金属材料的强化与韧化

第十章材料的强韧化节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。

通过改变材料的内制材料性能的目的。

不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。

一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局变。

固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。

（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程位错的交互作用导致致错运动受阻。

溶质相位错的交互作用是二者应力场用。

作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使成弯曲形状。

如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。

x—x＇，A的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。

处于位错线上的少数溶质原子与位互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。

相对于x—x＇的偏离为x在方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。

位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。

在切应力τ动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻。

若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。

由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。

由ABC变为AC，平均位力需要做功为τb(2y)·x/2，故1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。

用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，溶质钉扎将降低的能量为所以设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。

1、金属材料的韧化•各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故•促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的•为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性韧化原理•断裂韧性：材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高•提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性•断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高沿晶断裂与晶粒度•由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用•晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大•细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施•合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行•如E n24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，K IC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。

•K IC值：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

•它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

•通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益2、脆性相•脆性相对材料韧性的影响很复杂•①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多•②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性•③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性•④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响脆性相各种几何学参量对韧性影响•①含量(f v)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低•②大小(D) ： D愈大，韧性下降愈多•③间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高•④形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物沿纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差•⑤类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低3、韧性相对韧性的影响•①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止•②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性•③复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。

金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。

关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。

一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。

已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。

这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。

另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。

事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。

对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。

具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。

下面简要的予以介绍：1、结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。

它包括：（1）细化晶粒。

细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。

同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。

（2）提纯强化。

在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。

夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。

采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。

2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。

这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。

如铜合金。

3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。

控轧与控冷1钢的强化和韧化1.1钢的强化机制通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。

金属学方面可应用的强化机制可以有以下几种：置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用（固溶强化、激冷强化）；位错以线状障碍物形式起作用（通过冷加工变形的强化）；晶粒界作为面状的障碍物形式起作用（通过晶粒细化）；非内聚的析出和内聚的析出显示为空间障碍物形式起作用（弥散强化、沉淀强化）。

1.1.1固溶强化要提高金属的强度可使金属与另一种金属（或非金属）形成固溶体合金。

固溶体合金或以固溶体为基的合金（如碳钢等）一般具有较纯金属高的强度。

这种采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。

钢中最主要的合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Cu和P都能构成置换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强度呈线性增加。

除了置换元素外，C、N等元素在Fe中形成间隙固溶体，但它们在铁中的溶解度都很低，而且随着温度的下降而大大下降。

因此C、N在固溶含量内对屈服强度和抗拉强度的增长影响都很小。

假定合金元素的叠加作用呈线性关系，就可以列出下式用以计算由化学成分引起的强度值。

屈服强度σS（MPa）=9.8{12.4+28C+8.4Mn+5.6Si+5.5Cr+4.5Ni+8.0Cu+55P+[3.0-0.2(h-5)]}抗拉强度σb（MPa）=9.8{23.0+70C+8.0Mn+9.2Si+7.4Cr+3.4Ni+5.7Cu+46P+[2.1-0.14(h-5)]}式中h为产品厚度，各元素含量以百分含量代入。

根据大量的实验结果可得到下表1-1的数据。

1.1.2位错强化图1-1表明实际晶体的强度比理论晶体小得多,但同时随着晶内缺陷或晶格崎变的程度的增加而使强度提高。

塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此位错密度值随着变形而不断提高，一直可达到1012/cm 2。

如果要继续塑性变形就要提高应力值，也就是说材料被加工硬化了。