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金屬材料的四種強(qiáng)化方式:形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化

發(fā)布時(shí)間:2022-11-17點(diǎn)擊:4182

一、形變強(qiáng)化(或應(yīng)變強(qiáng)化,加工硬化)

材料屈服以后,隨變形程度的增加,材料的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強(qiáng)化或加工硬化。

機(jī)理

隨著塑性變形的進(jìn)行,位錯(cuò)密度不斷增加,因此位錯(cuò)在運(yùn)動時(shí)的相互交割加劇,結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙,使位錯(cuò)運(yùn)動的阻力增大,引起變形抗力增加,給繼續(xù)塑性變形造成困難,從而提高金屬的強(qiáng)度

規(guī)律:變形程度增加,材料的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性下降,位錯(cuò)密度不斷增加,根據(jù)公式圖片,可知強(qiáng)度與位錯(cuò)密度ρ的二分之一次方成正比,位錯(cuò)的伯氏矢量b越大,強(qiáng)化效果越顯著。

方法:冷變形,比如冷壓、滾壓、噴丸等。例子:冷拔鋼絲可使其強(qiáng)度成倍增加。

形變強(qiáng)化的實(shí)際意義(利與弊)

1)利:

① 形變強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的有效方法,對一些不能用熱處理強(qiáng)化的材料,可以用形變強(qiáng)化的方法提高材料的強(qiáng)度,可使強(qiáng)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,使金屬均勻變形,使工件或半成品的成形成為可能,如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形。

③ 形變強(qiáng)化還可提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性,零件的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或過載現(xiàn)象時(shí),使該處產(chǎn)生塑性變形,因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。

2)弊:

① 形變強(qiáng)化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩,變形使強(qiáng)度升高、塑性降低,始繼續(xù)變形帶來困難,需要消耗更多的功率。

② 為了能讓材料繼續(xù)變形,中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火,使材料可以繼續(xù)變形而不至開裂,增加了生產(chǎn)成本。 

二、固溶強(qiáng)化

隨溶質(zhì)原子含量的增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化。

機(jī)理

(1) 溶質(zhì)原子的溶入,使固溶體的晶格發(fā)生畸變,對滑移面上運(yùn)動的位錯(cuò)有阻礙作用。

(2) 位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對位錯(cuò)起釘扎作用,增加了位錯(cuò)運(yùn)動的阻力。

(3) 溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)的偏聚阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動。所有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動,增加位錯(cuò)移動阻力的因素都可使強(qiáng)度提高。

規(guī)律

①在固溶體溶解度范圍內(nèi),合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,則強(qiáng)化作用越大

②溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸相差越大,強(qiáng)化效果越顯著。

③形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素

④溶質(zhì)原子與溶劑原子的價(jià)電子數(shù)相差越大,強(qiáng)化作用越大。

方法:合金化,即加入合金元素。

例子:銅鎳合金的強(qiáng)度大于銅和鎳純金屬的強(qiáng)度。

三、細(xì)晶強(qiáng)化

隨晶粒尺寸的減小,材料的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

機(jī)制

其原理在于晶界對位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng)。對于多晶體來說,位錯(cuò)運(yùn)動必須克服晶界的阻力,這是由于晶界兩側(cè)位錯(cuò)的取向不同,所以在某一個(gè)晶粒中,滑移的位錯(cuò)不能直接穿越晶界進(jìn)入相鄰的晶粒,只有在晶界處塞積了大量的位錯(cuò)后引起應(yīng)力集中,才能激發(fā)相鄰晶粒中已有位錯(cuò)的運(yùn)動產(chǎn)生滑移。所以晶粒越細(xì),材料的強(qiáng)度就越高。

規(guī)律

晶粒越細(xì),晶界面積越大,根據(jù)霍爾-佩奇公式圖片,晶粒的平均直徑d越小,材料的屈服強(qiáng)度σs越高

細(xì)化晶粒的方法

①結(jié)晶過程中可以通過增加過冷度,變質(zhì)處理,振動及攪拌增加形核率來細(xì)化晶粒;

②對于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細(xì)化晶粒;

③可以通過正火、退火的熱處理方法細(xì)化晶粒;

④可以在鋼中加入合金元素,形成新相從而抑制晶粒長大。

四、第二相強(qiáng)化

在金屬基體中還存在另外一個(gè)或幾個(gè)其他的相,這些相的存在使金屬的強(qiáng)度得到提高。因獲得第二相的工藝不同,第二相強(qiáng)化分為:①沉淀強(qiáng)化:通過相變熱處理獲得第二相②彌散強(qiáng)化:通過粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得第二相。

機(jī)制

位錯(cuò)在運(yùn)動過程中遇到第二相,需要繞過或切過第二相,從而第二相阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動,使得材料的強(qiáng)度提高。

例子:鋼中滲碳體的存在使鋼的強(qiáng)度得到提高。

文章來源:材料基

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