第五章 金属强韧化导论

第五章金属强韧化导论
引言：
力学性能：强度、塑性、韧性、硬度
力学性能指标都是在空气室温下测量的。

一、金属材料的强度、塑性和韧性
强度：在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

—→承载能力
永久变形—→σs屈服强度，发生明显变形的最小应力
发生断裂—→σb抗拉强度，最大均匀塑性变形的抗力，与断裂强度区别塑性：在外力作用下，产生永久变形而保持其完整性不被破坏的性质。

—→变形能力伸长率δ、断面收缩率ψ
韧性：材料在快速载荷作用下抵抗断裂和内部裂纹扩展的能力。

—→强度和塑性的综合表现冲击断裂吸收功、韧脆转变温度
二、强化机制
提高强度的方法：
（1）无缺陷材料：低维材料强度基本达到理想晶体理论强度，但受到生产成本和工艺限制。

（2）显微缺陷强化技术：大量制造显微缺陷并使之合理分布，使其相互作用阻碍位错运动
or微裂纹的扩展，从而强化材料。

屈服强度与抗拉强度：大多数工件是不允许发生塑变，以屈服强度为标准。

屈服强度的本质是
塑性变形能在金属中传播、增殖，从而使整个金属产生宏观塑性变形的
应力。

1.固溶强化
定义：金属元素同溶于基体相中形成固溶体而使其强化的方式。

形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子应力不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性场。

此应力场与运动的位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。

（1）弹性交互作用：柯氏气团（对称畸变）、史氏气团Snoek（非对称畸变）；
（2）静电交互作用：位错电偶极场与溶质原子的屏蔽场的相互作用；
（3）化学交互作用：扩展位错与溶质原子的交互作用——铃木气团；
扩展位错：一个全位错分解两个不全位错中间夹杂一个层错的形式。

（4）几何交互作用：位错与溶质原子的交互作用同溶质分布几何位置有关——有序固
溶。

强固溶强化元素的固溶强化强度增量：R P-C=K c[C]1/2≈K c[C]
（碳含量变动较小，系数~4570MPa）弱固溶强化……………………………：R P-M=K m[M]
（[M]为处于固溶态的部分M含量，即＜M）
2.位错强化
强化量与位错密度有关，R P-D=αG bρ1/2—→面心立方强化更明显
形变强化：金属材料在再结晶温度以下进行冷变形，强度硬度增加，而塑性韧性下降。

方法：冷变形、相变（淬火效应）—→位错数很难确定
3.细晶强化
定义：通过细化晶粒使晶界所占比例增大而阻碍位错滑移产生强化。

霍尔—配奇公式：σs=σ0+K s·d-1/2
晶粒越细小，强化作用越大，强度越高，且其是唯一一种在提高钢强度的同时也改善韧性的强化方式。

细晶强化机制：晶界对位错运动阻碍（强度↑）、晶粒细小变形均匀，应力集中较小（塑性↑）、晶界阻碍裂纹扩展，降低数量（韧性↑）
4.第二相强化
定义：材料通过集体重分布有细小弥散的第二相颗粒而产生强化的方法。

基体
按获得高弥散离子的方法分类：
（1）沉淀强化/析出强化：依靠热处理从过饱和固溶体中沉淀析出第二相；
（2）弥散强化：利用机械、化学方法如内氧化or粉末冶金工艺产生第二相。

强化机制：切过机制（颗粒尺寸↑，效果↑）、绕过机制（奥罗万机制，与颗粒间距、尺寸等有关）第二相颗粒的临界尺寸d c
d＜d c—→切过机制，d↑σ↑；
d＞d c—→绕过机制机制，d↑σ↓
钢铁中主要是绕过机制，因为d c很小，很难达到小于临
界尺寸。

5.马氏体相变强化
结合了第二相强化、位错强化、固溶强化、细晶强化的
综合效应。

第二相——碳化物，位错强化——切变相变，
固溶强化——过饱和固溶体，细晶强化——板条马氏体。

三、改善塑性和韧性的途径
断裂是工件构件危害最大的破坏形式。

韧化即抑制脆化。

1.塑性指标
均匀真应变εu、总真应变or断裂真应变εT
改善塑性的途径：在提高均匀塑性的同时，尽量避免or推迟微孔坑的形成。

2.塑性影响因素
2.1化学成分
一般合金元素和杂质使塑性↓。

2.2组织结构
（1）晶粒大小：细比粗好；
（2）第二相：通常有害，但第二相为球状、细小、均匀弥散分布且自身强度高，与基体结合好，可以改善一定塑性；
（3）位错：位错密度↑，塑性↓；
（4）晶格类型：面心较好。

2.3变形温度
T ↑，δ↑，σ↓。

2.4变形速度、应力状态变形速度较低，塑性加好，但是很大时可产生热效应，使材料塑性逐渐增大；压应力有利，拉应力不利。

3.改善韧性途径
脆性矢量：每增加强度1MPa 使韧脆转变温度T c 升高的温度数称为该强化
方式的脆性矢量。

屈强比：屈服强度与抗拉强度之比。

[Rel /Rm]
≥1，无塑性，实际屈服强度被降低；
＜0.6，良好的冷加工变形性质。

弱化的界面、位错塞积、非扩散相变晶粒间撞击等形成裂纹源，产生裂纹，
提高韧性必须减少裂纹源，控制微裂纹的临界尺寸，抑制裂纹扩展。

断裂扩展方式：沿晶断裂、解理……、准解理……、微孔集合……
消除晶界弱化现象：消除低熔点境界偏析金属、化合物
大颗粒夹杂物or 第二相尺寸的控制
适当屈服强度：过低，大尺寸微裂纹；过高，低塑性变形功；
固溶强化对屈强比的影响：基本不变
位错对屈强比的影响：增大，不退从晶粒对屈强比的影响：不如固溶强化，一味最求细晶也不利
第二相对屈强比的影响：与固溶相似较推。