機(jī)械制造基礎(chǔ)大作業(yè)

1、 金屬材料的強(qiáng)韌化原理和方法摘要：本文系統(tǒng)地論述了金屬材料的強(qiáng)韌化原理和方法，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中的加工。關(guān)鍵詞：金屬材料 強(qiáng)韌化介紹：強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和斷裂的能力；韌性是指金屬材料在斷裂前吸收的斷裂變形功和斷裂功的能力。一、金屬材料的強(qiáng)化 強(qiáng)韌化意義 提高材料的強(qiáng)度和韌性。節(jié)約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和延延長服役壽命希望所使用的材料既有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性，通常的材料二者不可兼得理解材料強(qiáng)韌化機(jī)理，掌握材料強(qiáng)韌化現(xiàn)象的物理本質(zhì)，是合理運(yùn)用和發(fā)展材料強(qiáng)韌化方法從而挖掘材料性能潛力的基礎(chǔ) 提高金屬材料強(qiáng)度途徑 1.完全消除內(nèi)部的位錯(cuò)和其他缺陷，使它

2、的強(qiáng)度接近于理論強(qiáng)度 2.主要采用另一條途徑來強(qiáng)化金屬，即在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 目前雖然能夠制出無位錯(cuò)的高強(qiáng)度金屬晶須，但實(shí)際應(yīng)用它還存在困難，因?yàn)檫@樣強(qiáng)韌化意義提高材料的強(qiáng)度和韌性。節(jié)約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和獲得的高強(qiáng)度是不穩(wěn)定的，對操作效應(yīng)和表面情況非常敏感，而且位錯(cuò)一旦產(chǎn)生后，強(qiáng)度就大大下降 在生產(chǎn)實(shí)踐中，主要采用在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的方法來強(qiáng)化金屬，包括 1.固溶強(qiáng)化 2.細(xì)晶強(qiáng)化 3.第二相粒子強(qiáng)化 4.形變強(qiáng)化5、綜合強(qiáng)化1.固溶強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化：利用點(diǎn)缺陷對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力使金屬基體獲得強(qiáng)化的方法 溶質(zhì)原子在基體金屬晶格

3、中占據(jù)的位置分填隙式和替代式兩種不同方式 1. 填隙原子對金屬強(qiáng)度的影響可用下面的通式表示 2. 替代式溶質(zhì)原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，因而強(qiáng)化效果要比填隙式原子小，但在高溫下，替代式固溶強(qiáng)化變得較為重要 2.細(xì)化晶粒強(qiáng)化1.晶界對位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng) 2.晶界上形變要滿足協(xié)調(diào)性，需要多個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作，這同樣導(dǎo)致位錯(cuò)不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強(qiáng)度的增高 位錯(cuò)在多晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側(cè)晶粒中的滑移帶不能直接進(jìn)入第二個(gè)晶粒 晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯(cuò)被阻滯的地方就越多，多晶體的強(qiáng)度就越高 常溫下

4、一種有效的材料強(qiáng)化手段 高溫時(shí)晶界滑動(dòng)導(dǎo)致材料形變 ，細(xì)晶材料比粗晶材料軟，增加金屬材料高溫強(qiáng)度要增大晶粒尺寸。鎳基高溫合金利用定向凝固方法獲得較大晶粒尺寸甚至單晶，減少晶界對高溫強(qiáng)度不利影響，提高高溫下的強(qiáng)度 3.第二相粒子強(qiáng)化比固溶強(qiáng)化的效果更為顯著 通過相變熱處理獲得的，稱為析出硬化、沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化 第二相粒子的強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、間距、粒子的形狀和分布等都對強(qiáng)化效果有影響 4.形變強(qiáng)化 金屬材料具有加工硬化的性能，形變后流變應(yīng)力得到提高。 形變強(qiáng)化是因?yàn)榻饘僭谒苄宰冃芜^程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場不斷增大，位錯(cuò)間的交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)越來越困難 引起金屬加工硬化的機(jī)制

5、有：位錯(cuò)的塞積、位錯(cuò)的交割（形成不易或不能滑移的割階、或形成復(fù)雜的位錯(cuò)纏結(jié)）、位錯(cuò)的反應(yīng)（形成不能滑移的固定位錯(cuò)）、易開動(dòng)的位錯(cuò)源不斷消耗等等 形變強(qiáng)化不利方面 1)由于金屬在加工過程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率 2)由于形變強(qiáng)化使金屬變脆，因而在冷加工過程中需要進(jìn)行多次中間退火，使金屬軟化，才能夠繼續(xù)加工而不致裂開 3)有的金屬（如錸）盡管某些使用性能很好，但由于解決不了加工問題，其應(yīng)用受到很大限制 形變強(qiáng)化有利方面1)有些加工方法要求金屬必須有一定的加工硬化某些不銹鋼冷軋后的強(qiáng)度可以提高一倍以上用金屬板材沖壓成杯子時(shí)只有板材發(fā)生硬化，才能使塑性變形不斷進(jìn)行直至最

6、后沖壓成杯，金屬的拉伸過程（如拉絲）也要求金屬線材在?？谔幠苎杆儆不?)可以通過冷加工控制產(chǎn)品的最后性能冷拉的鋼絲繩不僅強(qiáng)度高，而且表面光潔工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅導(dǎo)應(yīng)用的銅導(dǎo)線，由于要求導(dǎo)電性好，不允許加合金元素，加工硬化是提高其強(qiáng)度的唯一辦法形變硬化不是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化方法,它受到兩個(gè)限制 1.使用溫度不能太高，否則由于退火效應(yīng)，金屬會(huì)軟化 2.由于硬化會(huì)引起金屬脆化，對于本來就很脆的金屬，一般不宜利用應(yīng)變硬化來提高強(qiáng)度性能 6、綜合強(qiáng)化在實(shí)際生產(chǎn)上，強(qiáng)化金屬材料大都是同時(shí)采用幾種強(qiáng)化方法的綜合強(qiáng)化，以充分發(fā)揮強(qiáng)化能力。例如：（1）固溶強(qiáng)化十形變強(qiáng)化，常用于固溶體系合金的強(qiáng)化。（2）結(jié)晶強(qiáng)化

7、+沉淀強(qiáng)化，用于鑄件強(qiáng)化。（3）固溶強(qiáng)化+沉淀強(qiáng)化。對于高溫承壓元件常采用這種方法，以提高材料的高溫性能。有時(shí)還采用硼的強(qiáng)化晶界作用，進(jìn)一步提高材料的高溫強(qiáng)度。二、金屬材料的韌化各種工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、船艇、飛機(jī)、電站設(shè)備、壓力容器、輸氣管道等，都曾出現(xiàn)過不少低于材料屈服強(qiáng)度下重大的脆性斷裂事故，促使人們認(rèn)識到片面追求提高金屬材料強(qiáng)度，而忽視韌性的做法是片面的。為了滿足高新技術(shù)發(fā)展的需求，對于金屬材料不僅要設(shè)法提高其強(qiáng)度，而且也需要提高其韌性1.韌化原理斷裂韌性是指材料在外加負(fù)荷作用下從變形到斷裂全過程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，則斷裂韌性愈高。提高斷裂韌性增加斷裂過程中能量消耗的措施都可

8、以提高斷裂韌性。斷裂韌性是材料的一項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，是材料的成分和組織結(jié)構(gòu)在應(yīng)力和其他外界條件作用下的表現(xiàn)，在外界條件不變時(shí)，只有通過工藝改變材料的成分和組織結(jié)構(gòu)，材料的斷裂韌性才能提高 。2.韌化方法（1）沿晶斷裂與晶粒度由于晶界兩邊的晶粒取向不同，穿過晶界比較困難，穿過后，滑移方向要改變，起了強(qiáng)化和韌化的作用。晶粒愈小，則晶界面積愈大，這種強(qiáng)化和韌化作用也愈大。細(xì)化晶粒是達(dá)到既強(qiáng)化又韌化目的的有效措施。合金鋼回火脆性時(shí)，斷裂易于沿晶界進(jìn)行。如En24鋼的奧氏體晶粒度由56級細(xì)化到1213級，KIC值則由141MPam1/2提高到266MPam1/2。KIC值：指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的

9、度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)。它是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對物體所作的功表示。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。通過晶粒細(xì)化，單位晶界面積偏聚的雜質(zhì)含量相應(yīng)減少，細(xì)化晶粒對于韌性有益 （2）脆性相脆性相對材料韌性的影響很復(fù)雜 少量的塑性變形若能使脆性相斷裂或與基體分開，則會(huì)產(chǎn)生裂紋，降低斷裂強(qiáng)度，脆性相愈大降低愈多 晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界區(qū)的塑性松馳，起到硬化作用，可以通過位錯(cuò)塞積

10、機(jī)理在晶界產(chǎn)生裂紋而降低韌性 晶內(nèi)脆性相，如排列較密，則可縮短位錯(cuò)塞積距離，使解理斷裂不易發(fā)生，從而可提高解理斷裂強(qiáng)度，也可阻止裂紋伸展，并使裂紋尺寸限于顆粒間距，從而提高解理斷裂強(qiáng)度，若脆性相與基體結(jié)合較弱，則在缺口下的形變較均勻，減少應(yīng)力三向性，也可提高韌性 脆性相也可通過影響晶粒度而間接地影響韌性，脆性相大小對于晶粒度有不同的影響（3）脆性相各種幾何學(xué)參量對韌性影響 含量(fv)：一般說來，fv愈高，則塑性和韌性越低 大小(D) ： D愈大，韌性下降愈多 間距()：韌性斷裂時(shí)，愈大，則韌性愈高，解理斷裂時(shí)則相反；愈小，韌性反而愈高 形狀：球形時(shí)，韌性最高，尖角狀時(shí)材料的韌性下降較多，夾雜

11、物縱向的總長度愈大，則橫向韌性愈差 類型：塑性較好而與基體結(jié)合又較弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形變過程中較早地沿脆性相與基體的界面開裂，塑性較差而與基體結(jié)合又較強(qiáng)的脆性相（如鋼中TiC）在形變過程中，應(yīng)力集中到一定程度可使其發(fā)生解理或破碎，使韌性降低（4）韌性相對韌性的影響 裂紋伸展遇到韌性相，由于韌性相不易解理斷裂，而塑性變形又要消耗較大能量，因而裂紋伸展受到阻止 裂紋伸展到韌性相，由于直接前進(jìn)受阻，被迫改向阻力較小及危害性較小的方向，例如分層，從而松馳能量，提高韌性 復(fù)合結(jié)構(gòu)例如多層板，可以使各組元在平面應(yīng)力狀態(tài)下分別承擔(dān)負(fù)荷。平面應(yīng)力下的斷裂韌性比平面應(yīng)變下的斷裂韌性要高用奧氏

12、體作為韌性相可提高鋼的韌性。如對于AFC77不銹鋼，通過改變奧氏體化溫度來調(diào)整殘余奧氏體的含量，對KIC值有很大影響。在強(qiáng)度基本 上不變的情況下，可使KIC提高4倍左右。對于這種PH不銹鋼，加入1%Ni及調(diào)整熱處理工藝來控制殘余奧氏體含量，可以獲得很好的強(qiáng)度和韌性的組合對于合金結(jié)構(gòu)鋼，少量的殘余奧氏體也是KIC提高的原因之一。如4340鋼通過1200奧氏體化處理，雖然晶粒粗大，但KIC顯著提高。原因1：這種處理得到條板狀馬氏體，沒有孿生馬氏體；原因2：這種處理后，在馬氏體片間有100200Å的殘余奧氏體薄膜（5）基體相對韌性的影響裂紋主要在基體中擴(kuò)展，因而基體的特征顯然會(huì)影響裂紋伸展

13、途徑，從而改變多晶金屬材料的斷裂韌性此外，基體的特征還通過工藝影響相變產(chǎn)物及其組織結(jié)構(gòu)，從而間接地影響材料的整體斷裂行為（6）奧氏體基體對鋼材斷裂韌性的影響奧氏體基體的淬透性，Ms溫度，層錯(cuò)能和強(qiáng)度等對鋼材斷裂韌性的影響如下 細(xì)化奧氏體晶粒(d)，從而可細(xì)化轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，對提高韌性有利 一般地說，轉(zhuǎn)變溫度愈低，則回火后的韌性愈高，因而對淬火一回火的鋼材，要求有足夠的淬透性 先共析鐵素體對韌性是不利的，而針狀的危害性又大于等軸狀的，調(diào)整成分和工藝，細(xì)化針狀鐵素體，可以改善韌性 珠光體片是應(yīng)力和應(yīng)變集中點(diǎn)，有利于解理和脆斷的形成和伸展，應(yīng)該設(shè)法避免 孿生馬氏體的韌性低于條板狀馬氏體，調(diào)整奧氏體的成分，

14、改變奧氏體的Ms、層錯(cuò)能USF及S，可以改變馬氏體的形貌 上貝氏體類似片層間距較小的珠光體，它們對于韌性是不利的，下貝氏體貌似自回火的條板狀馬氏體，它的韌性高于孿生馬氏體，而低于條板狀馬氏體，在條板狀馬氏體形成之前先形成約1020%的下貝氏體，由于分割了奧氏體晶粒，對韌性是有益的3、韌化工藝韌化工藝有三種：（1）熔煉鑄造（2）壓力加工（3）熱處理1）熔煉鑄造韌化工藝成分控制實(shí)際情況成分波動(dòng)和存在一定的雜質(zhì)是不可避免的。從提高韌性出發(fā)，提高合金純度是有效的途徑氣體和夾雜物控制氣體（氫、氧、氮）和夾雜物（主要是氧化物和硫化物等）是冶煉和鑄造工藝的重要問題a.氫是有害氣體，引起白點(diǎn)和氫脆，材料強(qiáng)度愈

15、高，危害性愈大b.氮易于引起低碳鋼的藍(lán)脆，是一種有害氣體；在普通低合金鋼中若有釩存在形成氮化物，則能提高強(qiáng)度；在奧氏體不銹鋼中，它能夠代替一部分鎳，氮是有益的合金元素c.氧以氧化物類型的夾雜物存在，使韌性降低d. 夾雜物是脆性相，一般夾雜物含量愈多，則韌性愈低2）壓力加工韌化工藝依靠壓力加工控制晶粒大小和取向，可改變材料韌性。細(xì)化晶粒是重要的韌化措施。熱加工時(shí)，形變和再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，終軋溫度和終軋后冷卻速度會(huì)影響晶粒大小。對鋼材而言有以下幾條規(guī)律： 在較低溫度，連續(xù)而較快地施加大變形量，可以獲得細(xì)晶 高溫停留時(shí)間愈長，則奧氏體晶粒愈大 快速通過Ar3Ar1區(qū)，可獲得較細(xì)的鐵素體晶粒 快速冷卻，

16、可防止鐵素體晶粒長大采用愈來愈低的終軋溫度，如在Ar3以上、+區(qū)及低于Ar1溫度連續(xù)軋制，由于晶粒細(xì)化和位錯(cuò)胞塊細(xì)小而使熱軋鋼板的強(qiáng)度和韌性提高。連續(xù)軋制時(shí)，終軋溫度愈低及變形量大，則板材的111<110>織構(gòu)愈強(qiáng)，韌性愈高3）熱處理韌化工藝熱處理是改變金屬材料結(jié)構(gòu)，控制性能的重要工藝 超高溫淬火：以淬火、回火和時(shí)效以及形變熱處理為例，討論提高斷裂韌性的一些概念和思路對于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，采用比一般淬火溫度高300多度的12001255超高溫奧氏體化處理，雖然奧氏體晶粒從78級提高到10級，但KIC卻提高70125%原因可能是由于合金碳化物完全溶解，減少了第二相在晶界的形核，減少了脆

17、性，提高了韌性臨界區(qū)淬火：當(dāng)鋼加熱到Ac1Ac3臨界區(qū)，淬火回火后可以得到較好的韌性，這種熱處理叫臨界區(qū)熱處理，或部分奧氏體化處理臨界區(qū)處理的作用a 組織和晶粒細(xì)化： 臨界區(qū)處理時(shí)，在原始奧氏體晶界上形成細(xì)小奧氏體晶粒，并且復(fù)相區(qū)內(nèi)形成的/界面比一般熱處理的奧氏體晶界面積大1050倍，較大的晶界及相界面使雜質(zhì)偏析程度減小b 雜質(zhì)元素在及晶粒的分配：P(Sn、Sb)等雜質(zhì)可富集在晶粒，晶粒這種清除雜質(zhì)的作用，對于降低回火脆性有利c 碳化物形態(tài)：臨界區(qū)熱處理后的碳化物要比一般熱處理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作為回火時(shí)形核中心，從而減少晶界碳化物的沉淀 回火和時(shí)效：鋼材的回火是一種時(shí)效過程，是過

18、飽和固溶體一馬氏體的脫溶沉淀過程。合金結(jié)構(gòu)鋼有兩種回火脆性，即高溫回火脆性和低溫回火脆性。a.高溫回火脆性由Sb、Sn、As、P等雜質(zhì)偏聚在奧氏體晶界引起。選用Sb、Sn和As低的廢鋼及降低鋼中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可減少回火脆性傾向可提高鋼的純度，控制碳化物析出，可減少低溫回火脆性。如Si含量增加使Fe3C開始形成溫度上升，減少了脆化傾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的穩(wěn)定性，增加脆化傾向。鋁合金：時(shí)效組織對合金斷裂性能有重大影響，一般獲得均勻彌散的共格或半共格沉淀相比較適宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，對斷裂十分不利為此鋁合金淬火加熱溫度應(yīng)盡可能高，保溫時(shí)間充分，使強(qiáng)化相最大限度地溶入基體，淬火速度要快，以避免在晶界析出第二相 形變熱處理 將壓力