,有时可以通过热处理将强度

11、提升百分之几十甚至几倍.例如表4.表4凡种有色金属的熟处理强化效果W 号铝合金麝合金镂青铜LY1LM24.1® 退火态300 粹火+自然时效230 退火右+» 停火+自然时效180【铸态255律火+人工时却400-600 软态1150 禅火十时效表5反映了 Al - Cu 合金在热处理前后的组织变化情况.表5 .AbCu合金热处理前后的组织变化第二相类型第二相大小第二相分布第二相形态第二相晶粒数量济大时效航e (CuAlz)不均匀.主要分布在品界块状一奕角状品粒租大J数量少淬火时效卮队过渡相细小在基体上均匀分布颗粒状晶检细小,V数量大大增加钛合金的热处理强化和铝合金有本质上

12、的区别.钛合金淬火的目的是为了获得马氏体 ,在随后的时效过程中通过马氏体分解析出弥散分布的第二相,从而起到强化作用.马氏体强化实际上是一种综合性强化方法 ,它综合了细晶强化马氏体晶粒远 较母相晶粒细小、固溶强化马氏体是过饱和固溶体、位错强化马氏体中含有高密度位错和第二相强化主要是不可变 形微粒的沉淀强化于一体,操作亦比较简便,是一种经济而有效的强化方法.表 6显示了几种钛合金的热处理强化效果.表6 儿种侏合金的热处理强化效果合金组成热处理强 化效果退火淬火+时效U-6A1-4V950110016TS-6Al-3Mr0.3 &1000120020Ti-5.5Al-3Nfe-lV900120033H-13X-llC