金属材料的强化-材料力学性能
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法主要有以下几种：
1. 固溶强化：通过合金元素的固溶作用，改变金属原子的排列方式和力学性能，提高金属的强度和硬度。
常用的合金元素有锰、镍、铬等。
2. 相变强化：通过改变金属的晶体结构，使得金属具有不同的力学性能。
常见的相变强化方法包括质变（如奥氏体-马氏体相变）、回火（如淬火、时效回火等）等。
3. 冷变形强化：通过金属的塑性变形来提高其强度和硬度。
冷变形包括冷轧、冷拔、冷挤压等方法，可以使金属材料的晶粒细化、位错增加，从而提高金属的强度。
4. 细化晶粒强化：通过控制金属的凝固过程或者通过退火过程来使金属晶粒尺寸变小，从而提高金属的强度和硬度。
常见的方法有快速凝固、低温退火等。
5. 晶界强化：通过控制金属晶界的结构和性质，提高金属的强度和硬度。
方法包括控制晶界角度、晶界清晰化等。
6. 精细化析出物强化：通过控制金属合金中的析出物的形成和分布，使其成为有效的强化相，提高金属的强度和硬度。
这些强化方法可以单独应用，也可以组合应用，以达到最佳的强化效果。
同时，不同的金属材料和合金体系适用的强化方法也略有不同，需要根据具体情况进行选择和调整。
金属强化方法及应用实例
金属强化方法及应用实例金属强化是一种常用的技术，可以提高金属材料的力学性能和耐久性。
金属强化方法包括固溶强化、时效强化、冷加工强化等。
下面将具体介绍这些强化方法及其应用实例。
固溶强化是指将固态原子溶解到金属晶体中，形成固溶体，从而提高金属的强度和硬度。
固溶强化的原理是通过溶质原子的固溶体强化效应来增强金属的力学性能。
例如，将镁加入铝合金中，形成Al-Mg固溶体，可以显著提高铝的抗拉强度和硬度。
时效强化是指在固溶处理后，通过热处理使溶质原子析出并形成了细小的弥散相，从而进一步提高金属的强度和硬度。
时效强化的原理是通过析出相的弹性或阻碍作用来增加材料的屈服强度和抗拉强度。
例如，对铝合金进行固溶处理后，在较低温度下进行时效处理，可以使Al-Cu合金中析出富Cu的θ'相，进一步提高合金的强度和硬度。
冷加工强化是指在室温下对金属材料进行塑性变形，通过位错的移动和堆积来增加材料的强度和硬度。
冷加工强化的原理是通过增多材料中的位错密度和堆积缺陷来增强金属的力学性能。
例如，对钢材进行冷轧、拉伸等加工处理，可以显著提高钢材的强度和韧性。
除了上述方法，还有几种其他常用的金属强化方法，如沉积强化、扩散强化和组分合理化等。
沉积强化是指将一种金属材料沉积在另一种金属材料的表面，形成复合材料，从而提高材料的强度和耐腐蚀性能。
例如，将钢材的表面镀上一层镍或铬，可以显著提高钢材的抗腐蚀性能。
扩散强化是指通过在金属表面形成固溶体和化合物的扩散层，从而提高金属的强度和耐腐蚀性能。
例如，将钢材加热至高温，在气氛中加入含碳气体，使碳元素通过扩散反应与钢中的铁元素形成固溶体和化合物层，可以提高钢材的硬度和耐磨性能。
组分合理化是指通过合适地调整金属材料的化学成分，使其具有更好的力学性能和耐腐蚀性能。
例如，在不锈钢中加入适量的铬、镍和钼等元素，可以提高不锈钢的抗腐蚀性能和热稳定性。
金属强化方法的应用非常广泛，以下是一些实例：1.航天航空领域：采用时效强化的高强度、高温合金用于飞机和火箭的结构件，以提高其耐热性和安全性。
金属材料的力学性能
(一)、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测 材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径， 以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如： 120HBS 500HBW 600HBS1/30/20
它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度。
二、刚度和弹性 由图1-2可测出材料的弹性模量，即可确定该材料的刚度和弹性。弹性模量
是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即
在应力-应变曲线上，弹性模量就是试样在弹性变形阶段线段的斜率。它表 示了金属材料抵抗弹性变形的能力，工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚 度。
金属材料的力学性能
材料的力学性能，是指材料在外力(载荷)作用下所表现出来的性能，或称机 械性能，包括强度、刚性、弹性、塑性、硬度及疲劳强度。
一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。抵抗外力的能力越大，则强
度越强。 依据载荷的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度以及抗
扭强度等几种。
1、拉伸试样
Hale Waihona Puke 2、材料的拉伸曲线oe——弹性变形阶段：变形量与外加载荷成正比，当载荷去掉后试样变形 完全恢复。
es——屈服阶段：此阶段伴随着弹性变形，还发生了塑性变形，当去除载 荷后，试样部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复，将这部分不能恢复的形 变称为塑性变形。s为屈服点。
sd——明显塑性变形阶段：该阶段中载荷不再增加或是微量增加，试样却 继续变形。
2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如： 50HRC
金属材料力学性能
金属材料力学性能金属材料是工程领域中最常用的材料之一，其力学性能对于材料的应用具有至关重要的作用。
力学性能包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等指标，这些指标直接影响着材料在工程中的使用效果。
本文将重点介绍金属材料的力学性能及其影响因素。
首先，我们来谈谈金属材料的强度。
材料的强度是指其抵抗外部力量破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等指标来表示。
金属材料的强度受到晶格结构、晶粒大小、合金元素等因素的影响。
晶格结构的完整性和晶粒尺寸的大小都会影响金属材料的强度，而添加合金元素则可以改善金属材料的强度和硬度。
其次，韧性是金属材料力学性能中的另一个重要指标。
韧性是材料抵抗断裂的能力，也是材料在受到外力作用时能够发生塑性变形的能力。
金属材料的韧性受到晶粒大小、晶格结构、冷加工程度等因素的影响。
通常情况下，晶粒细小的金属材料具有较好的韧性，而经过适当的热处理和冷加工的材料也可以提高其韧性。
此外，硬度是金属材料力学性能中的另一个重要指标。
硬度是材料抵抗划伤和穿刺的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等指标来表示。
金属材料的硬度受到晶粒大小、晶格结构、合金元素等因素的影响。
晶粒细小的金属材料通常具有较高的硬度，而添加合金元素也可以提高金属材料的硬度。
最后，塑性是金属材料力学性能中的重要指标之一。
塑性是材料在受到外力作用时能够发生可逆形变的能力，通常用延伸率、收缩率等指标来表示。
金属材料的塑性受到晶格结构、晶粒大小、合金元素等因素的影响。
晶格结构完整、晶粒细小的金属材料通常具有较好的塑性，而添加合金元素也可以提高金属材料的塑性。
综上所述，金属材料的力学性能受到多种因素的影响，包括晶格结构、晶粒大小、合金元素等。
了解这些影响因素对于合理选择和应用金属材料具有重要意义，也有助于优化材料的力学性能。
希望本文的介绍能够对读者有所帮助，谢谢阅读！。
金属材料强化方法
金属材料强化方法金属材料的强化是指通过制造工艺、合金化、热处理等手段，使金属材料的力学性能显著提高的方法。
金属材料的强化可以分为几种方式，包括晶粒细化、位错增多、相变强化、析出相强化等。
下面将详细介绍这几种金属材料强化方法。
首先，晶粒细化是金属材料强化中最常用的方法之一。
通过减小材料的晶粒尺寸，可以显著提高材料的强度和硬度。
晶粒细化可以通过加热和快速冷却等热处理工艺实现，例如快速冷却可以使晶粒尺寸减小，从而提高材料的力学性能。
其次，位错增多也是一种重要的金属材料强化方法。
位错是金属材料中的一种缺陷，位错的增多会增加材料的强度和硬度。
而通过冷变形等加工工艺，可以在材料中引入更多的位错，从而实现强化。
此外，相变强化也可以在金属材料中实现强化。
相变是指材料中的晶体结构由一种类型转变为另一种类型的过程。
不同晶体结构具有不同的力学性能，通过控制相变可以实现材料的强化。
例如，淬火是一种常用的相变强化方法，它可以通过快速冷却使材料的晶体结构发生变化，从而提高材料的强度和硬度。
最后，析出相强化也是一种常用的金属材料强化方法。
析出相是指在合金中形成的一种新的晶体结构，其在晶界和位错附近起到了强化的作用。
通过调整材料中的合金元素含量和热处理工艺，可以促使析出相的形成，从而实现材料的强化。
例如，通过添加适量的合金元素，可以在金属材料中形成均匀分布的析出相，从而提高材料的强度和硬度。
总结起来，金属材料的强化可以通过晶粒细化、位错增多、相变强化和析出相强化等方法实现。
这些方法在工程实践中得到了广泛的应用，可以显著提高金属材料的力学性能，满足不同工程需求。
此外，不同的强化方法可以组合应用，以进一步提高金属材料的性能。
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度强
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度：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。
1.2 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= K i C i n式中，K i为系数；C i n为固溶度。
对于C、N等间隙原子，n=0.33～2.0；对于Mo、Si、Mn等置换原子，n=0.5～1.0。
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。
1.3 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。
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在受到力的作用下的行为和性能。
常见的金属材料（如钢、铝、铜等）具有较高的强度和刚性，具有良好的塑性和延展性。
其主要的力学性能包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指材料在受到外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
2. 延展性：金属材料具有较好的延展性，即在受到外力作用下能够发生塑性变形。
延展性可以通过材料的延伸率、断面收缩率等指标来描述。
3. 韧性：金属材料的韧性是指材料能够在承受外力作用下吸收较大的能量而不发生断裂或破坏的能力。
韧性也可以通过断裂韧性、冲击韧性等指标来描述。
4. 硬度：金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形和外界划
痕的能力。
硬度可以通过洛氏硬度、布氏硬度等进行测量。
5. 弹性模量：金属材料的弹性模量是指材料在受到外力后，能够恢复到原来形状的能力。
弹性模量可以描述材料的刚
度和变形的程度。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指材料在受到交替或
重复载荷下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
疲劳性能可以通过
疲劳寿命、疲劳极限等指标来描述。
以上是金属材料的一些常见力学性能参数，不同的金属材
料在这些性能方面有所差异。
这些性能参数的好坏直接决
定了金属材料在工程实践中的应用范围和性能优势。
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严格控制热处理工艺 冷变形的金属，控制回复和再结晶获取细晶
往复相变细化方法
在固态相变点附近，反复加热冷却，通过相变反复形核
举例：10Ni5CrMoV钢常规淬火晶粒度9级；以9℃/s加热到
774℃再淬火，晶粒度为14-15级
15
三、第二相强化
1. 第二相的分类 a）冶炼过程中产生（夹杂物）
氧化物、硫化物等
Snoek气团的特点： 强化作用与温度无关，与溶质浓度成正比 形成速度快（仅需要跳动 ） 常温下对位错的钉扎与Cottrell气团相当，但高温和形变速
度过大时，有序化程度太快，作用不显著
10
3）Suzuki气团强化（化学相互作用强化） Suzuki气团： 溶质原子在层错区和基体两部 分浓度不同 浓度差对位错有钉扎作用
第三章 金属材料的强化
1
主要内容
一、固溶强化
均匀强化、非均匀强化
二、细晶强化
细晶强化机理、细晶韧化、细化晶粒的方法
三、第二相强化
第二相强化分类、第二相强化理论
四、形变强化
2
一、固溶强化
1、均匀强化 强相互作用：间隙式溶质，晶格畸变大，对称性低 弱相互作用：置换式溶质，晶格畸变小，对称性高
1）Mott-Nabarro理论 2）Fleischer理论 3）Fleltham理论
夹杂物对合金性能有害 夹杂物与基体结合强度低 夹杂物往往呈尖角状，产生
应力集中，促进裂纹形成
第二相强化不包含此类型
16
b）热处理过程中产生 时效强化（沉淀强化）：依靠过饱和固溶体脱溶产生的强化 γ′、γ″等
c）人为添加到合金中 弥散强化：采用粉末冶金方法造成强化 Y2O3、Al2O3等氧化物颗粒
弥散强化合金使用温度比时效强化合金高
条件：第二相粒子间距较大；粒子本身很硬，位错切过困难
Orowan公式
α－常数 f－体积百分数 r－粒子半径 22
举例：时效强化合金强化机制 切过机制和绕过机制的综合作用
颗粒临界半径
23
四、形变强化
屈服发生后，随试样塑性变形量的不断增大，变形抗力不 断增加的现象
形变强化工艺----剧烈冷变形，位错密度增加
τc－临界分切应力 G－切变模量 εs－弹性模量错配度 c－溶质浓度
6
3）Fleltham理论
U－溶质原子与位错的相互作用能
0－切变速率； －常数
理论特点： 考虑了多个因素：溶质原子与位错的相互作用、溶质浓度、
位错线的性质、温度等
7
2、非均匀强化
Cottrell气团强化 Snoek气团强化 Suzuki气团强化 有序强化 静电相互作用强化 浓度梯度强化
17
2. 第二相强化理论 1）第二相强化分类
a）直接强化 第二相的存在使位错运动受阻 主要强化机制
共格应变强化机制 化学强化（位错切过）机制 Orowan位错绕过强化机制
b）间接强化 第二相的存在影响了显微结构 钢中的TiC－细化晶粒；TD-Ni中的ThO2－阻止晶粒长18 大
2）直接强化的机制 a）共格应变强化理论
第二相使晶格错配而产生弹性应力场，对位错运动施加阻力
τ－屈服应力 ε－错配度 f－第二相体积百分数
ε↑τ↑
f ↑τ↑
19
b）位错切过机制
产生条件： 基体与第二相有公共的滑移面，即第二相与基体保持共
格或半共格 基体与析出相中柏氏矢量相差很小，或基体中的全位错
为析出相的半位错 第二相强度不能太高，即第二相可与基体一起变形 20
3
1）Mott-Nabarro理论
尺寸因素：溶质原子大小不同引起的弹性应力场作用
强相互作用：
临界分切应力与溶质原子浓度成正比
τc－临界分切应力 G－切变模量 εb－原子大小错配度 c－溶质浓度
4
弱相互作用：
Fm－障碍对位错的最大作用力 b－点阵常数 临界分切应力与溶质原子浓度平方根成正比
5
2）Fleischer理论 理论特点：除了尺寸因素外，还考虑了弹性模量的不同 临界分切应力与溶质浓度平方根成正比
位错切过第二相的阻力（强化原因）
新增表面能： 位错切过后，第二相两边各出现新的表面
反相畴界能： 第二相为有序相时
弹性模量差： 第二相与基体的弹性模量不同，位错线张力发生变化
弹性应力场： 第二相的共格畸变在界面附近形成弹性应力场
21
c）Orowan（绕过）强化机制
位错靠近粒子 位错线弯曲 反号位错抵消， 形成位错环 位错继续运动
13
2. 细晶韧化 细化晶粒使材料强化的同时也使塑性和韧性提高 塑性提高：晶粒细化使单位体积内晶界上夹杂物相对减少 韧性提高：晶界也是裂纹扩展的障碍
14
3. 细化晶粒的方法
改善结晶和凝固条件 增大过冷度和提高形核率（加入孕育剂） 机械震动和强磁场、强电场（破碎枝晶和粗大晶粒）
调整合金成分 添加细化晶粒的元素：Mg、B、Zr及其他稀土元素
6）浓度梯度强化
晶格常数变化梯度；弹性模量变化梯度；合金元素与位错弹
性交互作用变化梯度
12
二、细晶强化
1. 细晶强化机理 细晶强化原因：晶界两侧晶粒取向不一致，一个晶粒内的滑 移带不能穿过晶界直接传播到相邻晶粒
Hall-Petch关系式
σ0：位错摩擦阻力 Ky：Petch斜率
Hall-Petch关系 式也适用于亚晶
8
1） Cottrell气团强化 合金元素与位错之间的弹性交互作用能为
置换式溶质： ε>0 位于刃位错下方 ε<0 位于刃位错上方 间隙式溶质： 位于刃位错下方
钉扎作用：位错周围合金元素阻碍或限制位错运动 9
2）Snoek气团强化
Snoek效应：在螺位错的切应力作用下，位错附近的溶质原子 都会跳到交互作用能最低的位置上，使溶质原子呈有序分布 Snoek气团强化：位错周围溶质原子的有序分布形成气团，钉 扎位错
Suzuki气团特点： 对位错的钉扎力比Cottrell气团小，但受温度影响小 对刃型位错和螺型位错都有阻碍作用 举例：高温合金中加Co：Co降低Ni层错能，使位错容易扩
展，形成Suzuki气团 11
4）有序强化 位错通过有序区时破坏原子有序关系而增加位错阻力
5）静电相互作用强化
溶质与பைடு நூலகம்错相互作用时，溶质的导电电子重新分布，产生位 错局部电偶极，形成短程静电交互作用
24
金属材料的强化 小 结
一、固溶强化
均匀强化理论、非均匀强化
二、细晶强化
细晶强化机理、细晶韧化、细化晶粒的方法
三、第二相强化
第二相强化分类、第二相强化理论（共格应变、位错 切过、位错绕过）