五大细晶强化
细晶强化
定义：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
原理：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
霍尔-配奇关系式：
σy代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力σ0.2通常可以用显微硬度Hv来表示
σ0表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力
Ky一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关
d平均晶粒直径
细化晶粒的方法：
1，控制过冷度
形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。
2. 动态晶粒细化
动态晶粒细化就是对凝固的金属进行振动和搅动。
一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目。
3.变质处理
4其他。
比较形变强化,细晶强化,合金强化,热处理强化的异同点。
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细晶强化的原理
细晶强化的原理
细晶强化是一种通过微观结构调控来提高材料性能的方法，其原理是在晶粒尺寸小于材料的特定尺寸时，晶界对材料的强化作用会显著增强。
细晶强化的原理主要包括晶界强化效应、位错堆积和晶界滑移等方面。
首先，晶界强化效应是细晶强化的核心原理之一。
当材料的晶粒尺寸减小到一定程度时，晶界对位错的阻碍作用将会显著增强，从而有效提高材料的屈服强度和硬度。
这是因为晶界的存在会对位错的运动产生阻碍，使得材料的变形更加困难，从而提高了材料的强度和硬度。
其次，位错堆积也是细晶强化的重要原理之一。
在晶粒尺寸减小的情况下，位错的堆积会变得更加困难，从而使材料的变形更加困难。
这种位错堆积的增加会使材料的屈服强度得到显著提高，进而提高了材料的强度和硬度。
另外，晶界滑移也是细晶强化的重要原理之一。
晶界滑移是指晶界上的原子在外力作用下发生滑移，从而使晶粒发生形变。
当晶粒尺寸减小时，晶界滑移的难度会显著增加，从而使得材料的变形
更加困难，提高了材料的强度和硬度。
综上所述，细晶强化的原理主要包括晶界强化效应、位错堆积和晶界滑移等方面。
通过调控材料的微观结构，可以有效地提高材料的强度和硬度，从而拓展材料的应用领域，为材料设计和制备提供了新的思路和方法。
细晶强化的方法
细晶强化的方法
1.机械加工：机械加工可以通过削切、拉伸、滚压等方式改变材料晶粒大小和分布。
通常情况下，机械加工会使材料的晶粒细化并且均匀分布，从而提高强度和耐磨性。
2. 热处理：热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程来改变其晶粒大小和分布的方法。
通常情况下，高温处理可以促进材料晶粒的长大，而快速冷却可以使晶粒细化。
通过热处理，可以使材料的晶粒大小和分布满足特定的要求，从而提高材料的强度和耐磨性。
3. 喷涂：喷涂是一种通过将微米级或纳米级的粉末喷涂到材料表面来改善其力学性能和耐磨性的方法。
喷涂粉末可以包括金属、陶瓷、聚合物等材料。
通过喷涂，可以在材料表面形成一个厚度很小的涂层，从而提高材料的抗腐蚀能力、耐磨性和硬度等。
4. 化学方法：化学方法包括溶胶-凝胶法、电沉积法、热氧化法等。
这些方法通过控制材料的制备过程来改变其晶粒大小和分布。
通常情况下，这些方法能够制备出具有高密度和均匀分布晶粒的材料，从而提高材料的强度和耐磨性。
总之，细晶强化是一种有效的方法，可以显著提高材料的强度和耐磨性。
不同的细晶强化方法应根据具体情况进行选择。
- 1 -。
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
细晶强化
但是晶粒具有长大的趋势，因为晶粒越大，单位 体积的晶粒就越少，即晶界的面积就越小，因而 界面能或整个系统的自由能越低。
晶粒长大示意图
2细化晶粒的途径
细化铸件的晶粒的基本途径是形成足够多的晶 核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成 结晶过程。
①提高过冷度
金属结晶时的形核率N，线长大速度G和 过冷度△T的关系如图1。
图1
图2
②变质处理
外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的 长大。在浇注前向液态金属中加入某些难 熔的固体颗粒，会显著的增加晶核数量， 使晶粒细化。
Al、Ti、Nb、V等元素在钢种形成强碳化物 或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶 粒的长大。
③在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动，也
可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输 入额外的能量以提供形核功；另外，还可 以使结晶的枝晶
1 细晶强化机制 2 细化铸件晶粒的途径
1 细晶强化机制
提高塑性机制：晶粒越细，在一定体积内 的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下， 变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均 匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力 集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂 之前承受较大的变形量。
提高强度机制：晶界增多，而晶界上的原 子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过。
④热处理细化晶粒
一旦形成了粗晶粒，只要晶界上没有很多 难熔析出物，通过一次或多次奥氏体化， 总可以使晶粒细化。
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金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
细晶强化的措施
细晶强化的措施细晶强化是一种通过控制晶粒尺寸和形态来提高材料性能的方法。
通过细晶强化，材料的硬度、强度、韧性等性能都可以得到显著提升。
本文将从晶粒尺寸控制、晶粒形态调控和细晶强化的应用领域三个方面来探讨细晶强化的措施。
一、晶粒尺寸控制晶粒尺寸是影响材料性能的重要因素之一。
晶粒尺寸越小，晶界面积越多，晶界能对材料的力学性能起到重要的影响。
因此，通过控制晶粒尺寸可以有效地提高材料的硬度和强度。
在材料制备过程中，可以通过控制冷变形量、热处理工艺、添加合金元素等方式来控制晶粒尺寸。
例如，通过冷变形可以使晶粒细化，形成细小的强化相，从而提高材料的硬度和强度。
热处理工艺中的快速冷却可以使晶粒尺寸变小，从而提高材料的韧性。
添加合金元素可以形成固溶体、沉淀相等，有效地细化晶粒。
二、晶粒形态调控除了控制晶粒尺寸，调控晶粒形态也是细晶强化的重要手段之一。
晶粒形态的改变可以影响材料的力学性能和热稳定性。
在材料制备过程中，可以通过添加特定的添加剂、改变热处理工艺等方式来调控晶粒形态。
例如，通过添加细化剂可以促使晶粒沿着特定方向生长，形成纤维状或片状的晶粒，从而提高材料的强度和韧性。
改变热处理工艺中的退火温度和时间可以控制晶粒的长大和再结晶，从而调控晶粒形态和尺寸。
三、细晶强化的应用领域细晶强化技术在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
下面以几个典型的应用领域为例进行介绍。
1. 金属材料：细晶强化技术可以应用于各类金属材料中，如钢、铝合金等。
通过控制晶粒尺寸和形态，可以提高金属材料的强度、硬度和韧性，增强其抗疲劳和耐腐蚀性能。
2. 陶瓷材料：细晶强化技术可以应用于陶瓷材料中，如氧化铝、氧化锆等。
通过控制晶粒尺寸和形态，可以提高陶瓷材料的强度和韧性，增强其抗压、抗磨损和耐高温性能。
3. 复合材料：细晶强化技术可以应用于各类复合材料中，如纤维增强复合材料、金属基复合材料等。
通过控制纤维的晶粒尺寸和形态，可以提高复合材料的强度、刚度和韧性，增强其抗冲击和耐磨损性能。
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金属强化机制一．固溶强化通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）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如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。
1.固溶强化机制：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。
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。
2.固溶强化的规律：（1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好（2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加而增大（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。
但对韧性、塑性的削弱也很显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
3. 实例: 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。
二. 细晶强化金属的晶粒越细，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，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。
（1） 晶界强化实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系：此式称为霍耳-配奇公式(Hall-Petch 公式)。
式中： σi ——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σi 包含着不可避免的残留元素如Mn 、Si 、N 等对位错滑动的阻力。
对于铁素体一珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此Hall —Petch 公式可以改写为：式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系数，即每1％重量百分数可以提高的屈服强度。
σ0为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。
σ0值随不同的处理而异。
空冷时σ0 =86.24MPa ，炉冷时为60.76MPa 。
D 为等轴铁素体晶粒平均截线长，以mm 为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D 小时，D 的很小变化将使D -1/2产生较大的变化。
上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织。
当珠光体量大于30％时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，Hall —Petch 公式可以改写为式中f F 、f P 是铁素体和珠光体的体积百分数，即f F + f P =1；σ0.2和σP 相应为纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度。
由公式看出，曲线斜率f F K 1随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体晶粒的强化作用。
相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对σs 的贡献加大。
由此可得出结论：与细化晶粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强化效果愈大；相反在组织中珠光体愈多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细化晶粒效果也就愈差。
（2） 亚晶强化低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、变形量有关。
亚晶强化的原因是位错密度增高。
亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。
另外有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。
1. 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2/11-+=D K i s σσ8.9)51.18.2913.87.3(2/10⨯++++=-D N Si Mn s σσ2/112.0-++=D K f f f F P P F s σσσ小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必须增加外力。
2. 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3. 作用效果：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。
4. 实例：晶粒大小对纯铁力学性能的影响：晶粒的平均直径d(mm) 抗拉强度σb(MPa) 延伸率δ(%)9.7 7.0 2.5 16818421528.830.639.5三. 位错强化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。
1.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。
2.金属强度与位错密度有下图所示的关系：实验证明，金属强度与位错密度有如图所示的关系。
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。
金属强度与位错密度关系示意图（1）、完全无位错存在时，在外力作用下，没有可以发生运动的位错，材料表现极高的强度。
例如铜，理论计算的临界切应力约为1500MPa，而实际测出的仅为0.98MPa。
但制造这种材料非常困难，目前只能在很小尺寸的晶体中实现(晶须),用于研究型的复合材料中。
（2）、在存在位错的晶体材料中,随位错密度的提高，位错运动受交割作用影响加大，材料的强度得到提高。
经过冷变形的金属材料,发生了加工硬化，强度可以在相当范围内得到提高，常用的冷轧钢板、冷拔钢丝就是一例。
值得注意的是用加工硬化提高强度的材料只能在较低温度下使用，否则因高温发生了再结晶，加工硬化的强化效果将全部消失。
3. 实例1：自行车链条板(16Mn钢板)原始厚度 3.5mm 150HB b=520MPa五次冷轧后1.2mm 275HB b>1000MPa实例2：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。
4. 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，晶体处于高能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使抗腐蚀性能降低。
四. 第二相强化第二相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分类：沉淀强化和弥散强化。
1. 沉淀强化机制：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。
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：2. 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。
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。
3. 实例：在普通低合金钢中经常加入微量Nb、V、Ti，这些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作用。
例如加热到1250℃的Nb钢，沉淀强化的作用平均每0.01％Nb可提高屈服强度19.6MPa。
表第二相强化（弥散强化）铜与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比较强化方法合金σ/MPa软化温度/K第二相强化Cu-0.7vol%Al2O3Cu-1.2vol%TiB2600620873900固熔强化Cu-0.85CrCu-0.15Zr 592523700700(引用：《提高弥散强化铜合金强度的主要方法》彭北山宁爱林 (邵阳学院机械工程学院)) 五. 相变强化相变强化主要是指马氏体强化（及下贝氏体强化），它是钢铁材料强化的重要途径。
相变强化不是一种独立的强化方式，实际上它是前述的固溶强化，沉淀硬化、细晶强化等多种强化效果的综合，它是钢铁材料最经济而又最重要的一种强化途径。
1. 马氏体的形成过程:（a）当奥氏体过冷到M s点时，首先在晶粒内的某些晶面上生成马氏体晶核，并迅速长大。
（b）马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而且依靠出现新的马氏体晶核，即马氏体形成与t保无关。