五大细晶强化 - 图文

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：

?s??i?K1D?1/2

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：

?s??0?(3.7Mn?8.3Si?291.8N?1.51D?1/2)?9.8

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

?s?fF?0.2?fP?P?fFK1D?1/2

式中fF、fP是铁素体和珠光体的体积百分数，即fF + fP =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fFK1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

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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) 9.7 7.0 2.5 抗拉强度?b(MPa) 168 184 215 延伸率?(%) 28.8 30.6 39.5

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 。

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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

五次冷轧后1.2mm

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：

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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

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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 第二相强化 固熔强化 合金 Cu-0.7vol%Al2O3 Cu-1.2vol%TiB2 Cu-0.85Cr Cu-0.15Zr σ/MPa 600 620 592 523 软化温度/K 873 900 700 700 (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Ms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。

（c）奥氏体常常不能完全转变成马氏体主要源于生产上冷却温度没有真正达到Mf点。 2. 马氏体强化机制:

（1）马氏体点阵为碳所固溶强化

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。当奥氏体转变成马氏体时，碳原子的数量由不饱和变成过饱和，点阵由面心立方变为体心立方，碳原子在晶格中的位置也发生了改变，因而引起了晶格畸变，在晶体内部形成了巨大的应力场。碳含量愈多，应力场也就愈大。这个应力场将和晶格体内存在的位错发生强烈的交互作用，阻碍位错的运动，从而起到强化作用。 （2）马氏体转变过程中晶粒得到细化

马氏体的比容比奥氏体的大，在奥氏体转变成马氏体时体积膨胀较大。因此在相变过程中产生很大的内应力。为了减小内应力，在转变产物中形成细小的孪晶。使马氏体的有效晶粒尺寸变小，晶粒间的取向增大，结果使钢的强度、硬度增加。马氏体含碳量愈多晶粒愈细，强度愈高。

（3）位错密度增加

马氏体形成时位错密度可增大到1012/cm2。这是因为马氏体形成过程本身是晶粒原子面之间的切变过程，切变的结果使马氏体中的位错增多，位错运动的阻力也就增大了。 （4）马氏体变形时，有时会发生过饱和固溶体的分解，析出新相，从而阻碍位错运动。 碳原子固溶强化是马氏体最基本的强化机制。

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3. 变形对马氏体强化的影响:

（1）原始奥氏体晶粒的大小影响马氏体晶粒的大小

粗大的奥氏体晶粒将形成粗大的马氏体晶粒，反之亦然。细小的马氏体具有高强度。合理的变形工艺将显著地细化奥氏体晶粒。更为突出的是，在奥氏体中所造成的亚结构促使马氏体晶核形成地点的数目增加，并阻止已形成的马氏体长大，从而使马氏体晶粒细化。 （2）奥氏体的塑性变形对马氏体转变按不同钢种、变形条件可有不同的作用

有时促进相变，有时又抑制相变，因而也将改变淬火钢中残余奥氏体的数量，从而影响钢材的力学性能。变形使马氏体转变温度的改变也改变了材料中的针状马氏体和片状马氏体的比例。

（3）奥氏体塑性变形会引起奥氏体结构不完善性的增加——使位错密度增加形成位错亚结构

如果变形温度足够高，并在变形后有一定保温时间，就可以通过动态的或静态的回复而发生位错亚结构的多边形化，形成微细的亚晶粒。变形奥氏体中所造成的一切结构不完善性及亚结构都可被其转变产物马氏体所继承，使高温形变热处理钢材的塑性提高，脆性减少，强度提高。

由于变形对马氏体有有利的影响，因此形变热处理材的性能优于通常的热处理材和余热淬火材。钢的高温形变热处理就是要制定合理工艺，充分利用马氏体强化的规律以获得综合力学性能优良的材料。 4. 实例：激光相变强化后晶粒度由原来的8级提高到12级.残余奥氏体(AR)较常规淬火有明显减少,约10~15%.马氏体为针状和板条状混合组织。激光相变强化性能较常规热处理有很大提高:硬度达1000HV0.1以上、红硬性提高80℃,达640℃、耐磨性提高约5倍、韧性亦有显著改善。高速钢刀具经激光强化后寿命提高2~4倍。 （引用：1994年3 金属热处理学报 《W18Cr4v高速钢激光相变强化的组织及性能》于家洪，陈传忠，宫秀伟，王世清 (山东工业大学)）

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