金属的塑性变形和强化

简述金属材料常见的强化机制
【金属材料常见的强化机制】
1、组织强化：组织强化是指在金属中加入合金元素，使组织中存在多
种偏析，如晶粒强化和回料强化等，同时利用金属再结晶及其它形态
改变实现金属本身的构造更新和复杂化以改善材料的力学性能。

2、界面强化：界面强化是指将界面细被纳米或微米粒子掺杂在金属中，这些粒子能够比金属原子更加有效地堆积在一起，形成紧紧接合的界面，使界面的强度高于实质内部的强度，从而能够有效提升材料的抗
压强度和抗拉强度，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。

3、塑性变形强化：金属塑性变形强化主要是指利用塑性变形能够形成
许多金属层，每层金属之间形成不规则的纹理，并形成复杂的异常微
结构，这种结构可以提供足够的抗压强度，从而大大提高材料的强度
和耐磨性。

4、多尺度复合强化：多尺度复合强化是一种比较先进的强化机制，主
要是指将纳米颗粒和宏观结构结合在一起，充分利用各级尺度之间的
相互作用产生强度、韧性和硬度等材料性能的加强。

5、原位合金化强化：原位合金化强化指的是在金属晶体中内掺入比基
体原子更贵重的合金，因为这种原位合金能够有效改变铁素体组织的形貌，使晶体变得硬而脆，从而提高材料的强度和耐蚀性。

6、热处理强化：热处理强化是指将原材料经历不同的热处理过程，从而实现对材料金属晶体的形貌的改变，从而调整材料的力学性能，改变组织构造，提高材料的硬度和耐腐蚀性。

金属的五种强化机制及实例溶强化⑴纯金属加入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凡是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，例如在铝合金中加入铜、镁；在镁合金中加入铝、锌;在铜合金中加入锌、铝、锡、镍；在钛合金中加入铝、钒等。

表1 几种普通黄铜的强度（退火状态）表1儿种普通黄铜的强度（退火状态）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50 %时达到极大值。

以普通黄铜为例:H96的含锌量为4 % , ob为240MPa ,与纯铜相比其强度增加911 %;H90的含锌量为10 % , ob为260MPa ,与H96相比强度仅提高813 %.2 细晶强化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。

（2）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.⑶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火热处理.该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。

简述金属材料的四种强化机制
以《简述金属材料的四种强化机制》为标题，现在金属材料已成为工业生产过程中不可或缺的材料，因而如何有效提高金属材料的力学性能，使其具有高的强度，经久的耐久性以及足够的可塑性，一直是金属材料科学家们努力加以研究的课题。

目前，金属材料的强化机制具有四种：晶内扩散、晶间复合、晶粒细化和塑性变形强化。

第一种金属材料的强化机制是晶内扩散。

在金属材料的制备过程中，要添加一定数量的元素原子，随着材料的温度升高，原子会到达晶粒的表面，然后通过晶界驱动力渗入晶粒内部，产生一种强化效果。

此外，在晶内扩散过程中，可以增加材料的塑性变形，并减少材料的硬度和抗拉强度，因此可以提高材料的延展性，以及增加材料的韧性。

第二种金属材料的强化机制是晶间复合。

此强化机制主要是利用微小量碎陶粒组合成新的晶粒，以改变材料的形状和组成，进而改善材料的力学性能。

碎陶粒的共混物和部分原子可以进一步改变材料的力学性能，使其具有更好的耐磨性和抗拉强度。

第三种金属材料的强化机制是晶粒细化。

主要是通过改变材料的晶粒结构，使晶粒尺寸变得更小，以增加晶粒密度，进而改变晶粒之间的相互作用，改善材料的力学性能。

最后一种金属材料的强化机制是塑性变形强化，是在晶内扩散的基础上，通过塑性变形来改变晶粒的形状，达到改善材料力学性能的目的。

塑性变形强化的主要作用是增加材料的抗拉强度、抗压强度和抗弯曲强度。

总之，金属材料的四种强化机制分别是晶内扩散、晶间复合、晶粒细化和塑性变形强化，各自在工业生产中发挥了重要作用，研究者们还将持续努力，以进一步提升金属材料的力学性能。

金属材料的塑性变形与强化机制金属材料广泛应用于制造业、建筑业、交通运输等领域，其具有高强度、优良的导电导热性能、易于加工等优点。

然而，金属材料的应力应变曲线呈现塑性区，即在一定范围内，随着应力的增大，材料的应变会逐渐增大，直到达到极限，然后发生塑性变形。

在工程实践中，如何控制金属材料的塑性变形，提高其性能，使其更加适用于各个领域，成为了当前研究的热点之一。

1. 金属材料的塑性变形与尺寸效应塑性变形过程中，材料内部原子的晶体结构和排列方式发生了变化，从而导致了材料的强化和塑化。

同时，尺寸效应也对金属材料塑性变形产生了重要的影响。

研究表明，当金属材料的直径小于100纳米时，由于晶体结构的变化，材料的电学性能和机械性能会发生显著变化。

在实际应用中，如何利用尺寸效应来控制金属材料的塑性变形是一个重要的研究课题。

一方面可以采用纳米技术加工制备金属纳米材料，如纳米管、纳米棒、纳米线等，来控制材料的晶体结构，使其具有更好的力学性能和导电性能；另一方面，可以利用不同的加工工艺和冷加工方法，来实现对材料晶体结构的调控，从而达到强化和塑化金属材料的目的。

2. 金属材料塑性变形的机理金属材料的塑性变形机理主要是由晶体滑移和重结晶两种过程组成。

晶体滑移是指晶格错位后，晶体中原子的移动和重组。

原子的移动发生在晶格中的间隙和空位中，导致晶体中的错位位移和变形。

观察金属材料的断面可以发现，断面中由于晶体滑移所引起的形变形成了大量细小的位错，从而促使晶体不断地沿位错的移动方向继续发生滑移。

另一种机理是重结晶。

当金属材料发生过大变形时，原本的晶粒会发生变化，小的晶粒会变成大的晶粒。

这个过程叫做重结晶，它会导致材料内部结构的变化，从而促进材料通道滑移和位错修复。

3. 金属材料强化机制金属材料的强化可以通过多种途径实现。

其中，冷加工是一种非常有效的方式。

通过冷加工（如轧制、拉伸、挤压等）可以使材料产生高密度的位错，而这些位错会增加晶体滑移的阻力，使得材料的屈服强度和拉伸强度得到了提高。

金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。

金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。

当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。

当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。

1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。

研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。

晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。

大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。

2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。

每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。

但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。

产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。

所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。

（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。

试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。

这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。

很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。

（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。

因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。

故生产中都尽一切努力细化晶粒。

二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

实验一：金属冷塑性变形强化与再结晶一、实验目的1、掌握冷变形后金属的显微组织特点和硬度变化规律，理解变形量对金属硬度的影响。

2、掌握再结晶退火温度对再结晶组织形貌及晶粒大小的影响。

二、实验原理金属在外力作用下，当应力超过其弹性极限时将发生不可恢复的永久变形称为塑性变形。

金属发生塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生明显的变化。

经塑性变形后，随着变形量的增加，金属内部晶粒沿变形方向被拉长为偏平晶粒。

变形量越大，晶粒伸长的程度越明显。

变形量很大时，各晶粒将呈现出“纤维状”组织。

同时内部组织结构的变化也将导致机械性能的变化。

即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变硬化。

在本实验中，首先以工业纯铁为研究对象，了解不同变形量对硬度和显微组织的影响。

冷变形后的金属是不稳定的，在重新加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。

其中再结晶阶段金属内部的晶粒将会由冷变形后的纤维状组织转变为新的无畸变的等轴晶粒，这是一个晶粒形核与长大的过程。

此过程完成后金属的加工硬化现象消失。

金属的力学性能将取决于再结晶后的晶粒大小。

对于给定材料，再结晶退火后的晶粒大小主要取决于塑性变形时的变形量及退火温度等因素。

本实验以变形量为50%的工业纯铁为试样，在不同温度下进行再结晶退火，研究退火温度对再结晶组织的影响，并测定再结晶晶粒大小。

三、实验设备和材料1、实验设备液压机，实验轧机，金相显微镜，布氏硬度计2、实验材料（1）变形度为0%、30%、50%、70%的工业纯铁试样两套，一套经表面磨平后用于硬度的测定，一套经磨制、抛光处理后，用4%HNO3硝酸酒精溶液腐蚀；（2）工业纯铁经50%塑形变形后，分别在450℃、600℃、750℃保温30分钟，缓冷至室温，经镶嵌、磨制、抛光处理后，用4%HNO3硝酸酒精溶液腐蚀；四、实验内容及步骤1、变形量对工业纯铁冷变形显微组织和硬度的影响。

塑性变形对金属组织和性能的影响1. 塑性变形对金属组织结构的影响（1）晶粒发生变形金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。

当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。

变形前后晶粒形状变化示意图（2）亚结构形成金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。

金属经变形后的亚结构（3）形变织构产生金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。

形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 称为丝织构, 例如低碳钢经高度冷拔后, 其<100>平行于拔丝方向; 另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为板织构, 低碳钢的板织构为{001}<110>。

形变织构示意图2. 塑性变形对金属性能的影响（1）形变强化金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。

这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。

产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。

另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。

在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

（2）产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属的性能产生各向异性。

如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。

用有织构的板材冲制筒形零件时, 即由于在不同方向上塑性差别很大, 零件的边缘出现“制耳”。

在某些情况下, 织构的各向异性也有好处。

制造变压器铁芯的硅钢片, 因沿[100]方向最易磁化, 采用这种织构可使铁损大大减小, 因而变压器的效率大大提高。

金属材料的塑性变形机制与强化研究一、引言金属材料是工程领域中广泛使用的重要材料之一。

在使用过程中，金属材料的塑性变形机制和强化研究对于了解材料的性能、提高材料的力学性能以及设计和应用具有重要意义。

本文将深入探讨金属材料的塑性变形机制和强化研究，旨在为读者提供全面的了解和参考。

二、金属材料的塑性变形机制1. 组织和缺陷对塑性变形的影响金属材料的晶粒结构以及其中的缺陷（如晶界、位错等）对于材料的塑性变形具有重要影响。

晶界的存在会限制材料的滑移和位错运动，并增加材料的强度。

而位错的形成和运动是金属材料塑性变形的基本机制之一，位错的堆积和滑移在材料中引起了塑性形变。

2. 滑移机制金属材料的滑移是指在应力作用下，晶体中的原子或离子沿着晶格面或晶轴方向滑动，从而引起材料的塑性变形。

滑移机制在金属材料中起着重要作用，特别是在体心立方晶体结构的金属中，滑移发生最为常见。

3. 形变机制金属材料的形变主要是通过晶格面之间的滑移和位错运动实现的。

在滑移的过程中，位错会发生弯曲和交错，从而引起材料的形变。

滑移和位错的相互作用是金属材料形变机制的关键。

三、金属材料的强化研究1. 固溶强化固溶强化是通过合金中的固溶体形成固溶体溶解度差、晶界弥散、位错交互作用等方式，增加合金的强度和硬度。

固溶强化通过改变材料的微观结构，阻碍位错的运动和滑移，从而提高材料的塑性变形阻力。

2. 沉淀强化沉淀强化是通过在合金中形成亚稳定沉淀物，增加材料的强度和硬度。

沉淀物的形成会引起晶粒界面和位错的阻碍，从而有效地抑制材料的滑移和位错的形成，达到强化材料的目的。

3. 织构强化织构强化是通过控制金属材料的晶粒取向或晶粒形状来增加材料的强度和塑性。

通过优化材料的织构，可以使晶粒相互之间的滑移和位错运动受到限制，从而提高材料的力学性能。

4. 冷加工强化冷加工强化是通过机械变形来改变金属材料的微观结构，增加材料的位错密度，从而提高材料的强度和塑性。

冷加工强化的过程中，位错会累积和交织，形成互相阻碍的结构，从而增加材料的塑性变形阻力。