金屬強(qiáng)韌化原理

1、1金屬材料強(qiáng)韌化的目的和意義？目的：A.節(jié)約材料，降低成本，節(jié)約貴重的合金元素的使用，增加材料在使用過程中的可靠性和延長服役壽命。B.希望所使用的材料既有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性，但通常的材料二者不可 兼得。意義：在于理解材料強(qiáng)韌化機(jī)理、組織形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)與金屬的強(qiáng)度、韌性之間的確切 關(guān)系，以便找出適宜的冶金技術(shù)途徑來提高金屬的強(qiáng)韌性，使之達(dá)到新的水平或研究出 新的高強(qiáng)韌性的金屬。這是一個具有重大的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究開發(fā)領(lǐng)域。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)。金屬材料強(qiáng)韌化的主要機(jī)制有哪些？1）物理強(qiáng)韌化：所

2、謂物理強(qiáng)韌化是指在金屬內(nèi)部晶體缺陷的作用和通過缺陷之間 的相互作用，對晶體的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的，進(jìn)而改變金屬性能。2）化學(xué)強(qiáng)韌化：化學(xué)強(qiáng)韌化是指是元素的本質(zhì)決定的因素以及元素的種類不同和 元素的含量不同造成的材料性能的改變。3）機(jī)械強(qiáng)韌化：就是除了結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀方面的機(jī)械原因外，主要指界面作用 造成的強(qiáng)韌化。4）復(fù)合組織強(qiáng)韌化：即兩種或兩種以上的金屬組織復(fù)合在一起，其中有的組織強(qiáng) 度比較高，有的組織韌性比較高，復(fù)合后起到了既提高強(qiáng)度有提高韌性的作用。如何理解強(qiáng)化和韌化的關(guān)系強(qiáng)度是是在給定條件（溫度/壓力/應(yīng)力狀態(tài)/應(yīng)變速率/周圍介質(zhì)）下材料達(dá)到給定 變形量所需要的應(yīng)力，或材料發(fā)生破壞的應(yīng)力，

3、研究變形及斷裂是研究強(qiáng)度的重要手段 和過程。韌性是斷裂過程的能量參量，是材料強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)，它是材料在外加負(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。一般情況下，材料的強(qiáng)度和韌性是不可兼得的，在提高金屬材料強(qiáng)度的同時(shí)塑性必 然會下降，反之，在改善金屬的塑性的同時(shí)，強(qiáng)度也會下降。目前，晶粒細(xì)化是提高金 屬強(qiáng)韌化的有效方法，金屬的晶粒變細(xì)后，強(qiáng)度提高，韌性又不顯著降低。試舉出3種最新強(qiáng)韌化技術(shù)方法的例子。1）細(xì)晶強(qiáng)化：它是常溫下一種有效的材料強(qiáng)化手段。細(xì)化晶?？梢蕴岣呓饘俚膹?qiáng) 度，其原因在于晶界對位錯的阻滯效應(yīng)。金屬的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系滿足 Hall

4、-Petch關(guān)系:。y = %+kdd-i/2（ 和ky是兩個和材料有關(guān)的常數(shù)，d為晶粒直徑）， 但需要注意的是，在高溫下，材料的晶粒越小，其高溫強(qiáng)度越??；與常溫下的情況正好 相反。細(xì)晶強(qiáng)化的方法有：嚴(yán)重壓縮變形，等通道角擠壓，高壓扭轉(zhuǎn)等。2）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^程中位錯密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場不斷增大，位錯間的 交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯的運(yùn)動越來越困難。加工硬化的途徑有冷沖壓，冷變形等。 形變硬化不是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化方法，它受到兩個限制：a使用溫度不能太高，否則 由于退火效應(yīng)，金屬會軟化；b由于硬化會引起金屬脆

5、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3）控軋控冷和軋后直接淬火，為了進(jìn)一步提高金屬的強(qiáng)韌化水平，減少合金元素 的含量，哈發(fā)展了控制軋制和控制冷卻技術(shù)。4）“快速加熱淬火”：該工藝是把鋼件以較快的速度（200300C/min以上）加 熱至適當(dāng)?shù)膴W氏體化溫度，作短時(shí)保溫后，獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，淬火后（此時(shí)馬氏 體晶粒相應(yīng)細(xì)?。┎⒒鼗稹＜訜崴俣仍娇?，奧氏體形成溫度越高，則鋼形成的奧氏體含 碳量越低，淬火后的顯微組織為含碳量較低的隱晶馬氏體加均勻分布的細(xì)小粒狀碳化物， 回火后可獲得比普通淬火要高的強(qiáng)度和韌度。所謂隱晶馬氏體（又稱隱針馬氏體）是指 組織呈非常細(xì)微的針狀，采用光

6、學(xué)顯微鏡無法辨別晶界的一種馬氏體形態(tài)。這種馬氏體 多出現(xiàn)在感應(yīng)加熱淬火、高能束加熱淬火中，其硬度比普通馬氏體高23HRC。對高碳銘鋼（GCr15）進(jìn)行快速加熱淬火可同時(shí)提高強(qiáng)度和韌度。有資料介紹： GCr15鋼采用快速加熱淬火與普通加熱淬火相比，強(qiáng)度提高了 1.5倍，韌度提高了 3倍。滲碳鋼經(jīng)滲碳后采用快速加熱淬火，可以在滲層獲得細(xì)小的奧氏體晶粒和降 低表層馬氏體的含碳量以及減少殘奧數(shù)量，從而提高強(qiáng)度和韌度。高碳鋼及滲碳鋼采用 快速加熱淬火能提高強(qiáng)度、韌度和疲勞壽命的原因是：熱處理后獲得了強(qiáng)韌兼優(yōu)的組織 形態(tài)。這種組織形態(tài)主要是：呈粒狀、細(xì)小均勻分布的未溶碳化物、碳含量較低的隱晶 馬氏體以及含有適量均勻