金屬材料的強化方法

形主要是依靠位錯滑移完成的,故凡是可以增大位錯滑移阻力的因素都將使變形抗力增大,在位錯線周圍形成“氣團”。位錯滑移時必須克服氣團的釘扎作用,帶著氣團一起滑移因之一。固溶強化遵循下列規(guī)律:第一,對同一合金系,固溶體濃度越大,則強化效果越好。表1列出了幾種普通黃銅的強度值,它們的顯微組織都是單相固溶體,但含鋅量不同,元作為合金元素,例如在鋁合金中加入銅、鎂;在鎂合金中加入鋁、鋅;在銅合金中加入鋅、鋁、錫、鎳;在鈦合金中加入鋁、釩等。第二,合金組元與基體金屬的表 量的差異對固溶強化效果也有一定影響。原子尺寸的差異通常用尺寸效應(yīng)參數(shù)εa表征 ac度增加呈曲線關(guān)系升高,見圖1。在濃度較低時,強度升高較快,以后漸趨平緩,大原子分數(shù)為50H96的含鋅量為4σb240MPa銅相比其強度增加911%;H90的含鋅量為10%,σb為260MPa,與H96相比強度僅提高8132。但由于間隙固溶體的溶小,其總的強化效果不大。第五,在固溶強化的同時,合金的塑性將降低。也就是說,固溶強化是以犧牲部分塑性為代價的。一般來說,固溶體的塑性降低不多(見圖1),仍然可以承受塑性加工。例如,在銅中加入適當(dāng)鎳形成固溶體,使其硬度增加到HB60～80,延伸率降至501～2七,與其它強化方法相比,固溶強化的強度增幅較小,在固溶體濃度較高時更加明顯成分、組織、性能符合要求的具有一定形狀和尺寸的鑄錠(或鑄件)。鑄造過程是一個結(jié)晶子排列紊亂,雜質(zhì)富集,晶體缺陷的密度較大,且晶界兩側(cè)晶粒的位向也不同,所有這些因素都對位錯滑移產(chǎn)生很大的阻礙作用,從而使強度升高。晶粒越細小,晶界總面積就越大,強度越高,這一現(xiàn)象稱為細晶強化。圖2表示了銅和鋁的屈服強度σs與尺寸之間的關(guān)晶強化遵循以下規(guī)律:第一,金屬材料的強度與晶粒尺寸之間符合霍爾2配奇:d為晶粒平均直徑,σ0k是表征晶界對 銅和鋁的σs與尺寸的關(guān)系 粒變形比較均勻,可以承受較大變形量之故。第三,細晶強化的效果不僅與晶粒大小有關(guān),反。細晶強化在有色金屬生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。在鑄造時,晶粒大小取決于形核率和長大速率,任何使形核率提高和長大速度降低的因素均可使晶粒細化。對較小的鑄錠,常用的方法是增大冷卻速度以提高結(jié)晶時的過冷度,從而提高形核率。對較大的鑄錠,常采用 理等方法,使正在生長的晶粒破碎并因此提供了的晶粒,從而細化晶粒。更常用的方法是向熔體中加入適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)劑(孕育劑),它們均勻地分布在熔體中,或作為非自發(fā)形核的固相基底使形核率大大提高(如在含115%Mn的鋁液中加入0109%Ti);或被吸附在正在生長的晶粒表面,阻礙晶粒長大(如在Al2Si合金熔體中加入鈉鹽);或與晶體發(fā)生化學(xué)作用,使晶粒的形狀發(fā)生改變。選用變質(zhì)劑雖有一定的理論根據(jù),但目前仍主要通過試驗確定。由表3可見,經(jīng)變質(zhì)處理的強化效果是十分明顯的。在隨后的生產(chǎn)過程中,還可以通過塑性加工、退火、熱處理等工藝細化組織。對材料進行大變形量塑性變形然后進行低溫、短時再結(jié)晶退火,可以細化晶粒。在熱處理過程中采用快速加熱技術(shù)和適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?也可以細化組織。 為形變強化。形變強化現(xiàn)象在材料的應(yīng)力23。圖中的BC段稱為流變曲線,它表示在塑性變形階段,隨著應(yīng)變增加,強度將呈曲線關(guān)系提高。形構(gòu)(形變),它們不但阻礙位錯滑移,而且使不能滑移的位錯數(shù)量劇增,從而大大增加τ與位錯密度的平方根ρ-2/1呈線性關(guān)系,即τ=τ+αGbρ-2/1(τ為無形變強化對位錯滑移所需切應(yīng)力;G為材料的切變bα013～015)4。第二,隨著塑性變形量增加,強度呈曲線關(guān)系提高,見圖。這一關(guān)系可用流變表示:σkεnkn為應(yīng)變硬化指數(shù))。當(dāng)ε較小時,強度增值較大,以后漸趨平四,形變強化的效果十分明顯,強度增值較大,可達百分之幾十甚至一倍以上。例如,純銅經(jīng)強烈冷變形,強度極限σb可從220MPa提高至450MPa;工業(yè)純鈦通過形變強化,使σb可從750MPa提高至1300MPa。第五,形變強化僅適用于冷變形。在溫度高于再結(jié)晶的熱加工過程中,由于同時發(fā)生導(dǎo)致材料軟化的回復(fù)和再結(jié)晶,形變強化將不發(fā)生或不明顯。第用價值(如鈦合金板材的織構(gòu)強化)。 熱處理形成,也可通過粉末冶金等方法獲得。第二相大都是硬脆、晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、較高相等,則流變應(yīng)力σa=f1σ1+f2σ2,即并非所有的第二相都能產(chǎn)生強化作用,只有當(dāng)如果第二相十分細小,并且彌散分布在基體相晶粒中,稱為彌散分布型多相合金。經(jīng)過淬火+時效處理的鋁合金、經(jīng)過淬火+時效處理的鈦合金、以及許多高溫合金和粉末合金均型合金中,如果第二相微粒不能變形,其對位錯滑移的阻礙作用如圖6所示。這時每個位錯使強度迅速提高,并符合下述:τ=Gbλ,即強化作用與第二相微粒間距λ成反比。所以減小微粒尺寸和提高第二相微粒的體積分數(shù),均可以使合金的強度提高。該機制由E.Orowan首先提出,稱為機制。 如果第二相微?？梢宰冃?位錯將切過微粒使其隨同基體一起變形,見圖7。在這種情況金強化。圖7位錯切過粒子示意圖眾所周知,許多鋁合金、鎂合金和銅合金都可以通過淬火、時效提高強度,許多鈦合金(主要是β型鈦合金和α+β型鈦合金)可以通過馬氏體轉(zhuǎn)變提高強度,而且強度增幅很大,有時可以通過熱處理將強度提高百分之幾十甚至幾倍,見表4。鋁合金、鎂合金和鈹青銅的熱處理強化機制是:先通過固溶淬火獲得過飽和固溶體,在隨后的時效(人工時效或自然時效)過程中將在基體上沉淀出彌散分布的第二相(溶質(zhì)原子富集區(qū)、過渡相或平衡相),通過沉淀強