吉林大学考研材料科学 金属材料的强化方法.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑吉林大学，考研，材料科学 金属材料的强化方法 1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作布局材料, 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平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, 但晶体布局的根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布局差异、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那么取决于基体金属的晶体布局类型、晶体间隙的大小和外形以及合金组元的原子尺寸纯金属一旦参与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, 故只要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边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边形成“气团”位错滑移时务必抑制气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里解脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大此外, 合金组元的溶入还将变更基体金属的弹性模量、分散系数、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以下规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 那么强化效果越好表1 列出了几种普遍黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中参与铜、镁; 在镁合金中参与铝、锌; 在铜合金中参与锌、铝、锡、镍; 在钛合金中参与铝、钒等其次, 合金组元与基体金属的 表1 几种普遍黄铜的强度(退火状态) 原子尺寸差异对固溶强化效果起主要作 用原子尺寸差异越大, 那么替代固溶体的强化效果越好此外, 电化学性能的差异和弹性模量的差异对固溶强化效果也有确定影响。

原子尺寸的差异通常用尺寸效应参数εa 表征( , a 为合金的原子间距, c 为固溶体浓度) 第三, 对同一种固溶体, 强度随浓 度增加呈曲线关系升高, 见图1在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达成极大值以普遍黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 % 第四, 对同一基体金属, 在浓度一致时, 形成间隙固溶体较形成替代固溶体的强化效果更好, 这是由于间隙固溶体的晶格畸变更为严重之故, 见表2但由于间隙固溶体的溶解度一般较 小, 其总的强化效果不大第五, 在固溶强化的同时, 合金的塑性将降低也就是说,固溶强化是以牺牲片面塑性为代价的一般来说, 固溶体的塑性降低不多(见图1) ,依旧可以承受塑性加工例如, 在铜中参与适当镍形成固溶体, 使其硬度增加到HB60～80 , 延迟率降至50 %; 假设通过形变强化使硬度增加到同样水平, 延迟率将降至1～2 %第六, 采用多元少量的繁杂合金化原那么, 其强化效果较少元多量好, 并且能将强化效果保持到较高温度。

第七, 与其它强化方法相比, 固溶强化的强度增幅较小, 在固溶体浓度较高时更加明显 2 细晶强化 有色金属生产的第一道工序是熔炼和铸造熔炼的目的是合金化和精炼, 铸造的目的是获得成分、组织、性能符合要求的具有确定外形和尺寸的铸锭(或铸件) 铸造过程是一个结晶过 程, 液态金属在冷凝过程中将通过形核和长大形成由大量晶粒组成的多晶组织晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 全体这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化图2 表示了铜和铝的屈服强度σs 与亚晶尺寸之间的关系细晶强化对单相合金是指晶粒细化, 对多相合金是指基体相晶粒细化和其次相细化细晶强化遵循以下规律: 第一, 金属材料的强度与晶粒尺寸之间符合霍尔2配奇公式: , 式中, d 为晶粒平均直径, σ0 为位错移动的摩擦阻力, k 是表征晶界对位 错滑移阻碍作用的常数其次, 细晶强化在提高强度的同时, 也提高材料的塑 图2 铜和铝的σs 与亚晶尺寸的关系 图3 金属材料的应力2应变曲线 性和韧性, 是金属材料常用的强韧化方法之一。

这是由于细晶材料在发生塑性变形时各个晶粒变形对比平匀, 可以承受较大变形量之故第三, 细晶强化的效果不仅与晶粒大小有关, 还与晶粒的外形和其次相晶粒的数量和分布有关欲取得较好的强韧化效果,应防止其次相晶粒不平匀分布以及形成网状、骨骼状、粗大块状、针状等不利外形第四, 晶粒大小常会展现“组织遗传”现象, 即一旦在生产中的某个环节形成了粗大晶粒, 以后就难以细化故晶粒度始终是有色金属各个生产工序中的一个重要质量指标第五, 晶界在室温下阻碍位错滑 移, 在高温下却成了材料的脆弱之处, 且材料在高温下的塑性变形机制与室温塑性变形机制也有所不同, 故细晶强化仅适用于提高室温强度, 对提高高温强度并不适用, 甚至适得其反细晶强化在有色金属生产过程中得到广泛应用在铸造时, 晶粒大小取决于形核率 和长大速率, 任何使形核率提高和长大速度降低的因素均可使晶粒细化对较小的铸锭, 常用的方法是增大冷却速度以提高结晶时的过冷度, 从而提高形核率对较大的铸锭, 常采用机械振动、电磁振动、超声波处__理等方法, 使正在生长的晶粒破碎并因此供给了更多的晶粒, 从而细化晶粒更常用的方法是向熔体中参与适当的变质剂(孕育剂) , 它们平匀地分布在熔体中, 或作为非自发形核的固相基底使形核率大大提高(如在含115 %Mn 的铝液中参与0109 %Ti) ; 或被吸附在正在生长的晶粒外观, 阻碍晶粒长大(如在Al2Si 合金熔体中参与钠盐) ; 或与晶体发生化学作用, 使晶粒的外形发生变更。

选用变质剂虽有确定的理论根据, 但目前仍主要通过试验确定由表3 可见, 经变质处理的强化效果是特别明显的在随后的生产过程中, 还可以通过塑性加工、退火、热处理等工艺细化组织对材料举行大变形量塑性变形然后举行低温、短时再结晶退火, 可以细化晶粒在热处理过程中采用快速加热技术和适当的热处理工艺, 也可以细化组织 3 形变强化 形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷作硬化生产金属材料的主要方法是塑性加工, 即在外力作用下使金属材料发生塑性变形, 使其具有预期的性能、外形和尺寸在再结晶温度以下举行的塑性变形称为冷变形金属材料在冷变形过程中强度将逐步升高, 这一现象称为形变强化形变强化现象在材料的应力2应变曲线上可以明显地显示出来, 见图3图中的BC 段称为流变曲线, 它表示在塑性变形阶段, 随着应变增加, 强度将呈曲线关系提高形变强化的机理是: 冷变形后金属内部的位错密度将大大增加, 且位错相互缠结并形成胞状布局(形变亚晶) , 它们不但阻碍位错滑移, 而且使不能滑移的位错数量剧增, 从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高在一般处境下, 流变切应力τ与位错密度的平方根ρ关系, 即τ=τ0+αGbρ -2/1-2/1呈线性 (τ0为无形变强化对位错滑移所需切应力; G 为材料的切变模量; b 为位错柏氏矢量; α为取决于材料特性的常数, 一般为013～015) 。

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步降低, 逐步接近于零, 见图4其次, 随着塑性变形量增加, 强度呈曲线关系提高, 见图这一关系可用流变公式表示: σ= kεn ( k为强化系数; n 为应变硬化指数) 当ε较小时, 强度增值较大, 以后渐趋平缓第三, 形变强化受材料塑性限制, 当变形量达成确定程度后, 材料将发生断裂报废第四, 形变强化的效果特别明显, 强度增值较大, 可达百分之几十甚至一倍以上例如,纯铜经猛烈冷变形, 强度极限σb 可从220MPa 提高至450MPa ; 工业纯钛通过形变强化, 使σb 可从750MPa 提高至1300MPa 第五, 形变强化仅适用于冷变形在温度高于再结晶的热加工过程中, 由于同时发生导致材料软化的回复和再结晶, 形变强化将不发生或不明显第六, 形变强化可以通过再结晶退火消释, 使材料的组织和性能根本上恢复到冷变形之前的状态形变强化在工业上具有广泛的实用价值, 几乎适用于全体的有色金属材料, 并且是纯金属、单相固溶体合金和热处理不强化合金的主要强化方法某些有色金属在冷变形后能形成较好的形变织构, 从而在确定方向得到强化, 这个现象称为织构强化, 在工业上也有确定实用价值(如钛合金板材的织构强化) 。

4 其次相强化 其次相强化亦称过剩相强化目前工业上使用的合金大都是复相或多相合金,其显微组织为在固溶体基体上分布着其次相(过剩相) 其次相是通过参与合金元素然后经过塑性加工和热处理形成,也可通过粉末冶金等方法获得其次相大都是硬脆、晶体布局繁杂、熔点较高的金属 — 8 —。