【材料学堂】金属材料的四种强化方式 / 四六文摘

一、形变强化（或应变强化，加工硬化）

定义

材料屈服以后，随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

机理

随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度

规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式

，可知强度与位错密度ρ的二分之一次方成正比，位错的伯氏矢量b越大，强化效果越显著。

方法

冷变形，比如冷压、滚压、喷丸等。

例子

冷拔钢丝可使其强度成倍增加。

形变强化的实际意义(利与弊)

（1）利：

①　形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料，可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加。

②　是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形。

③　形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。

（2）弊：

①　形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，始继续变形带来困难，需要消耗更多的功率。

②　为了能让材料继续变形，中间需要进行再结晶退火，使材料可以继续变形而不至开裂，增加了生产成本。

二、固溶强化

定义

随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。

机理

(1) 溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用。

(2) 位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力。

(3) 溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻碍位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

规律

①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大

②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，强化效果越显著。

③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素

④溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作用越大。

方法

合金化，即加入合金元素。

例子

铜镍合金的强度大于铜和镍纯金属的强度。

三、细晶强化

定义

随晶粒尺寸的减小，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。

机制

其原理在于晶界对位错滑移的阻滞效应。对于多晶体来说，位错运动必须克服晶界的阻力，这是由于晶界两侧位错的取向不同，所以在某一个晶粒中，滑移的位错不能直接穿越晶界进入相邻的晶粒，只有在晶界处塞积了大量的位错后引起应力集中，才能激发相邻晶粒中已有位错的运动产生滑移。所以晶粒越细，材料的强度就越高。

规律

晶粒越细，晶界面积越大，根据霍尔-佩奇公式

，晶粒的平均直径d越小，材料的屈服强度σ_s越高

细化晶粒的方法

①结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌增加形核率来细化晶粒；

②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；

③可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；

④可以在钢中加入合金元素，形成新相从而抑制晶粒长大。

四、第二相强化

定义

在金属基体中还存在另外一个或几个其他的相，这些相的存在使金属的强度得到提高。因获得第二相的工艺不同，第二相强化分为：①沉淀强化：通过相变热处理获得第二相②弥散强化：通过粉末烧结或内氧化获得第二相。

机制

位错在运动过程中遇到第二相，需要绕过或切过第二相，从而第二相阻碍了位错的运动，使得材料的强度提高。

例子

钢中渗碳体的存在使钢的强度得到提高。

【材料学堂】金属材料的四种强化方式

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