机械制造基础大作业金属的强韧化一 金属的强韧化：提高金属的强度和韧度。二 1.金属的塑性变形：金属材料在外力的作用下产生变形，当应力超过材料的弹性变形时就产生塑性变形。它是当外力除去后不能恢复的永久变形。2.单晶体金属塑性变形的机制：单晶体塑性变形的基本形式有两种：滑移和孪生。其中滑移是最基本的，最重要的变形方式。（1） 滑移：当金属晶体受到外力作用时，不论外力的方向、大小与作用方式如何，均可将总的应力G分解成垂直于某一滑移面的正应力X和平行于滑移面的切应力Y。在正应力X的作用下，发生弹性伸长，并在X足够大的时候发生断裂。切应力Y能使试样发生弹性歪扭，当切应力Y增大到一定值时则一定晶面两侧的两部分晶体产生相对滑动，滑动的距离超过一个原子间距事晶格的弹性歪扭随之消失，而原子滑移到新位置重新处于平衡状态，于是晶体就产生微量的塑性变形。当许多晶体面滑移总和就产生了宏观的塑性变形。滑移：在外力的作用下不断增值新的位错，大量的位错移出晶体表面就产生了宏观的塑性变形。（通过滑移面上的位错逐步实现的。）位错：所谓位错，是晶体某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。刃型位错是金属晶体中最常见最简单的位错。（2） 孪生:孪生是晶体的一部分沿一定的晶面和晶向进行剪切变形的现象。在这部分晶体中每个相邻的原子间相对位移只有一个原子间距的几分之一。但是许多层晶面积累起来的位移便可形成比原子间距大许多的位的切变。 3.单晶体金属塑性变形的特点：滑移总是沿晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向进行；滑移是晶体的相对滑动，不应期晶格的类型变化。 4.多晶体金属塑性变形的机制：多晶体金属塑性变形除了滑移和孪生外，还有晶界滑动和迁移，以及点缺陷的定向扩散。 （1） 晶界的滑动和迁移：是高温下的塑形变形方式，此时外应力往往低于该温度下的屈服极限。列如：高温合金经常进行蠕变实验就是在高温下远低于屈服极限的外应力作用下的长时间力学实验。此时试样会发生随时间不断增加的缓慢塑性变形（蠕变），其微观变形就是晶界滑动和迁移。 （2） 点阵缺陷的定向扩散：也是在高温低应力条件下，由于间隙原子和空位等点缺陷的迁移率很大，在外加应力的作用下它们将发生定向扩散，间隙原子运动到拉应力垂直的晶面之间，使晶体沿拉应力方向膨胀，或者是空位运动到与拉应力垂直的晶面上，使晶体沿压应力方向收缩。 5. 多晶体金属塑性变形的特点：多晶体塑性变形的方式多；多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性；体现出晶粒间变形的相互协调性；体现了晶粒变形的不均匀性。 三金属的强化：提高金属的强度。 1.途径:一是制备缺陷尽可能少甚至没有缺陷的晶体，使材料实际强度接近与理论强度。二是大大增加晶体缺陷的密度，在材料中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍。在工业中常采用第二种途径。 2.固溶强化：是利用点阵缺陷对晶体的强化。溶质原子溶入基体中产生原子尺寸效应，弹性模量效应和固溶体有序化作用而导致材料的强化。 （1） 原子尺寸效应：溶质原子与溶剂原子的尺寸不同使晶体内产生畸变，形成以溶质原子为中心的弹性应变场，该应变场和位错发生弹性交互作用，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。 （2） 弹性模量效应:溶质原子周围会形成一个弹性模量G1，与基体弹性模量G2不同。在产生相同应变时，此区域与基体所需的外加应力不同，外力所做的功也不同，二者之间存在一个能量差值，此能量差对位错产生一定的力。当G1G2时，该力为阻力，当G1G2时该力为吸力。不论哪种情况都会阻碍位错运动，从而提高了固溶体的强度。 （3） 固溶体有序化及强化:当材料中同类原子的结合力比较弱而异类原子间的结合力比较强时，固溶体就会产生有序化。当位错从这种有序化区域穿过时有序度受到破坏。一个刃型位错在有序固溶体中就可以产生一条反相畴界。反相畴界的形成使固溶体的能量增加，必须增加外力促使位错移动。有序化造成了位错移动的阻力。 3.细晶强化：细晶强化主要是利用晶界对位错的阻碍作用，通过细化晶粒来增加晶界或改善晶界性质，阻碍位错运动，提高材料强度。 导致材料断裂的初始裂纹大都发生在晶界处。当形变有一个晶粒通过晶界达到相邻的晶粒时，由于晶界区原子排列紊乱，位错结构复杂等特点而跨越困难，位错在晶界累积而使应力集中增高直到裂纹形成，这需要消耗大量的能量，从而细化晶粒提高了材料的强度。 工业中细化晶粒的一般方法：增加过冷度、变质处理、附加振动、降低浇注速度。 4.弥散强化：所谓弥散强化是指散布于基体中的第二相粒子可成为阻碍位错运动的有效障碍，从而起到强化作用。按第二相粒子的特性不同，弥散强化分为可变形粒子强化和不可变形粒子强化。 （1）可变形粒子强化：可变形沉淀相粒子自固溶体中沉淀或脱溶析出引起的强化效应常称为沉淀强化又称析出强化或时效强化。沉淀强化的条件是第二相粒子能在高温下溶解，并且其溶解度随温度降低而降低。沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。沉淀过程中第二相粒子会由基体共格向非共格过渡，是强化机制发生变化。当沉淀相粒子尺寸较小并与基体保持共格关系时，位错以切过的方式同第二相粒子发生交互作用，该作用与固溶强化溶质原子与位错交互作用相似，通过共格应变场阻碍位错运动。 （2）不可变形粒子强化：弥散强化时，难于切过弥散分布的不可变形硬粒子的位错将以绕过的方式与粒子发生交互作用。基体与第二相的界面存在点阵畸变和应力场，从而成为位错滑动的阻碍。5.形变强化：在冷变过程中，金属内位错密度增加，位错之间发生交互作用加剧，位错运动阻力增大，使得金属强度、硬度增加，这种现象成为形变强化或加工硬化。 金属加工硬化效应是由于位错在形变过程中增值以及位错间复杂的相互作用造成的。当位错密度增大时，位错间的交互作用增强，使位错的可动性降低，流变应力提高。6.相变强化：是通过热处理等方式改变材料内部组织结构达到强化材料的目的。它是固溶强化、弥散强化、细晶强化、形变强化的综合效应。主要包括马氏体强化和贝氏体强化。四金属的韧化：提高金属的塑性。 1.细晶韧化：多晶体的晶粒边界通常是大角度晶界，相邻的不同取向晶粒受力产生塑性变形时，部分施密特因子大的晶粒内位错源道先开动，并沿着晶面产生滑移和增值。滑移至晶界前的位错被晶界阻挡。这样一个晶粒的塑形变形就无法直接传播到相邻的晶粒中，造成塑性变形晶粒内的塞积。塞积位错应力场强度与塞积位错数目和外加应力值有关，二塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当晶粒变细时，必须加大外力作用力以激活相邻晶粒内位错源。因此细晶材料产生塑性变形时要求更高的外加作用力，从而提高了材料的塑性。 位错在晶界塞积而使应力集中增高直到裂纹形成，这需要消耗大量的能量，随着晶粒的细化，单位体积内晶界面积增加，位错运动、裂纹形成的难度和消耗的能量也相应增大。此外，细化晶粒即增加晶界面积还能增大晶界对裂纹扩展和解理断裂的阻碍作用；裂纹扩展到晶界时，由于晶界两侧晶粒取向不同使裂纹被迫改变方向或终止扩散，这也使裂纹扩散消耗的能量增加，相应提高了材料的韧性。 综上所诉可知：细化晶粒增加了位错运动的阻碍作用和变形难度，提高了材料的强度，同时也增加了裂纹形成的难度并阻碍裂纹的扩展，因而也提高了材料的韧性。所以细化晶粒是一种十分理想的材料强韧化方法。 2.韧性相及合金化：改变材料的成分（控制相结构），其作用： （1）裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不解理断裂，而塑性变形又消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻碍。 （2）裂纹伸展到韧性相，由于前进受阻被迫改向阻力较小和危害性较小的方向，例如分层，从而松弛能量，提高韧性。 （3）复合结构中，例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷，平面应力下的断裂韧性比平面应变下的断裂韧性要高 。 （4）例如：在钢中加入稳定奥氏体元素，如N、Mn等，可把bcc的铁素体或马氏体变为fcc的奥氏体，同时奥氏体可以作为韧性相提高钢的韧性。五参考文献： 1.材料成形基础合肥工业大学 刘全坤 机械工业出版社 2.材料科学基础 郑子樵 中南大学出版社 3.金属工艺学 丁德全 机械工业出版社 4.材料学 张联盟 高等教育出版社 5.机械制造基础孙学强 机械工业出版社