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「材料課堂」金屬的四種強化機制

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金屬的強化是指通過合金化、塑性變形、熱處理等手段提高金屬材料的強度。金屬的實際強度只有理論強度的幾十分之一,甚至幾千分之一。為了提高金屬的強度,常用的強化方法有形變強化、固溶強化、第二相強化、析出強化。

「材料課堂」金屬的四種強化機制

典型的金屬材料拉伸曲線

1、 形變強化

  • 隨變形程度的增加,材料的強度、硬度升高,塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬化。
  • 隨塑性變形的進行,位錯密度不斷增加,導致位錯運動時的相互作用增強,位錯運動阻力增大,變形抗力增加,從而提高金屬的強度。
  • 變形程度增加,位錯密度不斷增加,根據公式Δσ=αbGρ1/2 ,強度與位錯密度(ρ)的二分之一次方成正比,位錯的柏氏矢量(b)越大強化效果越顯著。
  • 通常采用冷變形(擠壓、滾壓、噴丸等)的方法進行強化。形變強化是強化金屬的有效方法,尤其對于一些不能用熱處理強化的材料;還可以使金屬均勻變形,提高零件或構件在使用過程中的安全性。
  • 形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩,變形使強度升高、塑性降低,需要進行再結晶退火,增加生產成本。
「材料課堂」金屬的四種強化機制

位錯塞積示意圖

2、 固溶強化

  • 固溶強化的實質是將合金元素溶入基體相中形成固溶體,由于兩者原子半徑的差異及晶格改變造成內部晶格畸變,使金屬的強度、硬度升高,塑性、韌性下降。
  • 固溶強化的機理一是溶質原子使固溶體的晶格發生畸變,對滑移面上運動的位錯有阻礙作用;二是位錯線上偏聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用,增加了位錯運動的阻力;三是溶質原子在層錯區的偏聚阻礙擴展位錯的運動。
  • 在固溶體溶解度范圍內,合金元素的質量分數越大,則強化作用越大;溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大,強化效果越顯著;形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素;溶質原子與溶劑原子的價電子數差越大,則強化作用越大。
  • 固溶強化通常采用的方法是合金化,即加入合金元素。
「材料課堂」金屬的四種強化機制

固溶體示意圖

3、第二相強化

  • 第二相強化一般指各種化合物質點。通過各種手段使第二相質點彌散分布,可以阻礙合金內部的位錯運動,從而提高屈服強度和抗拉強度。目前工業上使用的合金大都是復相或多相合金,其顯微組織為在固溶體基體上分布著第二相(過剩相)。
  • 鋼中第二相的形態主要有三種,即網狀、片狀和粒狀。網狀特別是沿晶界析出的連續網狀Fe3C,降低的鋼機械性能,塑性、韌性急劇下降,強度也隨之下降。
  • 第二相為片狀分布時,片層間距越小,強度越高,塑性、韌性也越好。第二相為粒狀分布時,顆粒越細小,分布越均勻,合金的強度越高,第二相的數量越多,對塑性的危害越大;
  • 沿晶界析出時,不論什么形態都降低晶界強度,使鋼的機械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。
  • 第二相強化的方法通常是加入合金元素,然后通過熱處理或塑性加工第二相的形態及分布。
「材料課堂」金屬的四種強化機制

4、細晶強化

  • 細晶強化:隨晶粒尺寸的減小,材料的強度硬度升高,塑性、韌性得到改善的現象稱為細晶強化。細化晶??梢酝瑫r提高強度,改善鋼的韌塑性,是一種較好的強化材料的方法。
  • 合金的晶粒越細小,內部晶粒和晶界的數目就越多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規則性、原子能量高的這一特點,對材料進行強化。根據霍爾-配奇關系式,晶粒的平均直徑越小,材料的屈服強度越高。
  • 細化晶粒的方法主要有:結晶過程中增加過冷度,變質處理,振動及攪拌的方法增加形核率細化晶粒。冷變形金屬通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒。通過正火、退火的熱處理方法細化晶粒;在鋼中加入強碳化物物形成元素等。
  • 晶粒尺寸小于臨界尺寸dc時,會出現反霍爾-佩奇現象,即強度隨晶粒尺寸的減小而減小。
「材料課堂」金屬的四種強化機制

反霍爾-佩奇現象

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