五大細晶強化

金屬強化機制固溶強化通過溶入某種溶質元素形成固溶體（固溶體：就是固體溶液，是溶質原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結構）而使金屬強度硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。分為間隙固溶強化（尺寸比較小的間隙原子引起的強化如：Fe與C,N,O,H形成間隙固溶體）和置換固溶強化（尺寸比較大的置換原子引起的強化如：Fe與Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置換固溶體）。固溶強化機制：運動的位錯與溶質原子之間的交互作用的結果。由于形成固溶體的溶質原子和溶劑原子的尺寸和性質不同，溶質原子的溶入必然引起一些現(xiàn)象，例如：溶質原子聚集在位錯周圍釘扎住位錯（彈性交互作用）；溶質原子聚集在層錯處，阻礙層錯的擴展與束集（化學交互作用）；位錯與溶質間形成偶極子（電學交互作用）。這些現(xiàn)象都增加了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高了金屬的強度和硬度。固溶強化的規(guī)律：（1）溶質元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶強化效果愈好（2） 溶質元素溶解量增加，固溶體的強度也增加例如：對于無限固溶體，當溶質原子濃度為50%時強度最大；而對于有限固溶體，其強度隨溶質元素溶解量增加而增大（3） 形成間隙固溶體的溶質元素（如C、N、B等元素在Fe中）其強化作用大于形成置換固溶體（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶質元素。但對韌性、塑性的削弱也很顯著，而置換式固溶強化卻基本不削弱基體的韌性和塑性。（4）溶質與基體的原子大小差別愈大，強化效果也愈顯著。3.實例：純Cu中加入19%的Ni，可使合金的強度由220MPa提高到380?400MPa，硬度由44HBS升高到70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強化效果，其塑性將接近完全喪失。細晶強化金屬的晶粒越細，單位體積金屬中晶界和亞晶界面積越大，金屬的強度越高，這就是細晶強化，主要分為晶界強化和亞晶界強化兩大類。（1）晶界強化實驗證明，金屬的屈服強度與其晶粒尺寸之間有下列關系：b=G+KD-1/2此式稱為霍耳-配奇公式（Hall-Petch公式）。式中：L——為常數(shù)，相當于單晶體的屈服強度；D——為多晶體中各晶粒的平均直徑；K——為晶界對強度影響程度的常數(shù)，與晶界結構有關。os——開始發(fā)生塑性變形的最小應力L包含著不可避免的殘留元素如Mn、Si、N等對位錯滑動的阻力。對于鐵素體一珠光體組織的低碳鋼經(jīng)過實驗確定了這些元素的作用，因此Hall—Petch公式可以改寫為：b=氣+(3.7Mn+8.3Si+291.8N+1.51D-1/2)x9.8式中各元素含量以百分含量代入，各項的系數(shù)也就是這些元素的固溶強化系數(shù)，即每1%重量百分數(shù)可以提高的屈服強度。。0為單晶純鐵的屈服強度，實際上鐵中總是含有微量碳的。。0值隨不同的處理而異?？绽鋾r0°=86.24MPa，爐冷時為60.76MPa。D為等軸鐵素體晶粒平均截線長，以mm為單位。鐵素體晶粒細化對提高屈服強度的效果是明顯的，D小時，D的很小變化將使D-1/2產(chǎn)生較大的變化。上式適用于鋼中珠光體含量＜30%的組織。當珠光體量大于30%時，珠光體對材料強度的影響不能忽視，Hall—Petch公式可以改寫為+fFKD-1/2式中fF、fP是鐵素體和珠光體的體積百分數(shù)，即fF+fP=1；。02和。P相應為純鐵素體鋼和純珠光體鋼的屈服強度。由公式看出，曲線斜率fFK1隨含碳量提高而變小，從而降低了細化鐵素體晶粒的強化作用。相反含碳量提高使珠光體量增加，珠光體對氣的貢獻加大。由此可得出結論：與細化晶粒有關的提高鋼強度的方法中，鋼中含碳量愈低其強化效果愈大；相反在組織中珠光體愈多在微合金化或控制軋制制度下所得到的細化晶粒效果也就愈差。（2）亞晶強化低溫加工的材料因動態(tài)、靜態(tài)回復形成亞晶，亞晶的數(shù)量、大小與變形溫度、變形量有關。亞晶強化的原因是位錯密度增高。亞晶本身是位錯墻，亞晶細小位錯密度也高。另外有些亞晶間的位向差稍大，也如同晶界一樣阻止位錯運動。細晶強化機制：晶界是位錯運動過程中的障礙。晶界增多，對位錯運動的阻礙作用增強，致使位錯在晶界處塞積（即位錯密度增加），金屬的強度增加；在單個晶粒內部，塞積的位錯群的長度減小，應力集中較小，不足于使位錯源開動，必須增加外力。生產(chǎn)中細化晶粒的方法：（1）、加快凝固速度（2）、變質處理（如純鋁鑄錠）（3）、振動和攪拌Ti變質處理, 末變質處理作用效果：細化晶粒不僅能提高材料的強度，還可以改善材料的塑性和韌性。因為晶粒越細，單位體積內的晶粒數(shù)就越多，變形時同樣的變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生，以產(chǎn)生比較均勻的變形，這樣因局部應力集中而引起材料開裂的幾率較小，使材料在斷裂前就有可能承受較大的塑性變形，得到較大的伸長率、斷面收縮率和具有較高的沖擊載荷抗力。實例：晶粒大小對純鐵力學性能的影響：晶粒的平均直徑d（mm）抗拉強度bb（MPa）延伸率5（%）9.716828.87.018430.62.521539.5位錯強化金屬中的位錯密度越高，則位錯運動時越容易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯纏結等位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度，這種用增加位錯密度提高金屬強度的方法稱為位錯強化。金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強度與硬度隨變形程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的現(xiàn)象為加工硬化或形變強化。加工硬化機制金屬的塑性變形是通過滑移進行的。在塑性變形過程中，由于位錯塞積（位錯運動過程中遇到障礙受阻）、位錯之間的彈性作用、位錯割階等造成位錯運動受阻，從而使材料的強度提高。金屬強度與位錯密度有下圖所示的關系：實驗證明，金屬強度與位錯密度有如圖所示的關系。退火態(tài)金屬的位錯密度為106?108/cm2，強度最低，在此基礎上增加或降低位錯密度，都可有效提高金屬強度。加工硬化態(tài)金屬的位錯密度為1011?1012/cm2。I 晶須強度位錯密度金屬強度與位錯密度關系示意圖（1） 、完全無位錯存在時，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運動的位錯，材料表現(xiàn)極高的強度。例如銅，理論計算的臨界切應力約為1500MPa，而實際測出的僅為0.98MPa。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實現(xiàn)（晶須），用于研究型的復合材料中。（2） 、在存在位錯的晶體材料中，隨位錯密度的提高，位錯運動受交割作用影響加大，材料的強度得到提高。經(jīng)過冷變形的金屬材料，發(fā)生了加工硬化，強度可以在相當范圍內得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結晶，加工硬化的強化效果將全部消失。實例1：自行車鏈條板（16Mn鋼板）原始厚度3.5mm 150HB b=520MPa五次冷軋后1.2mm 275HB b>1000MPa實例2：冷拔高強度鋼絲和冷卷彈簧是利用加工變形來提高他們的強度和彈性極限；坦克和拖拉機的履帶、破碎機的顎板以及鐵路的道叉等也都是利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。冷加工過程中，除了力學性能的變化，金屬材料的物理化學性能也有所改變。例如：冷加工后位錯密度增加，晶格畸變很大，給自由電子的運動造成一定程度的干擾，從而使電阻有所增加；由于位錯密度增大，晶體處于高能量狀態(tài)，金屬易與周圍介質發(fā)生化學反應，使抗腐蝕性能降低。第二相強化第二相粒子可以有效地阻礙位錯運動，運動著的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或切過，或繞過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進行。這一過程要消耗額外的能量，需要提高外加應力，所以造成強化。但是第二相粒子必須十分細小，粒子越彌散，其間距越小，則強化效果越好。這種有第二相粒子引起的強化作用稱之為第二相強化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強化分類：沉淀強化和彌散強化。1.沉淀強化機制：

把某一成分的合金加熱到固溶度曲線以上，在某一溫度保持一定時間，使得B組元充分溶入冬固溶體中，然后迅速冷卻，抑制B元素析出，得到過飽和a固溶體，這就是固溶處理。經(jīng)固溶處理后的合金在室溫下放置或加熱到低于溶解度曲線的某一溫度保溫，合金將產(chǎn)生脫溶析出，即B將以新相的形式從過飽和a相中彌散析出，這個過程即是時效。通常將在室溫下放置產(chǎn)生的時效稱為自然時效;將加熱到室溫以上某一溫度進行的時效稱為人工時效。隨著時效時間的延長，由于彌散新相的析出而使合金的強度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。時效硬化即脫溶沉淀引起的沉淀硬化。繞過機制：基體與中間相的界面上存在點陣畸變和應力場，成為位錯滑動的障礙?；瑒游诲e遇到這種障礙變得彎曲，隨切應力加大，位錯彎曲程度加劇，并逐漸成為環(huán)狀。由于兩個顆粒間的位錯線段符號相反，它們將斷開，形成包圍小顆粒的位錯環(huán)。位錯則越過顆粒繼續(xù)向前滑動。隨著位錯不斷繞過第二相顆粒，顆粒周圍的位錯環(huán)數(shù)逐漸增加，對后來的位錯造成更大的阻力。切過機制：位錯與顆粒之間的阻力較小時，直接切過第二相顆粒，結果硬顆粒被切成上下兩部分，并在切割面上產(chǎn)生位移，顆粒與基體間的界面面積增大，需要做功。并且，由于第二相與基體結構不同，位錯掃過小顆粒必然引起局部原子錯排，這也會增加位錯運動的阻力，從而使金屬強化。?上 nb實例：在普通低合金鋼中經(jīng)常加入微量Nb、V、Ti，這些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在軋制中或軋后冷卻時它們可以析出，起到第二相沉淀強化作用。例如加熱到1250。。的Nb鋼，沉淀強化的作用平均每0.01%Nb可提高屈服強度19.6MPa。表第二相強化（彌散強化）銅與Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比較強化方法合金口Mzo/MPa軟化溫度/K第二相強化Cu-0.7vol%Al2O3Cu-1.2vol%TiB2600620873900固熔強化Cu-0.85CrCu-0.15Zr592523700700（引用：《提高彌散強化銅合金強度的主要方法》彭北山寧愛林（邵陽學院機械工程學院））五.相變強化相變強化主要是指馬氏體強化（及下貝氏體強化），它是鋼鐵材料強化的重要途徑。相變強化不是一種獨立的強化方式，實際上它是前述的固溶強化，沉淀硬化、細晶強化等多種強化效果的綜合，它是鋼鐵材料最經(jīng)濟而又最重要的一種強化途徑。1.馬氏體的形成過程：（a） 當奧氏體過冷到Ms點時，首先在晶粒內的某些晶面上生成馬氏體晶核，并迅速長大。（b） 馬氏體轉變不依靠已形成馬氏體晶體的長大，而且依靠出現(xiàn)新的馬氏體晶核，即馬氏體形成與t保無關。（c） 奧氏體常常不能完全轉變成馬氏體主要源于生產(chǎn)上冷卻溫度沒有真正達到Mf點。2.馬氏體強化機制：（1） 馬氏體點陣為碳所固溶強化馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體。當奧氏體轉變成馬氏體時，碳原子的數(shù)量由不飽和變成過飽和，點陣由面心立方變?yōu)轶w心立方，碳原子在晶格中的位置也發(fā)生了改變，因而引起了晶格畸變，在晶體內部形成了巨大的應力場。碳含量愈多，應力場也就愈大。這個應力場將和晶格體內存在的位錯發(fā)生強烈的交互作用，阻礙位錯的運動，從而起到強化作用。（2） 馬氏體轉變過程中晶粒得到細化馬氏體的比容比奧氏體的大，在奧氏體轉變成馬氏體時體積膨脹較大。因此在相變過程中產(chǎn)生很大的內應力。為了減小內應力，在轉變產(chǎn)物中形成細小的攣晶。使馬氏體的有效晶粒尺寸變小，晶粒間的取向增大，結果使鋼的強度、硬度增加。馬氏體含碳量愈多晶粒愈細，強度愈高。（3） 位錯密度增加馬氏體形成時位錯密度可增大到10i2/cm2。這是因為馬氏體形成過程本身是晶粒原子面之間的切變過程，切變的結果使馬氏體中的位錯增多，位錯運動的阻力也就增大了。（4） 馬氏體變形時，有時會發(fā)生過飽和固溶體的分解，析出新相，從而阻礙位錯運動。碳原子固溶強化是馬氏體最基本的強化機制。變形對馬氏體強化的影響：（1） 原始奧氏體晶粒的大小影響馬氏體晶粒的大小粗大的奧氏體晶粒將形成粗大的馬氏體晶粒，反之亦然。細小的馬氏體具有高強度。合理的變形工藝將顯著地細化奧氏體晶粒。更為突出的是，在奧氏體中所造成的亞結構促使馬氏體晶核形成地點的數(shù)目增加，并阻止已形成的馬氏體長大，從而使馬氏體晶粒細化。（2） 奧氏體的塑性變形對馬氏體轉變按不同鋼種、變形條件可有不同的作用有時促進相變，有時又抑制相變，因而也將改變淬火鋼中殘余奧氏體的數(shù)量，從而影響鋼材的力學性能。變形使馬氏體轉變溫度的改變也改變了材料中的針狀馬氏體和片狀馬氏體的比例。（3） 奧氏體塑性變形會引起奧氏體結構不完善性的增加一一使位錯密度增加形成位錯亞結構如果變形溫度足夠高，并在變形后有一定保溫時間，就可以通過動態(tài)的或靜態(tài)的回復而發(fā)生位錯亞結構的多邊形化，形成微細的亞晶粒。變形奧氏體中所造成的一切結構不完善性及亞結構都可被其轉變產(chǎn)物馬氏體所繼承，使高溫形變熱處理鋼材的塑性提高，脆性減少，強度提高。由于變形對馬氏體有有利的影響，因此形變熱處理材的性能優(yōu)于通常的熱處理材和余