有色金屬?gòu)?qiáng)韌化處理

有色金屬的強(qiáng)韌化處理材料工程李嘉興有色金屬的強(qiáng)韌化處理黑色金屬有色金屬鋼鐵材料。非鐵金屬。有色金屬的分類：有色輕金屬：密度小于4.5g/cm3的金屬材料（鋁、鎂、鋰等）；有色重金屬：密度大于4.5g/cm3的金屬材料（銅、鎳、鉛、錫等）；稀有金屬：地殼含量稀少的金屬（鋯、鎢、鉬、鈮、鉭等）；貴金屬：（金、銀、鉑族金屬）有色金屬和合金的性能，取決于成分、組織、加工過程、熱處理過程。有色金屬的強(qiáng)化途徑有色金屬的強(qiáng)化途徑：冷變形強(qiáng)化；固溶強(qiáng)化；沉淀強(qiáng)化；過剩相強(qiáng)化；細(xì)化組織強(qiáng)化；纖維增強(qiáng)復(fù)合強(qiáng)化。有色金屬的強(qiáng)化途徑冷變形強(qiáng)化冷變形也稱作冷作硬化。金屬材料在再結(jié)晶溫度以下的變形稱為冷變形。冷變形后材料即被強(qiáng)化，強(qiáng)化程度隨變形程度、變形溫度及材料本身性質(zhì)有關(guān)。同種材料在同一溫度下冷變形時(shí)，變形程度越大則強(qiáng)度越高，但延伸率降低。圖Cu-Zn合金壓下量與力學(xué)性能的關(guān)系圖幾種有色金屬屈服強(qiáng)度與壓下量的關(guān)系有色金屬的強(qiáng)化途徑冷變形強(qiáng)化冷變形強(qiáng)化是金屬材料常用的強(qiáng)化方式之一，適用于工業(yè)純材，固溶體型合金及熱處理不強(qiáng)化的多相合金。某些合金冷變形時(shí)能形成較好的織構(gòu)而在一定方向上強(qiáng)化，稱為織構(gòu)強(qiáng)化。金屬材料發(fā)生冷變形強(qiáng)化的原因是：冷變形時(shí)金屬內(nèi)部位錯(cuò)密度增大，而且位錯(cuò)互相纏結(jié)，形成胞狀結(jié)構(gòu)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使不能移動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量劇增，以致需要更大的力才能使位錯(cuò)克服障礙而運(yùn)動(dòng)。變形程度越大，上述情況越嚴(yán)重，則材料的變形抗力越大，強(qiáng)度越高。有色金屬的強(qiáng)化途徑固溶強(qiáng)化

合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度一般都會(huì)得到提高，稱為固溶強(qiáng)化?？少F的是，對(duì)合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化時(shí)，強(qiáng)度、硬度得到提高的同時(shí)，塑性還能保持在良好的水平上。合金元素溶入基體金屬之后，使機(jī)體金屬中的位錯(cuò)密度增加，同時(shí)晶格發(fā)生畸變?；兯a(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)交互作用，使合金元素聚集到位錯(cuò)附近，形成“氣團(tuán)”，位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)就必須克服氣團(tuán)的釘扎作用，帶著氣團(tuán)一起移動(dòng)，或從氣團(tuán)中掙脫出來(lái)，因此需要更大的切應(yīng)力。合金元素對(duì)基體金屬的強(qiáng)化效果主要取決于合金元素原子與基體金屬原子的尺寸差別。一般原子尺寸差別越大，對(duì)置換固溶體的強(qiáng)化效果可能越大。有色金屬的強(qiáng)化途徑固溶強(qiáng)化

采用固溶強(qiáng)化合金時(shí)，應(yīng)挑選強(qiáng)化效果高的合金元素。但更重要的是選擇在基體金屬中固溶度大的合金元素，因?yàn)楣倘荏w強(qiáng)化效果隨被固溶的元素百分含量增大而增加。例如：Cu，Mg是Al合金的主要合金元素；

Al，Zn是Mg合金的主要合金元素；

Zn，Al，Sn是Cu合金的主要合金元素。進(jìn)行固溶強(qiáng)化時(shí)，往往采用多元少量的復(fù)雜合金化原則（即多種合金元素同時(shí)加入，但每種元素加入量少），使固溶體的成分復(fù)雜化，這樣可以使固溶體的強(qiáng)化效果更高，并能保持到較高的溫度。有色金屬的強(qiáng)化途徑沉淀強(qiáng)化

在固溶度隨溫度降低而減小的合金系中，當(dāng)合金元素含量超過一定限度后，淬火可獲得過飽和固溶體。在較低溫度加熱（時(shí)效），過飽和固溶體發(fā)生分解，析出彌散相，引起合金的強(qiáng)化，稱為沉淀強(qiáng)化。通過這種強(qiáng)化方法，合金的強(qiáng)度可以提高百分之幾十至幾倍。沉淀強(qiáng)化是Al，Mg，Cu等有色金屬材料常用的有效強(qiáng)化手段。沉淀強(qiáng)化的效果取決于合金的成分、淬火后固溶體過飽和度、強(qiáng)化相特性、分布以及彌散度等因素。強(qiáng)化效果最好的合金位于極限溶解度成分及其附近的成分范圍。圖二元系相圖d為B在A中的極限固溶度t為成分為d的合金的最佳淬火溫度有色金屬的強(qiáng)化途徑沉淀強(qiáng)化

試驗(yàn)證明，過飽和固溶體的分解要經(jīng)過一個(gè)過程，一般對(duì)大多數(shù)合金來(lái)說，開始是溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散、偏聚、形成無(wú)數(shù)溶質(zhì)元素富集的亞顯微區(qū)域，成為G.P.區(qū)；隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，或時(shí)效溫度的升高，G.P.區(qū)長(zhǎng)大為過渡相（具有一種中間過渡的與母相共格的晶體結(jié)構(gòu)），而后才形成析出相（具有獨(dú)立的非共格晶體結(jié)構(gòu)）。將金屬氧化物或難熔化合物的超細(xì)粉末與基體金屬的粉末混合燒結(jié)，也可以得到彌散強(qiáng)化材料。這種材料在基體金屬上分布著高溫下很穩(wěn)定的彌散難熔質(zhì)點(diǎn)，耐熱性能很好。有色金屬的強(qiáng)化途徑沉淀強(qiáng)化

圖Al-Mg二元相圖圖純鎂圖Mg-1%Al圖Mg-3%Al圖Mg-6%Al圖Mg-6%Al有色金屬的強(qiáng)化途徑過剩相強(qiáng)化

過量的合金元素加入到基體金屬中，一部分溶入固溶體，超過極限溶解度的部分則不能溶入，形成過剩第二相，簡(jiǎn)稱過剩相。過剩相對(duì)合金一般都有強(qiáng)化作用，其強(qiáng)化效果與過剩相本身性能有關(guān)，過剩相的強(qiáng)度、硬度越高，強(qiáng)化效果越大。但硬脆過剩相含量超過一定限度后，合金變脆，性能反而降低。此外，還與過剩相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。等軸、細(xì)小和均勻分布時(shí)的強(qiáng)化效果最好。粗大、沿晶界分布或呈針狀時(shí)合金變脆，強(qiáng)度也不高。另外，還與過剩相與基體之間的界面強(qiáng)度有關(guān)。將金屬氧化物或難熔化合物的超細(xì)粉末與基體金屬的粉末混合燒結(jié)，也可以得到彌散強(qiáng)化材料。這種材料在基體金屬上分布著高溫下很穩(wěn)定的彌散難熔質(zhì)點(diǎn)，耐熱性能很好。有色金屬的強(qiáng)化途徑過剩相強(qiáng)化

過剩相強(qiáng)化在有色金屬合金中應(yīng)用廣泛，幾乎所有在退火狀態(tài)使用的兩相合金都應(yīng)用了過剩相強(qiáng)化，或者是固溶強(qiáng)化與過剩相強(qiáng)化的聯(lián)合應(yīng)用。

過剩相強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化有相似之處。區(qū)別在于，沉淀強(qiáng)化時(shí)，強(qiáng)化相極為細(xì)小，彌散度大，在光學(xué)顯微鏡下觀察不到；而在過剩相強(qiáng)化合金時(shí)，強(qiáng)化相粗大，用光學(xué)顯微鏡低倍既能看到。有色金屬的強(qiáng)化途徑過剩相強(qiáng)化圖Mg-Si二元相圖圖Mg-0.5%Si圖Mg-1%Si圖Mg-1%Si圖Mg-3%Si圖Mg-3%Si有色金屬的強(qiáng)化途徑組織細(xì)化強(qiáng)化

組織細(xì)化，對(duì)單相合金說是指晶粒細(xì)化，對(duì)多相合金說是指基體相晶粒的細(xì)化及過剩相的細(xì)化。細(xì)化組織可以提高材料在室溫下的強(qiáng)度和塑性，是金屬材料常用的強(qiáng)韌化方法之一。晶界上原子排列錯(cuò)亂，雜質(zhì)富集，并有大量位錯(cuò)等缺陷，而且晶界兩側(cè)的晶粒位向不同，這些都阻礙位錯(cuò)從一個(gè)晶粒向另一個(gè)晶粒運(yùn)動(dòng)。晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)界面面積越大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也越大，合金的強(qiáng)度越高。在熔煉澆注合金時(shí)，采用避免金屬溶液過熱、攪動(dòng)、降低澆注溫度、增大冷卻速度等措施，有利于獲得細(xì)晶粒鑄件。對(duì)于變形合金的組織細(xì)化，一般可采用變形及再結(jié)晶方法。有色金屬的強(qiáng)化途徑組織細(xì)化強(qiáng)化

鑄造合金的組織細(xì)化可采用變質(zhì)處理，即澆注前在合金溶液中加入被稱為變質(zhì)劑的元素或化合物，使金屬溶液的結(jié)晶過程受到影響，結(jié)晶為細(xì)密組織。（1）加入適當(dāng)難熔質(zhì)點(diǎn)作為非自發(fā)晶核。晶核數(shù)目大量增加，結(jié)晶晶粒細(xì)小；（2）在金屬熔液中加入微量、易熔表面活性物質(zhì)，吸附在所形成的微小晶體表面，把晶體與熔液隔開，阻礙晶體長(zhǎng)大。（3）加入微量的、對(duì)初生晶體有化學(xué)作用從而改變其結(jié)晶性能的物質(zhì)，可以使初生晶體的形狀改變。變質(zhì)處理方法，不僅能細(xì)化初生晶粒，也能細(xì)化共晶體和粗大過剩相，或改變它們的形狀。有色金屬的強(qiáng)化途徑纖維增強(qiáng)復(fù)合強(qiáng)化

用高強(qiáng)度纖維同適當(dāng)基體材料相結(jié)合，以強(qiáng)化基體材料的方法，稱為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。增強(qiáng)纖維有碳纖維、難熔化合物纖維（Al