金属的强化方法及机理.
耐热钢的强化措施
耐热钢的强化措施
耐热钢通常是用于高温工作环境的特殊合金钢，其强化措施主要包括以下几个方面：
一、合金成分设计：耐热钢的基本成分中通常包含高比例的耐热合金元素，如铬、镍、钼、钨等。
这些元素能够提高钢的耐高温性能，抵抗氧化和腐蚀。
二、固溶处理：通过固溶处理，将合金元素溶解在基体中，形成均匀的溶液。
这有助于提高耐热钢的强度和硬度，同时改善其高温性能。
三、时效处理：时效处理可以通过控制温度和时间来进一步调整合金元素的分布，达到更好的强化效果。
时效处理通常在固溶处理后进行。
四、晶粒控制：通过控制热处理过程中的冷却速率，可以影响晶粒的尺寸。
较小的晶粒通常意味着更好的机械性能和高温稳定性。
五、表面处理：在耐热钢的表面进行热喷涂、热浸镀、涂层等处理，可以提高其抗氧化和抗腐蚀性能。
六、强化相的形成：通过合金元素的添加和热处理，有时可以在耐热钢中形成强化相，如碳化物、硫化物等，以提高硬度和强度。
七、降低碳含量：通常，耐热钢中的碳含量相对较低，以防止在高温下形成易脆的碳化物，从而提高耐热性。
这些强化措施的选择和实施通常取决于具体的合金成分、应用场景和所需的性能要求。
在实际应用中，制造商会根据具体的产品需求
采用合适的强化方法。
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。
通过改变材料的内制材料性能的目的。
不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。
一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局变。
固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。
（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程位错的交互作用导致致错运动受阻。
溶质相位错的交互作用是二者应力场用。
作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使成弯曲形状。
如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。
x—x＇，A的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。
处于位错线上的少数溶质原子与位互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。
相对于x—x＇的偏离为x在方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。
位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。
在切应力τ动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻。
若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。
由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。
由ABC变为AC，平均位力需要做功为τb(2y)·x/2，故1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。
用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，溶质钉扎将降低的能量为所以设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。
金属的强化方法及机理
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
例如：自行车链条板(16Mn钢板)
原始厚度3.5mm
150HB
五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系：
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。
σs ——开始发生塑性变形的最小应力
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。
2、加工硬化机制
金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
金属强化的四种机理
金属强化的四种机理金属强化是指通过一系列的工艺和技术手段，使金属材料的力学性能得到提高的过程。
金属强化的机理可以分为四种：晶粒细化、位错增多、析出硬化和变形诱导强化。
一、晶粒细化晶粒细化是指通过控制金属材料的晶粒尺寸，使其变得更小，从而提高材料的强度和硬度。
晶粒细化的机理主要是通过加工变形来实现的。
在加工变形过程中，金属材料的晶粒会被拉伸和压缩，从而发生变形和细化。
此外，还可以通过热处理来实现晶粒细化，例如退火和等温退火等。
二、位错增多位错是指金属材料中的晶格缺陷，它们可以通过加工变形来增多。
位错增多的机理是通过加工变形使晶体中的位错密度增加，从而提高材料的强度和硬度。
位错增多还可以通过热处理来实现，例如冷变形和等温退火等。
三、析出硬化析出硬化是指通过在金属材料中形成固溶体和析出相，从而提高材料的强度和硬度。
析出硬化的机理是通过在金属材料中形成固溶体和析出相，从而限制晶体的滑移和扩散，从而提高材料的强度和硬度。
析出硬化还可以通过热处理来实现，例如固溶处理和时效处理等。
四、变形诱导强化变形诱导强化是指通过加工变形来引起金属材料中的位错和晶界移动，从而提高材料的强度和硬度。
变形诱导强化的机理是通过加工变形来引起金属材料中的位错和晶界移动，从而限制晶体的滑移和扩散，从而提高材料的强度和硬度。
变形诱导强化还可以通过热处理来实现，例如等温退火和时效处理等。
综上所述，金属强化的机理可以分为晶粒细化、位错增多、析出硬化和变形诱导强化四种。
这些机理可以通过加工变形和热处理等工艺手段来实现，从而提高金属材料的力学性能。
金属材料的变形行为及强化机理研究
金属材料的变形行为及强化机理研究背景介绍:金属材料广泛应用于各种工业领域，如航空、汽车、建筑等。
了解金属材料的变形行为和强化机理对于提高金属材料的性能和开发创新材料具有重要意义。
1. 金属材料的变形行为金属材料在受到外力加载时会发生变形。
变形行为受到多种因素的影响，包括温度、应力和应变率等。
一般来说，金属材料的变形可以分为弹性变形和塑性变形两种。
1.1 弹性变形弹性变形是指金属材料受力后能够恢复原来形状和尺寸的能力。
在弹性变形区域内，金属材料的应力与应变呈线性关系。
此时，金属的晶格结构并没有发生明显的改变。
1.2 塑性变形塑性变形是指金属材料在受力后发生的不可逆形变。
塑性变形的过程中，金属的晶格结构会发生位移和滑移，从而导致材料的形状和尺寸发生改变。
金属材料在达到一定应力（屈服强度）之后进入塑性变形区域。
2. 金属材料的强化机制为了增强金属材料的强度和硬度，人们通过各种方法进行强化处理。
强化机制的研究对于开发高性能金属材料具有重要意义。
2.1 晶粒度强化晶粒度强化是通过控制金属材料的晶粒尺寸来提高其强度。
通常情况下，细小的晶粒会导致材料的塑性下降，而增加晶界的数量会增加材料的阻尼。
2.2 位错强化位错是指晶体中存在的缺陷或畸变。
位错强化是通过增加材料中的位错密度来提高其强度。
位错会阻碍晶体结构中的滑移和位移，从而增加金属材料的强度。
2.3 固溶体强化固溶体强化是指向金属材料中加入其他元素来改变其原子结构和晶格。
通过在晶体中加入其他元素来形成固溶体，可以限制晶体滑移和位移，从而提高材料的强度。
2.4 相变强化相变强化是指通过控制金属材料中的相变来改变其力学性能。
在相变过程中，原子重新排列，晶体结构发生改变，从而影响材料的强度和硬度。
3. 金属材料的应用与展望金属材料的变形行为和强化机理的研究为金属材料的应用提供了理论基础和技术支持。
随着科学技术的不断发展，人们对金属材料的需求也越来越高。
因此，深入研究金属材料的变形行为和强化机理，寻找新的强化方法以提高材料性能和开发新材料，对于促进科技和工业的发展具有重要意义。
强化理论——细晶强化全
强化方法
将剪切变形与传统挤压变形合二为一的挤压方法——不对称挤压法，即将挤 压模口设置在偏离中心的位置上，利用挤压时的较大静水压力和不对称挤压 时的剪切变形来细化金属的组织。
实验现象
采用中心对称挤压和不对称挤压变形效果：
结论
不对称挤压制品表面光洁，无明显挤压痕， 无弯曲、扭拧现象发生。不对称制品得到 的晶粒比对称制品的更为细小。
韧
多的晶粒内 进行，塑性
性
性
变形较均匀，
应力中较 小
硬度
晶粒越细， 晶界面积越 大，晶界越 曲折，越不 利于裂纹的 扩展，
晶粒越细，在一定体积内
的晶粒强数目化多，方则法在同样
塑性变形量下，变形分散 在晶更界多增的多晶，粒而内晶进界行上，变 形的较原均子匀排，列且不每规个则晶，粒中 塞杂积质的和位缺错陷少多，，因能应量力集 中较引高起，的阻开碍裂位机错会的少通，有 可过能。再断裂之前承受较大 的变形量。
细位在界之晶 错 多 两 晶强 滑 晶 侧 界化 移 体 晶 附的 的 中 粒 近H123关 阻 运 的 杂、 、 、all键 滞 动 取 质位 晶 晶-Pe在 效 时 向 原错 界 界tc于 应 ， 不 子塞 “ 区h公晶 。 由 同 较积 坎 硬式界 位 于 ， 多模 ” 化对 错 晶 加 ，型 模 模型 型 也增大了晶界附近的滑移阻 力。晶粒越细，晶界越多， 阻力越大。
强化方法
金属的强度主要是指抵抗塑性变形的能力。而塑性变形产生的主要机制是位 错在滑移面上的移动。强化的基本机理可以归结为四类：
位错强化
由于位错的交 互作用和相互 缠绕，使位错 的可动性大大 降低，金属材 料的强度和硬 度明显提高， 塑性和韧性有 所降低
固溶强化 细晶强化
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变
有色金属的强度一般较低。
例如常用的有色金属铝、铜、钛在退火状态的强度极限分别只有80100MPa 、220MPa 和450600MPa 。
因此设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。
目前工业上主要采用以下几种强化有色金属的方法。
1 固溶强化纯金属由于强度低很少用作结构材料在工业上合金的应用远比纯金属广泛。
合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。
形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变但晶体结构的基本类型不变。
固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。
绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。
替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。
间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。
纯金属一旦加入合金组元变为固溶体其强度、硬度将升高而塑性将降低这个现象称为固溶强化。
固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后不仅使晶格发生畸变同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来使位错滑移所需的切应力增大。
此外合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷使位错线弯曲从而使位错滑移的阻力增大。
在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用也是固溶强化的原因之一。
固溶强化遵循下列规律: 第一对同一合金系固溶体浓度越大则强化效果越好。
表1 列出了几种普通黄铜的强度值它们的显微组织都是单相固溶体但含锌量不同强度有很大差异。
金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述
金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述喷丸强化是一种常用的金属表面处理技术，通过将高速喷射的金属颗粒或研磨料冲击在金属表面上，可以改善金属的表面质量、增强金属的抗疲劳性能和耐蚀性能。
喷丸强化的原理及其强化机理主要有以下几个方面：1.表面清理：喷丸强化过程中，高速喷射的金属颗粒或研磨料冲击在金属表面上，可以将表面的氧化物、油污、锈蚀物等清除干净，从而提高金属表面的清洁度和质量。
2.表面硬化：喷丸强化会在金属表面形成一定深度的冷作硬化层，这是因为金属颗粒或研磨料的冲击会引起金属表面的塑性变形和冷变形，从而产生强化效果。
这种硬化层可以增加金属材料的硬度和耐磨性，提高抗疲劳性能。
3.残余压应力：喷丸强化会在金属表面产生一定的残余压应力，即冲击力的作用下，金属表面产生压缩变形，而内部则产生拉伸变形。
这些残余压应力的存在可以有效地阻止裂纹和缺陷的扩展，提高金属材料的抗拉强度和延伸率。
4.容积效应：喷丸强化可以在金属表面形成很多微小的挤压区，这些微小的挤压区可以有效地增加金属的表面积，增强金属与周围环境的接触，从而提高金属的氧化和腐蚀性能。
5.变形和急冷回火效应：喷丸强化过程中，金属颗粒或研磨料的冲击会引起金属表面的塑性变形和变形加热，而喷射介质的冷却能力很强，会在喷丸后对金属表面进行急冷回火。
这种急冷回火效应可以改善金属的晶粒结构和组织性能，提高金属的韧性和抗疲劳性能。
总之，喷丸强化通过冲击、压缩、冷变形和急冷回火等机制，对金属材料的表面和组织进行改善和增强，从而达到提高金属的性能和延长使用寿命的目的。
这种技术在航空、航天、能源、汽车等领域有着广泛的应用前景。
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（一）固溶强化(P17) 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度 硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化 （尺寸比较小的间隙原子引起的强化）和置换固溶强化（尺寸比较
大的置换原子引起的强化）。
例如: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由 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（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效 果，其塑性将接近完全丧失。
能量状态，金属粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着 的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过， 或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过 程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所 以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小， 粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。 这种有第二相粒子引起的强化作用称之为第二 相强化。根据两者相互作用的方式有两种强化 机制：弥散强化和沉淀强化。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系： σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。 式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。 生产中细化晶粒的方法: 1、加快凝固速度 2、变质处理（如纯铝铸锭） 3、振动和搅拌
晶须强度 晶须强度
强 度
非晶态金属 加工硬化态金属
退火态金属 位错密度
金属强度与位错 密度关系示意图
冷加工过程中，除了力学性能的变化， 金属材料的物理化学性能也有所改变。 例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，
给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使
电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高
Ti变质处 理 未变质处理
（三）位错强化(P40) 1、概念
金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发 生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运 动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高 金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度 的方法称为位错强化。 金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以上，在某一温度保持一定 时间，使得B组元充分溶入α固溶体中，然后迅速冷却，抑制B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
例如：自行车链条板(16Mn钢板) 原始厚度3.5mm 150HB 五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。
细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善 材料的塑性和韧性。 因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多， 变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生， 以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而 引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可 能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面 收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。
固溶强化机制 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
弹性交互作用
化学交互作用
电学交互作用
（二）细晶强化(P14) 金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。 晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒的平 均直径 d(mm) 9.7 7.0 2.5 抗拉强度 b(MPa) 168 184 215
延伸率(%) 28.8 30.6 39.5
位错→
切应力
第二相颗粒
切过机制：位错与颗粒之间的阻力较小时，直 接切过第二相颗粒，结果硬颗粒被切成上下两部分， 并在切割面上产生位移，颗粒与基体间的界 面面积增大，需要做功。并且，由于第二相与基 体结构不同，位错扫过小颗粒必然引起局部原子 错排，这也会增加位错运动的阻力，从而使金属 强化。
2、加工硬化机制 金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
3、金属强度与位错密度有左图所示的关系 实验证明，金属强度 与位错密度有左图所 示的关系。退火态金 属的位错密度为 106~108/cm2 ，强度最 低，在此基础上增加 或降低位错密度，都 可有效提高金属强 度。加工硬化态金属 的位错密度为 1011~1012/cm2 。
随着时效时间的延长，由于弥散新相的析出而使合金的强度、硬 度升高，这种现象称为时效硬化。时效硬化即脱溶沉淀引起 的沉淀硬化。
固溶与时效处理的 工艺过程
弥散强化机制 绕过机制：基体与中间相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。