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了解一下！金屬材料的四種強化方式

一．細晶強化

通過細化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細晶強化，工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度。

通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。故工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。

晶粒越細小，位錯集群中位錯個數(shù)（n）越小，根據(jù)τ=nτ0，應(yīng)力集中越小，所以材料的強度越高；

細晶強化的強化規(guī)律，晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服強度就越高。 細化晶粒的方法 1，增加過冷度； 2，變質(zhì)處理； 3，振動與攪拌；

4，對于冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細化晶粒。

二．固溶強化

定義：合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高的現(xiàn)象。 原理：融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時，可提高材料的強度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。 影響因素

（1）溶質(zhì)原子的原子分數(shù)越高，強化作用也越大，特別是當(dāng)原子分數(shù)很低時，強化作用更為顯著。

（2）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。

（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限。

（4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶體的屈服強度隨著價電子濃度的增加而提高。

程度固溶強化的程度主要取決于兩個因素：1. 原始原子和添加原子之間的尺寸差別。尺寸差別越大，原始晶體結(jié)構(gòu)受到的干擾就越大，位錯滑移就越困難。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，強化效果越大。如果加入過多太大或太小的原子，就會超過溶解度。這就涉及到另一種強化機制，分散相強化。3.間隙型溶質(zhì)原子比置換型原子具有更大的固溶強化效果。4.溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用越顯著。

效果1. 屈服強度、拉伸強度和硬度都要強于純金屬 2. 絕大部分情況下，延展性低于純金屬 3. 導(dǎo)電性比純金屬低很多

4. 抗蠕變，或者在高溫下的強度損失，通過固溶強化可以得到改善

三．第二相強化

復(fù)相合金與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相得存在。當(dāng)?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植加诨w相中時，將會產(chǎn)生顯著的強化作用。這種強化作用稱為第二相強化。第二相強化的主要原因是它們與位錯間的交互作用，阻礙了位錯運動，提高了合金的變形抗力。

對于位錯的運動來說，合金所含的第二相有以下兩種情況： 1、不可變形微粒的強化作用。 2、可變形微粒的強化作用。

彌散強化和沉淀強化均屬于第二相強化的特殊情形。

四．加工硬化

定義：隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度指標都有所提高，但塑性、韌性有所下降。金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。又稱冷作硬化。產(chǎn)生原因是，金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等。加工硬化的程度通常用加工后與加工前表面層顯微硬度的比值和硬化層深度來表示 加工硬化。

加工硬化給金屬件的進一步加工帶來困難。如在冷軋鋼板的過程中會愈軋愈硬以致軋不動，因而需在加工過程中安排中間退火，通過加熱消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表層脆而硬，從而加速刀具磨損、增大切削力等。但有利的一面是，它可提高金屬的強度、硬度和耐磨性，特別是對于那些不能以熱處理方法提高強度的純金屬和某些合金尤為重要。如冷拉高強度鋼絲和冷卷彈簧等，就是利用冷加工變形來提高其強度和彈性極限。又如坦克和拖拉機的履帶、破碎機的顎板以及鐵路的道岔等也是利用加工硬化來提高其硬度和耐磨性的。 以低碳鋼拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變(σ-ε)圖為例（見圖）。當(dāng)載荷超過屈服階段cе后,進入強化階段еg,到某點k卸載時,應(yīng)力不沿加載路線ocdеk返回，而是沿著基本平行于oɑ的直線ko1下降,產(chǎn)生塑性變形oo1。再加載時,應(yīng)力沿o1k上升,過k點后繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形,此時屈服極限已由σS提高到。如此反復(fù)作用,每循環(huán)一次都產(chǎn)生一次新的塑性變形，并提高強度指標。但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加工硬化逐漸趨于穩(wěn)定。這種加工硬化現(xiàn)象可解釋為：在塑性變形時晶粒產(chǎn)生滑移滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸長和破碎，金屬內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力等，因而繼續(xù)塑性變形就變得困難，引起加工硬化。這種現(xiàn)象受到構(gòu)成金屬基體的元素性質(zhì)、點陣類型、變形溫度、變形速度和變形程度等因素影響。加工硬化可由真正應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述。

在機械工程中的作用

①經(jīng)過冷拉、滾壓和噴丸，拋丸機拋丸（見表面強化）等工藝，能顯著提高金屬材料、零件和構(gòu)件的表面強度；

②零件受力后，某些部位局部應(yīng)力常超過材料的屈服極限，引起塑性變形，由于加工硬化限制了塑性變形的繼續(xù)發(fā)展，可提高零件和構(gòu)件的安全度； ③金屬零件或構(gòu)件在沖壓時，其塑性變形處伴隨著強化，使變形轉(zhuǎn)移到其周圍未加工硬化部分。經(jīng)過這樣反復(fù)交替作用可得到截面變形均勻一致的冷沖壓件； ④可以改進低碳鋼的切削性能，使切屑易于分離。但加工硬化也給金屬件進一步加工帶來困難。如冷拉鋼絲，由于加工硬化使進一步拉拔耗能大，甚至被拉斷，因此必須經(jīng)中間退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中為使工件表層脆而硬，再切削時增加切削力，加速刀具磨損等。