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金属的强化手段有哪些？一文详细介绍常见的几种强化方式

创作时间:

作者:

@小白创作中心

金属的强化手段有哪些？一文详细介绍常见的几种强化方式

引用

来源

https://m.xianjichina.com/special/detail_549716.html

金属材料的强度和性能可以通过多种方式得到提升，这些方法被称为金属的强化手段。本文将详细介绍常见的几种金属强化方式，包括固溶强化、加工硬化、细晶强化和第二相强化，以及高温合金和镁合金的强化方式。

金属材料的四种强化方式

固溶强化

定义
合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理
溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素

溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

固溶强化的程度主要取决于以下因素

基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。
间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。

效果

屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；
大部分情况下，延展性低于纯金属；
导电性比纯金属低很多；
抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。

加工硬化

定义
随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。
简介
金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示加工硬化。
从位错理论角度解释

位错间发生交截，产生的割阶阻碍位错运动；
位错间发生反应，形成的固定位错阻碍位错运动；
位错发生增殖，位错密度增加使位错运动阻力进一步增大。

危害
加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。
好处
它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。又如坦克、拖拉机的履带、破碎机的颚板和铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。
在机械工程中的作用

经过冷拉、滚压和喷丸（见表面强化）等工艺，能显著提高金属材料、零件和构件的表面强度；
零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；
金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面变形均匀一致的冷冲压件；
可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝，由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力，加速刀具磨损等。

细晶强化

定义
通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上通过细化晶粒以提高材料强度。
原理
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。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
效果

晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；
细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。

细化晶粒的方法

增加过冷度；
变质处理；
振动与搅拌；
对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。

第二相强化

定义
复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相的存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。
分类
对于位错的运动来说，合金所含的第二相有以下两种情况：

（1）不可变形微粒的强化作用（绕过机制）。
（2）可变形微粒的强化作用（切过机制）。
弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。

效果
第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。

高温合金的强化方式

固溶强化：

通过向基体合金中加入 W、Mo、Cr、Ta、Nb 等元素固溶强化基体。由于添加元素和基体的晶格常数不一致，因此造成基体晶格畸变，降低基体的层错能，产生短程有序及原子偏聚，阻碍位错运动，同时也降低固溶体中元素扩散系数以及强化合金基体。固溶强化作用与溶质和溶剂原子尺寸差别相关，基体元素与添加元素的电子和化学因素差异在很大的程度上会影响合金元素在基体中的溶解度。固溶强化可以提高合金的热强性主要体现在以下两个方面：当T≤0.6Tm 时，由于晶格畸变，基体的滑移抗力增大，滑移变形困难从而强化；当T≥0.6Tm 时，原子间的结合力增大，基体中元素扩散能力下降，合金的再结晶温度升高，阻碍扩散形变进行。

第二相沉淀强化

向合金添加 Al、Ti、Nb、Re、Ta 等元素，形成稳定 γ′相；加入 C、B 等元素与 Cr、Mo、W、Ti、Nb 等形成各种类型的碳化物，强化基体及晶界，强化程度与强化相类型、形态、数量、大小以及分布有关。一般而言，γ′相在基体中以共格的形式析出，在 γ′相周围存在较强的弹性应力场，基体与 γ′相点阵错配度越大，应力场也就越强，强化效果也就会明显。此外，γ基体与析出的 γ′相共格，晶体点阵相同，能够被移动的位错所切割，形成反相畴界和超点阵位错，进而强化基体。钴基高温合金以碳化物析出沉淀硬化为主，碳化物硬而脆且在基体中以非共格的形式析出，其强化作用的特点为：低温时位错以绕过方式通过第二相碳化物；在高温蠕变条件下，位错的攀移机制起主导作用。另外，如果碳化物具有在高温下溶解及低温下析出的可能性、碳化物的结构与基体相近、具有均匀析出的特点时有利于提高强化效果。但当碳过饱和时，往往形成大块状的碳化物，引起脆化、团聚碳化物、降低合金元素的恶扩散能力等条件就会起到较好的强化作用。钴基与镍基高温合金强化方式有所不同，沉淀强化机制认为：γ′相在钴基合金中呈脆性形态沉淀析出，错配度较大，恶化了合金的高温性能。钴基高温合金不是通过基体中有序沉淀相来强化的，它主要是通过固溶强化奥氏体基体和基体中分布少量碳化物来实现强化作用，铸造钴基高温合金主要依靠碳化物强化。

晶界强化

通过添加 B、C、Zr 等元素填补原子空位，晶界的合金化程度得以提高、净化晶界、减缓晶界移动、合金的高温晶界强度上升。高温时晶界是薄弱环节，因而在断裂时呈现出沿晶断裂特征。晶界上原子排列紊乱，晶格畸变严重，晶体内部存在各种各样的晶体缺陷，如位错、孔洞等。在室温快速形变时，晶界基本上不参与形变，并且晶界阻止晶内滑移的贯穿，有利于强化合金。高温蠕变时，晶界的强度低并参与变形，晶界形变量有时达总形变量的 50%左右。一般而言，低温时晶界强度比晶内强度高，晶界强度和晶内强度随温度升高而下降，但晶界强度下降得更快，在某一温度范围，晶内强度与晶界强度相当；当温度再次升高，晶内强度比晶界强度高。

镁合金的强化方式

为了进一步提升镁合金的综合性能，材料学者们对镁合金的强化机理进行了深入研究。目前认为，镁合金的强化方式主要包括以下几种方式，即细晶强化、固溶强化、第二相强化、形变强化和复合强化。

细晶强化

金属的力学性能与其晶粒大小关系密切，霍尔-佩奇 (Hall Petch) 公式阐述了金属材料的屈服强度和品粒大小之间的关系，具体表示为:

其中o表示金属材料的屈服强度，d 表示金属材料的品粒尺寸,k表示金属材料的 HallPetch 常数。由霍尔-佩奇公式可知，金属材料的晶粒尺寸越小，屈服强度越大。并且镁合金的品粒得到细化后，其在常温下的塑性也会得到明显改善。

此外，随着品粒尺寸的减小，金属材料的晶界面积随之增加，所以能够有效抑制材料中裂纹的扩展，提升金属材料的力学性能。

镁合金具有密排六方的品体结构，其 Hall Petch 常数通常比面心立方和体心立方的合金高，因此细晶强化效果尤其显著。

目前可以通过使用错、钙、银等品粒细化剂来细化镁合金的晶粒，也可以通过塑性变形或热加工的方式来达到细化镁合金品粒的目的。

固溶强化

当其他合金元素固溶于镁基体时，由于溶质原子与镁基体原子的原子半径不同等因素，会引发镁基体的品格暗变，进而产生应力场，阻碍合金中位错的运动，从而达到强化镁合金的目的，这种强化方式称为固溶强化。

固溶强化的效果与溶质原子的浓度、原子半径和弹性模量等因素有关。溶质原子的浓度越高，合金元素的原子半径和弹性模量与镁基体元素的原子半径和弹性模量的差别越大，溶质原子的价电子数与镁基体原子的价电子数差别越大，则对镁合金的固溶强化效果越明显。

铝元素、锌元素和稀土元素对镁合金的固溶强化效果均十分显著。溶质原子对合金的强化效果可以表述如下：

其中 r指的是固溶强度导致的临界分切应力的增加，t\x代表单位溶质原子通过晶格畸变引起的临界分切应力增量，x 表示溶质原子占总原子数的比例。

形变强化

形变强化主要通过品粒细化的方式实现对镁合金的强化。本文对 Mgx at% Co-6.0at%Y ( 0.0，1.0，2.0，4.0) 合金和 M-1.0at% Co-6.0at% Y-xat%Sn (x 0.0，0.5.1.0，2.0，4.0) 合金所进行的热挤压处理，便属于形变强化。热挤压工艺细化镁合金品粒的主要原理为，镁合金在热挤压过程发生了动态再结品或在热挤压完成后发生了静态再结品。

研究经过热挤压处理的 AZ91 合金发现，挤压后的品粒尺寸随 Zener-Hollomon参数 Z的增加而减小。Zener-Hollomon 参数表述为：

其中，飞表示挤压速率，0 为镁基体的品格扩散激活能，R 表示气体常数，T表示挤压温度。根据式，可以通过提高热挤压过程的挤乐速率和降低热挤压过程的挤乐温度来获得更细小的品粒。此外，利用等角挤压技术对镁合企进行处理，同样可以得到均匀细小的品粒口。