五大細(xì)晶強(qiáng)化

金屬強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體（固溶體：就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)）而使金屬強(qiáng)度硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。分為間隙固溶強(qiáng)化（尺寸比較小的間隙原子引起的強(qiáng)化如：Fe與C,N,O,H形成間隙固溶體）和置換固溶強(qiáng)化（尺寸比較大的置換原子引起的強(qiáng)化如：Fe與Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置換固溶體）。固溶強(qiáng)化機(jī)制：運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用的結(jié)果。由于形成固溶體的溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸和性質(zhì)不同，溶質(zhì)原子的溶入必然引起一些現(xiàn)象，例如：溶質(zhì)原子聚集在位錯(cuò)周圍釘扎住位錯(cuò)（彈性交互作用）；溶質(zhì)原子聚集在層錯(cuò)處，阻礙層錯(cuò)的擴(kuò)展與束集（化學(xué)交互作用）；位錯(cuò)與溶質(zhì)間形成偶極子（電學(xué)交互作用）。這些現(xiàn)象都增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。固溶強(qiáng)化的規(guī)律：（1）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶強(qiáng)化效果愈好（2） 溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加例如：對(duì)于無限固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子濃度為50%時(shí)強(qiáng)度最大；而對(duì)于有限固溶體，其強(qiáng)度隨溶質(zhì)元素溶解量增加而增大（3） 形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素（如C、N、B等元素在Fe中）其強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶質(zhì)元素。但對(duì)韌性、塑性的削弱也很顯著，而置換式固溶強(qiáng)化卻基本不削弱基體的韌性和塑性。（4）溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯著。3.實(shí)例：純Cu中加入19%的Ni，可使合金的強(qiáng)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（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效果，其塑性將接近完全喪失。細(xì)晶強(qiáng)化金屬的晶粒越細(xì)，單位體積金屬中晶界和亞晶界面積越大，金屬的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化，主要分為晶界強(qiáng)化和亞晶界強(qiáng)化兩大類。（1）晶界強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)證明，金屬的屈服強(qiáng)度與其晶粒尺寸之間有下列關(guān)系：b=G+KD-1/2此式稱為霍耳-配奇公式（Hall-Petch公式）。式中：L——為常數(shù)，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度；D——為多晶體中各晶粒的平均直徑；K——為晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。os——開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力L包含著不可避免的殘留元素如Mn、Si、N等對(duì)位錯(cuò)滑動(dòng)的阻力。對(duì)于鐵素體一珠光體組織的低碳鋼經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定了這些元素的作用，因此Hall—Petch公式可以改寫為：b=氣+(3.7Mn+8.3Si+291.8N+1.51D-1/2)x9.8式中各元素含量以百分含量代入，各項(xiàng)的系數(shù)也就是這些元素的固溶強(qiáng)化系數(shù)，即每1%重量百分?jǐn)?shù)可以提高的屈服強(qiáng)度。。0為單晶純鐵的屈服強(qiáng)度，實(shí)際上鐵中總是含有微量碳的。。0值隨不同的處理而異?？绽鋾r(shí)0°=86.24MPa，爐冷時(shí)為60.76MPa。D為等軸鐵素體晶粒平均截線長，以mm為單位。鐵素體晶粒細(xì)化對(duì)提高屈服強(qiáng)度的效果是明顯的，D小時(shí)，D的很小變化將使D-1/2產(chǎn)生較大的變化。上式適用于鋼中珠光體含量＜30%的組織。當(dāng)珠光體量大于30%時(shí)，珠光體對(duì)材料強(qiáng)度的影響不能忽視，Hall—Petch公式可以改寫為+fFKD-1/2式中fF、fP是鐵素體和珠光體的體積百分?jǐn)?shù)，即fF+fP=1；。02和。P相應(yīng)為純鐵素體鋼和純珠光體鋼的屈服強(qiáng)度。由公式看出，曲線斜率fFK1隨含碳量提高而變小，從而降低了細(xì)化鐵素體晶粒的強(qiáng)化作用。相反含碳量提高使珠光體量增加，珠光體對(duì)氣的貢獻(xiàn)加大。由此可得出結(jié)論：與細(xì)化晶粒有關(guān)的提高鋼強(qiáng)度的方法中，鋼中含碳量愈低其強(qiáng)化效果愈大；相反在組織中珠光體愈多在微合金化或控制軋制制度下所得到的細(xì)化晶粒效果也就愈差。（2）亞晶強(qiáng)化低溫加工的材料因動(dòng)態(tài)、靜態(tài)回復(fù)形成亞晶，亞晶的數(shù)量、大小與變形溫度、變形量有關(guān)。亞晶強(qiáng)化的原因是位錯(cuò)密度增高。亞晶本身是位錯(cuò)墻，亞晶細(xì)小位錯(cuò)密度也高。另外有些亞晶間的位向差稍大，也如同晶界一樣阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制：晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中的障礙。晶界增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，致使位錯(cuò)在晶界處塞積（即位錯(cuò)密度增加），金屬的強(qiáng)度增加；在單個(gè)晶粒內(nèi)部，塞積的位錯(cuò)群的長度減小，應(yīng)力集中較小，不足于使位錯(cuò)源開動(dòng)，必須增加外力。生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法：（1）、加快凝固速度（2）、變質(zhì)處理（如純鋁鑄錠）（3）、振動(dòng)和攪拌Ti變質(zhì)處理, 末變質(zhì)處理作用效果：細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還可以改善材料的塑性和韌性。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)就越多，變形時(shí)同樣的變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生，以產(chǎn)生比較均勻的變形，這樣因局部應(yīng)力集中而引起材料開裂的幾率較小，使材料在斷裂前就有可能承受較大的塑性變形，得到較大的伸長率、斷面收縮率和具有較高的沖擊載荷抗力。實(shí)例：晶粒大小對(duì)純鐵力學(xué)性能的影響：晶粒的平均直徑d（mm）抗拉強(qiáng)度bb（MPa）延伸率5（%）9.716828.87.018430.62.521539.5位錯(cuò)強(qiáng)化金屬中的位錯(cuò)密度越高，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)越容易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯(cuò)纏結(jié)等位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強(qiáng)度，這種用增加位錯(cuò)密度提高金屬強(qiáng)度的方法稱為位錯(cuò)強(qiáng)化。金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強(qiáng)度與硬度隨變形程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的現(xiàn)象為加工硬化或形變強(qiáng)化。加工硬化機(jī)制金屬的塑性變形是通過滑移進(jìn)行的。在塑性變形過程中，由于位錯(cuò)塞積（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中遇到障礙受阻）、位錯(cuò)之間的彈性作用、位錯(cuò)割階等造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使材料的強(qiáng)度提高。金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度有下圖所示的關(guān)系：實(shí)驗(yàn)證明，金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度有如圖所示的關(guān)系。退火態(tài)金屬的位錯(cuò)密度為106?108/cm2，強(qiáng)度最低，在此基礎(chǔ)上增加或降低位錯(cuò)密度，都可有效提高金屬強(qiáng)度。加工硬化態(tài)金屬的位錯(cuò)密度為1011?1012/cm2。I 晶須強(qiáng)度位錯(cuò)密度金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度關(guān)系示意圖（1） 、完全無位錯(cuò)存在時(shí)，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，材料表現(xiàn)極高的強(qiáng)度。例如銅，理論計(jì)算的臨界切應(yīng)力約為1500MPa，而實(shí)際測(cè)出的僅為0.98MPa。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實(shí)現(xiàn)（晶須），用于研究型的復(fù)合材料中。（2） 、在存在位錯(cuò)的晶體材料中，隨位錯(cuò)密度的提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受交割作用影響加大，材料的強(qiáng)度得到提高。經(jīng)過冷變形的金屬材料，發(fā)生了加工硬化，強(qiáng)度可以在相當(dāng)范圍內(nèi)得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強(qiáng)度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結(jié)晶，加工硬化的強(qiáng)化效果將全部消失。實(shí)例1：自行車鏈條板（16Mn鋼板）原始厚度3.5mm 150HB b=520MPa五次冷軋后1.2mm 275HB b>1000MPa實(shí)例2：冷拔高強(qiáng)度鋼絲和冷卷彈簧是利用加工變形來提高他們的強(qiáng)度和彈性極限；坦克和拖拉機(jī)的履帶、破碎機(jī)的顎板以及鐵路的道叉等也都是利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。冷加工過程中，除了力學(xué)性能的變化，金屬材料的物理化學(xué)性能也有所改變。例如：冷加工后位錯(cuò)密度增加，晶格畸變很大，給自由電子的運(yùn)動(dòng)造成一定程度的干擾，從而使電阻有所增加；由于位錯(cuò)密度增大，晶體處于高能量狀態(tài)，金屬易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使抗腐蝕性能降低。第二相強(qiáng)化第二相粒子可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)遇到滑移面上的第二相粒子時(shí)，或切過，或繞過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進(jìn)行。這一過程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所以造成強(qiáng)化。但是第二相粒子必須十分細(xì)小，粒子越彌散，其間距越小，則強(qiáng)化效果越好。這種有第二相粒子引起的強(qiáng)化作用稱之為第二相強(qiáng)化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強(qiáng)化分類：沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。1.沉淀強(qiáng)化機(jī)制：

把某一成分的合金加熱到固溶度曲線以上，在某一溫度保持一定時(shí)間，使得B組元充分溶入冬固溶體中，然后迅速冷卻，抑制B元素析出，得到過飽和a固溶體，這就是固溶處理。經(jīng)固溶處理后的合金在室溫下放置或加熱到低于溶解度曲線的某一溫度保溫，合金將產(chǎn)生脫溶析出，即B將以新相的形式從過飽和a相中彌散析出，這個(gè)過程即是時(shí)效。通常將在室溫下放置產(chǎn)生的時(shí)效稱為自然時(shí)效;將加熱到室溫以上某一溫度進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，由于彌散新相的析出而使合金的強(qiáng)度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化。時(shí)效硬化即脫溶沉淀引起的沉淀硬化。繞過機(jī)制：基體與中間相的界面上存在點(diǎn)陣畸變和應(yīng)力場(chǎng)，成為位錯(cuò)滑動(dòng)的障礙?；瑒?dòng)位錯(cuò)遇到這種障礙變得彎曲，隨切應(yīng)力加大，位錯(cuò)彎曲程度加劇，并逐漸成為環(huán)狀。由于兩個(gè)顆粒間的位錯(cuò)線段符號(hào)相反，它們將斷開，形成包圍小顆粒的位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)則越過顆粒繼續(xù)向前滑動(dòng)。隨著位錯(cuò)不斷繞過第二相顆粒，顆粒周圍的位錯(cuò)環(huán)數(shù)逐漸增加，對(duì)后來的位錯(cuò)造成更大的阻力。切過機(jī)制：位錯(cuò)與顆粒之間的阻力較小時(shí)，直接切過第二相顆粒，結(jié)果硬顆粒被切成上下兩部分，并在切割面上產(chǎn)生位移，顆粒與基體間的界面面積增大，需要做功。并且，由于第二相與基體結(jié)構(gòu)不同，位錯(cuò)掃過小顆粒必然引起局部原子錯(cuò)排，這也會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而使金屬強(qiáng)化。?上 nb實(shí)例：在普通低合金鋼中經(jīng)常加入微量Nb、V、Ti，這些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在軋制中或軋后冷卻時(shí)它們可以析出，起到第二相沉淀強(qiáng)化作用。例如加熱到1250。。的Nb鋼，沉淀強(qiáng)化的作用平均每0.01%Nb可提高屈服強(qiáng)度19.6MPa。表第二相強(qiáng)化（彌散強(qiáng)化）銅與Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比較強(qiáng)化方法合金口Mzo/MPa軟化溫度/K第二相強(qiáng)化Cu-0.7vol%Al2O3Cu-1.2vol%TiB2600620873900固熔強(qiáng)化Cu-0.85CrCu-0.15Zr592523700700（引用：《提高彌散強(qiáng)化銅合金強(qiáng)度的主要方法》彭北山寧愛林（邵陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院））五.相變強(qiáng)化相變強(qiáng)化主要是指馬氏體強(qiáng)化（及下貝氏體強(qiáng)化），它是鋼鐵材料強(qiáng)化的重要途徑。相變強(qiáng)化不是一種獨(dú)立的強(qiáng)化方式，實(shí)際上它是前述的固溶強(qiáng)化，沉淀硬化、細(xì)晶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化效果的綜合，它是鋼鐵材料最經(jīng)濟(jì)而又最重要的一種強(qiáng)化途徑。1.馬氏體的形成過程：（a） 當(dāng)奧氏體過冷到Ms點(diǎn)時(shí)，首先在晶粒內(nèi)的某些晶面上生成馬氏體晶核，并迅速長大。（b） 馬氏體轉(zhuǎn)變不依靠已形成馬氏體晶體的長大，而且依靠出現(xiàn)新的馬氏體晶核，即馬氏體形成與t保無關(guān)。（c） 奧氏體常常不能完全轉(zhuǎn)變成馬氏體主要源于生產(chǎn)上冷卻溫度沒有真正達(dá)到Mf點(diǎn)。2.馬氏體強(qiáng)化機(jī)制：（1） 馬氏體點(diǎn)陣為碳所固溶強(qiáng)化馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體。當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，碳原子的數(shù)量由不飽和變成過飽和，點(diǎn)陣由面心立方變?yōu)轶w心立方，碳原子在晶格中的位置也發(fā)生了改變，因而引起了晶格畸變，在晶體內(nèi)部形成了巨大的應(yīng)力場(chǎng)。碳含量愈多，應(yīng)力場(chǎng)也就愈大。這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)將和晶格體內(nèi)存在的位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而起到強(qiáng)化作用。（2） 馬氏體轉(zhuǎn)變過程中晶粒得到細(xì)化馬氏體的比容比奧氏體的大，在奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)體積膨脹較大。因此在相變過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。為了減小內(nèi)應(yīng)力，在轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中形成細(xì)小的攣晶。使馬氏體的有效晶粒尺寸變小，晶粒間的取向增大，結(jié)果使鋼的強(qiáng)度、硬度增加。馬氏體含碳量愈多晶粒愈細(xì)，強(qiáng)度愈高。（3） 位錯(cuò)密度增加馬氏體形成時(shí)位錯(cuò)密度可增大到10i2/cm2。這是因?yàn)轳R氏體形成過程本身是晶粒原子面之間的切變過程，切變的結(jié)果使馬氏體中的位錯(cuò)增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也就增大了。（4） 馬氏體變形時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生過飽和固溶體的分解，析出新相，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。碳原子固溶強(qiáng)化是馬氏體最基本的強(qiáng)化機(jī)制。變形對(duì)馬氏體強(qiáng)化的影響：（1） 原始奧氏體晶粒的大小影響馬氏體晶粒的大小粗大的奧氏體晶粒將形成粗大的馬氏體晶粒，反之亦然。細(xì)小的馬氏體具有高強(qiáng)度。合理的變形工藝將顯著地細(xì)化奧氏體晶粒。更為突出的是，在奧氏體中所造成的亞結(jié)構(gòu)促使馬氏體晶核形成地點(diǎn)的數(shù)目增加，并阻止已形成的馬氏體長大，從而使馬氏體晶粒細(xì)化。（2） 奧氏體的塑性變形對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變按不同鋼種、變形條件可有不同的作用有時(shí)促進(jìn)相變，有時(shí)又抑制相變，因而也將改變淬火鋼中殘余奧氏體的數(shù)量，從而影響鋼材的力學(xué)性能。變形使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的改變也改變了材料中的針狀馬氏體和片狀馬氏體的比例。（3） 奧氏體塑性變形會(huì)引起奧氏體結(jié)構(gòu)不完善性的增加一一使位錯(cuò)密度增加形成位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)如果變形溫度足夠高，并在變形后有一定保溫時(shí)間，就可以通過動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的回復(fù)而發(fā)生位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的多邊形化，形成微細(xì)的亞晶粒。變形奧氏體中所造成的一切結(jié)構(gòu)不完善性及亞結(jié)構(gòu)都可被其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體所繼承，使高溫形變熱處理鋼材的塑性提高，脆性減少，強(qiáng)度提高。由于變形對(duì)馬氏體有有利的影響，因此形變熱處理材的性能優(yōu)于通常的熱處理材和余