金属材料的强化和韧化金属材料的强化11材料强化简介材料强度强.doc

金属材料的强化和韧化
一、金属材料的强化

材料强度:强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度,称为金属的强化。随试验条件不同,强度有不同的表示方法,如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等;压缩试验中的抗压强度;弯曲试验中的抗弯强度;疲劳试验中的疲劳强度;高温条件静态拉伸所测的持久强度。
强化机理主要有:固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种,以下将分别予以介绍。
固溶强化
即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
合金元素的固溶强化效果一般可以表示为:
△σs= KiCin
式中,Ki为系数; Cin为固溶度。
对于C、N等间隙原子,n=~;对于Mo、Si、Mn等置换原子,n=~。固溶强化的机理:原子固溶与钢的基体中,一般都会使晶格发生畸变,从而在基体中产生了弹性应力场,弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力,宏观上即表现为提高了材料的强度。
形变强化
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加,使弹性应力场不断增大,位错间的交互作用不断增强,因而位错的运动越来越困难—位错强化。作用是为了提高材料的强度,使变形更均匀,防止材料偶然过载引起破坏。
金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的,位错密度愈高,位错运动愈困难,金属抵抗塑性变形的能力就愈大,表现在力学性能上,金属强度提高,即当造成金属晶体内部位错大量增殖时,金属表现出强化效果。理论研究同时也说明:制成无缺陷,几乎不存在“位错”的完整晶体,使金属晶体强度接近理论强度,则会使金属强化效果表现得更为突出。因此,金属有两种强化途径:一是对有晶体缺陷的实际金属,即存在位错金属,可以通过位错增殖而强化,二是制成无晶体缺陷的理想金属,使晶体中几乎不存在位错,则金属强化效果会更大。
形变强化遵循以下规律:
第一,随着变形量增加,强度提高而塑性和韧性逐渐降低,逐渐接近于零。
第二,随着塑性变形量增加,强度呈曲线关系提高。这一关系可用流变公式表示:σ= kεn ( k为强化系数;n 为应变硬化指数)。当ε较小时, 强度增值较大,以后渐趋平缓。
第三,形变强化受材料塑性限制,当变形量达到一定程度后,材料将发生断裂报废。
第四,形变强化的效果十分明显,强度增值较大,可达百分之几十甚至一倍以上。例如,纯铜经强烈冷变形,强度极限σb 可从220MPa 提高至450MPa;工业纯钛通过形变强化,使σb 可从750MPa 提高至1300MPa 。
第五,形变强化仅适用于冷变形。在温度高于再结晶的热加工过程中,由于同时发生导致材料软化的回复和再结晶,形变强化将不发生或不明显。
第六,形变强化可以通过再结晶退火消除,使材料的组织和性能基本上恢复到冷变形之前的状态。
金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加,使金属的冷加工需要消耗更多的功率。形变强化使金属变脆,因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火,使金属软化,才能够继续加工。形变强化局限性在于使用温度不能太高,否则由于退火效应,金属会软化。对于脆性材料,一般不宜利用应变硬化来提高强度性能。

晶界对位错滑移的有阻滞效应。晶粒越细,晶