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第5章 金属材料强化的途径

吉林大学,考研,材料科学 金属材料的强化方法

1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。第二, 合金组元与基体金属的 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)

金属材料的强化方法

第五章金属材料的强化方法 一、金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂,其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是,晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移,则滑移所需的切应力极大,其数值远高于实际测定值。如,使铜单晶刚性滑移的最小切应力(计算值)为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3~4个数量级。这样的结果,迫使人们去探求滑移的机理问题,即金属晶体滑移的机理是什么?20世纪20年代,泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构

图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移,最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移,因此,所需的力很小,上述过程很易进行。 由上述的分析可知,金属晶体中的位错数量愈少,则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体,其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级,称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论,即金属中位错愈多,滑移过程愈易于进行,其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见,仅仅是在位错密度增加的初期,金属的实际强度下降;位错密度继续增大,则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时,位错之间会产生相互作用:1)应力场引起的阻力,如位错塞积,当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积;2)位错交截所产生的阻力;3)形成割阶引起的阻力(两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错);4)割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前,其最大强度由两部分构成:一是未变形金属的流变应力σl ,即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性:晶体内部滑移面上的位错源越容易动作,运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小,则流变应力越低;其二是因应变硬化产生的附加强度,它由塑性变形过程中应变硬化速率 εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以,在断裂前的最大强度大致可按下式计算: ?+=f l d d d l εεεε σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的,因此,在构件的设计和使用中,流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类:

金属材料的强化机理讲解

材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理

摘要 综合论述金属材料强化原理,基本途径,文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系,叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能,提高产品的质量,充分发挥材料的性能潜力,延长工件的使用寿命,在实际应用中,有着非常重要的意义。对工程材料来说,一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词:强化;细晶;形变;固溶;弥散;相变

Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.:Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords:strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition

金属材料成分分析方法探讨

金属材料成分分析方法探讨 摘要:金属材料化学成分的含量及形态决定着金属的性能,准确分析金属材料 的化学成分对鉴别材料性能及用途起着重要作用。利用传统化学法进行成分分析 存在着过程复杂、效率低下的缺点,本文主要介绍分光光度法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、X射线荧光光谱法、滴定分析法等常见分析方法在金属材料化 学成分分析中的应用,并对金属材料成分分析技术的发展趋势做了简单的介绍。 关键词:金属材料;成分分析;重要性;方法 引言 金属材料涉及领域广泛,大类包括纯金属、合金、金属间化合物以及特种材 料等,在航空航天、现代机械等方面发挥着极其重要的作用。金属材料的发展对 国家发展、国防建设有着十分重要的作用,因此,社会对其需求量在不断增长。 随着科学技术的进步以及行业发展的要求,各种复杂的金属材料应运而生,同时,金属材料分析方法也随之不断发展,从传统方法到现今多种多样的分析技术,通 过对金属材料的成分分析,全面了解金属材料的性能和内部构造,方便金属材料 的设计研发。 一、金属材料成分分析的重要性 1、对金属材料的性能成因有深入的了解 金属材料成分分析可以帮助了解金属材料表征特性的成因,并且能够在大量 分析数据的基础上发现金属特性的规律,为以后设计研发更加复杂的金属材料提 供理论依据。金属材料性能从微观上有五个十分重要的影响因素,分别是金属晶 粒的类型、大小、数量、分布以及形状。由于金属材料微观组织上的原子结构、 晶体结构以及原子间的结合键存在很大的不同,在宏观上表现为金属材料性能的 差异。 2、为金属材料加工方法的合理选择提供依据 对金属材料的化学成分进行分析之后,能够更好地了解分析金属的成分组成 和基本特性,充分了解其性质,然后结合相关理论和工作经验确定合适的材料加 工方法,来保证金属材料性能表达的最大化,达到事倍功半的金属制造效果。所 以说,金属材料成分分析能够帮助选择合适的金属材料加工方法。 3、为金属材料热处理方法及设备的选择提供依据 为了使金属材料的性能得到充分的发挥,需要在完成金属材料加工之后,对 金属材料进行热处理,同时,还能够对生产过程中产生的组织缺陷进行消除。然而,热处理的方式及工艺控制参数的确定需要有一定的科学依据,要根据金属材 料的成分来确定热处理方法和设备。 4、保证金属材料应用的安全和经济 金属材料成分分析有利于金属材料性能的充分发挥,达到人们预期的使用效果,同时能够合理搭配金属的组成成分,降低金属制造成本,达到效益的最大化。 二、金属材料成分分析方法 1、分光光度法 金属材料成分分析的传统方法中最常见的是分光光度法,是一种根据Lambert(朗伯)-Beer(比尔)定律,通过测定被测物质在特定波长处或一定波 长范围内光的吸光度或发光强度,对该物质进行定性和定量分析的方法。采用的 检测仪器为紫外分光光度计,可见分光光度计(或比色计)、红外分光光度计或 原子吸收分光光度计。在分光光度计中,将不同波长的光连续地照射到一定浓度

人教版2020年九年级下学期第五章 金属和金属材料5-1金属材料与金属资源的利用和保护(word无答案)

人教版2020年九年级下学期第五章金属和金属材料5-1金属材料 与金属资源的利用和保护 一、填空题 (★) 1 . 物理性质 一般都是_________体,有_________光泽,电和热的_________,有_________性,密度大,熔点高等。(★) 2 . 金属用途主要取决于金属的性质,同时要考虑:__________、__________、是否美观、使 用__________、废料___________、废料对环境的影响等。 (★) 3 . 定义:一种金属和另外一种(或几种)金属或非金属融合在一起具有金属特性的物质。说明:①合金属于__________物,各成分是__________。 ②形成合金的条件:一种成分的沸点__________低于另一成分的熔点。 (★) 4 . 生铁(含碳__________)和钢(含碳__________)是铁的两种合金。 (★) 5 . 合金和纯金属比较:颜色__________,熔点__________,机械性能好。 (★) 6 . 加工方式 淬火:处理后的金属__________改变形状。 回火:处理后的金属__________改变形状。 (★) 7 . ① ____ ;② ____ ;③ ____ ;④ ____ ;⑤ ____ ;⑥ ______ 。 (★★) 8 . 铁生锈及防护 ①铁锈主要成分为 __________ ,结构 __________ ,易 __________ 水→生锈后应 __________ 去锈。 ②铁生锈的实质:铁与 __________ 、 __________ 发生缓慢氧化。 ③探究铁生锈: ① ____ ;② ____ 。

金属材料的强化方法和位错的关系

陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆,但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的,位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为,特别是变形、损伤和断裂机制,相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外,位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。 首先,滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外,金属材料拉伸断裂时,一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂,原因在于材料在变形过程中发生了滑移。 其次,滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错,铁棒就是脆性的,也就不可能采用各种加工工艺,如锻造等将金属加工成有用的形状。 第三,通过干预位错的运动,进行合金的固溶强化,控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动,造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。 第四,晶体成型加工过程中出现硬化,这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加,使弹性应力场不断增大,位错间的交互作用不断增强,因而位错运动变得越来越困难。 第五,含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度,称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力,用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同,强度有不同的表示方法,如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等(见金属力学性能的表征);压缩试验中的抗压强度;弯曲试验中的抗弯强度;疲劳试验中的疲劳强度(见疲劳);高温条件静态拉伸所测的持久强度(见蠕变)。每一种强度都有其特殊的物理本质,所以金属的强化不是笼统的概念,而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的,而对另一强度指标

金属材料的强化与韧化

金属材料的强化与韧化 机械工程学院机械工程1班刘文龙2011201120 对于金属材料来讲,最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。简单的说,强度是指材料抵抗变形和断裂的能力,而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。 随着制造业及材料工业的快速发展,人们对高性能材料的需求已经越来越迫切,从目前角度来看,在不更改加工方式与行业整体现状的情况下,高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法,显然的,第二种方法更易实现,也更接近工程实际。在现有的研究中,提高材料的强度主要有以下两种途径: 1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷,使它的强度接近于理论强度,例如金属晶须等,但实际应用难度较大; 2、在金属中引入大量缺陷,以此阻碍位错的运动,如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。 其中金属材料的强化主要有以下几种放法: 1、固溶强化此方法是利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法,一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。 2、细晶强化此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。 3、第二相粒子强化此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。 4、形变强化金属在塑性变形过程中,位错密度会逐渐增加,使得弹性应力场不断变大,位错间交互作用增强,使得位错困难增强金属强度。 这里以金属的细晶强化方式举例,在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出,在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下,对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织,将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级,见图1。通过试验发现,轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%,与空冷状态下的24.30%基本相等,但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa,提高了大约39.20%,抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa,提高了23.23%,可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显,适宜推广;而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发,均实现了细晶钢棒线材的工业化生产,并进行了推广应用。

金属材料的强化方法

金属材料的强化方法 金属材料的强化途径,主要有以下几个方面; (1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件,在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织,从而提高金属材料的性能。它包括: 1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界,由于晶界具有阻碍滑移变形作用,因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性,这是其它强化机制不可能做到的。 2)提纯强化。在浇注过程中,把液态金属充分地提纯,尽量减少夹杂物,能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中,常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法,可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化.通过合金化(加入合金元素)组成固溶体,使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化。含金化的金属材料,通过热处理等手段发生固态相变,获得需要的组织结构.使金属材料得到强化,称为相变强化。相变强化可以分为两类: 1)沉淀强化(或称弥散强化)。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素,在一定条件下,使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出,弥散地分布在组织中,从而有效地提高材料的强度,通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢(低合金结构钢和低合金热强钢)中,沉淀相主要是各种碳化物,大致可分为三类。一是立方晶系,如TiC、V4C3.NbC 等,二是六方晶系,如M02、W2C、wc等,三是正菱形,如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。 2)马氏体强化。金属材料经过淬火和随后同火的热处理工艺后,可获得马氏体组织,使材料强化。但是,马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件,工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化。晶界部位的自由能较高,而且存在着大量的缺陷和空穴,在低温时,晶界阻碍了位错的运动,因而晶界强度高于晶粒本身:世在高温时,沿晶界的扩散速度比晶内扩敞速度大得多,晶界强度显著降低。因此强化品界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用,足由于硼偏集于晶界上,使晶界区域的品格缺位和空穴减少,晶界自由能降低;B还减缓了合金元素沿晶界的扩放过程;硼能使沿晶界的析出物降低,改善了晶界状态,加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程;此外,它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化。在实际生产上,强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化,以充分发挥强化能力。例如: 1)固溶强化十形变强化,常用于固溶体系合金的强化。 2)结晶强化+沉淀强化,用于铸件强化。 3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳裁荷的构件,常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。 4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法,以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用.进一步提高材料的高温强度。

材料强化基本原理

第十章材料的强韧化 第一节材料强化基本原理 结合键和原子排列方式的不同,是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料,提高其强度的机理、方法也不同。 一、金属材料的强化原理 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象, 称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作 用,这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可 分为无序固溶体和有序固溶体,其强化机理也不相同。 (1)无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的 长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相 位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要 看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用,这种作用使位 错截交成弯曲形状。如图10—l所示. 图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。 x—x',A未被钉扎的乎直位错线,被钉后呈观曲线形状。 处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强, 这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力 求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形 状。相对于x—x'的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下,由于B点位错张力的协助作用,将使ABC段位错移到AB'C,在B'处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲,其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余,位错的弹性能反而有所降低.位错经热激活可以脱钉,因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下,ABC 段移动到AB'C.ABC和AB'C是相邻的平衡位置,阻力最大在位错处于中间位置AC时产生,外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y,ABC比2y略大,近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量,另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要 式中:Eb是位错脱扎所需能量;EI为单位长度位错由于加长而升高的能量,EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC,平均位移为x/2,外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2,故

第五章 金属及合金的塑性变形 -答案

第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化,应变时效,孪生,临界分切应力,变形织构 固溶强化:固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高,应力-应变曲线升高,塑性下降的现象; 应变时效:具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后,在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况; 孪生:金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面(孪晶面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另外一部分晶体作均匀的切变,使相邻两部分的晶体取向不同,以孪晶面为对称面形成镜像对称,孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生; 临界分切应力:金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小

分切应力; 变形织构:多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致,形成晶粒的择优取向,择优取向后的晶体结构称为变形织构,织构在变形中产生,称为变形织构。 二填空题 1.从刃型位错的结构模型分析,滑移的 移面为{111},滑移系方向为<110>,构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大,金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ,加工硬化的结果,使金属对塑性变形的抗力增大,造成加工硬化的

根本原因是位错密度提高,变形抗 力增大。 4.影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5.金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生,冷变形后金属的 强度增大,塑性降低。6.常温下使用的金属材料以细小晶粒为好,而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料,晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快,晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7.内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1.晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。(√) 2 在体心立方晶格中,滑移面为{111}×6,滑移方向为〈110〉×2,所以其滑

第五章 金属强韧化导论

第五章金属强韧化导论 引言: 力学性能:强度、塑性、韧性、硬度 力学性能指标都是在空气室温下测量的。 一、金属材料的强度、塑性和韧性 强度:在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。—→承载能力 永久变形—→σs屈服强度,发生明显变形的最小应力 发生断裂—→σb抗拉强度,最大均匀塑性变形的抗力,与断裂强度区别塑性:在外力作用下,产生永久变形而保持其完整性不被破坏的性质。—→变形能力伸长率δ、断面收缩率ψ 韧性:材料在快速载荷作用下抵抗断裂和内部裂纹扩展的能力。—→强度和塑性的综合表现冲击断裂吸收功、韧脆转变温度 二、强化机制 提高强度的方法: (1)无缺陷材料:低维材料强度基本达到理想晶体理论强度,但受到生产成本和工艺限制。 (2)显微缺陷强化技术:大量制造显微缺陷并使之合理分布,使其相互作用阻碍位错运动 or微裂纹的扩展,从而强化材料。 屈服强度与抗拉强度:大多数工件是不允许发生塑变,以屈服强度为标准。屈服强度的本质是 塑性变形能在金属中传播、增殖,从而使整个金属产生宏观塑性变形的 应力。 1.固溶强化 定义:金属元素同溶于基体相中形成固溶体而使其强化的方式。 形成固溶体时,由于溶质原子与溶剂金属原子应力不同,溶剂晶格发生畸变,并在周围造成一个弹性场。此应力场与运动的位错的应力场发生交互作用,使位错的运动受阻。 (1)弹性交互作用:柯氏气团(对称畸变)、史氏气团Snoek(非对称畸变); (2)静电交互作用:位错电偶极场与溶质原子的屏蔽场的相互作用; (3)化学交互作用:扩展位错与溶质原子的交互作用——铃木气团; 扩展位错:一个全位错分解两个不全位错中间夹杂一个层错的形式。 (4)几何交互作用:位错与溶质原子的交互作用同溶质分布几何位置有关——有序固 溶。 强固溶强化元素的固溶强化强度增量:R P-C=K c[C]1/2≈K c[C] (碳含量变动较小,系数~4570MPa)弱固溶强化……………………………:R P-M=K m[M] ([M]为处于固溶态的部分M含量,即<M) 2.位错强化 强化量与位错密度有关,R P-D=αG bρ1/2—→面心立方强化更明显 形变强化:金属材料在再结晶温度以下进行冷变形,强度硬度增加,而塑性韧性下降。

金属材料的四种强化方式

金属材料的四种强化方式 一.细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化,工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体,晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示,数目越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行,塑性变形较均匀,应力集中较小;此外,晶粒越细,晶界面积越大,晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 晶粒越细小,位错集群中位错个数(n)越小,根据τ=nτ0,应力集中越小,所以材料的强度越高; 细晶强化的强化规律,晶界越多,晶粒越细,根据霍尔-配奇关系式,晶粒的平均值(d)越小,材料的屈服强度就越高。 细化晶粒的方法 1,增加过冷度; 2,变质处理; 3,振动与搅拌; 4,对于冷变形的金属可以通过控制变形度,退火温度来细化晶粒。二.固溶强化 定义:合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。 原理:融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变,晶格畸变增大了位错运动的阻力,使滑移难以进行,从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时,可提高材料的强度和硬度,而其韧性和塑性却有所下降。 影响因素 (1)溶质原子的原子分数越高,强化作用也越大,特别是当原子分数很低时,强化作用更为显著。 (2)溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大,强化作用也越大。 (3)间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果,且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的,故其强化作用大于面心立方晶体的;但间隙原子的固溶度很有限,故实际强化效果也有限。 (4)溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大,固溶强化效果越明显,即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。 编辑本段程度固溶强化的程度主要取决于两个因素:1. 原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大,原始晶体结构受到的干扰就越大,位错滑移就越困难。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多,强化效果越大。如果加入过多

工程材料强化方法综述

工程材料强化方法综述 机制本科1101 杨清波 摘要:从工程材料强化本质和工业上工程材料强化的工艺两方面综合介绍了工程材料的强化方法。详细介绍了工程材料的强化本质方法和工业生产中的材料强化工艺。分析了在工业生产中各种强化方法的特点、效果及应用范围。介绍了一些强化工艺中的新技术。 关键词:细化晶粒,位错,固溶体,晶格畸变,强化,硬化,金属碳化物,热处理,相变0.引语 强度是材料在外力作用作用下抵抗永久变形和断裂的能力。在特定的工作环境中,某些构件需要承受较大的载荷或受到较大的冲击力等,那么这些构件需要有较高的力学性能,尤其需要有较高的强度。如何强化材料是工业生产中的一个非常重要的问题。强化材料方法在工业生产中有广泛应用。对材料进行强化可以扩大材料的应用范围,增加材料种类,降低生产成本。从材料的组织结构分析可得到多种强化原理,根据强化原理可制定多种强化工艺。下面,我对强化方法进行了初步的系统的总结。 1.工程材料强化方法原理 1.1晶界强化 1)界强化作用的直接体现者——细晶强化。金属的晶粒越细,则晶界数量越多,这样,由取向差效应和晶界原子排列不规则造成的强化效果越明显。多晶体的晶粒变形时,要求其周围的晶粒协同运动。多晶体滑移是多系滑移,以自身变形的同时,协调、配合相邻晶粒变形。造成位错发生交割,增大滑移变形阻力,从而使金属表现出高强度。 2)添加或减少微量元素含量,改善晶界状态。晶界的晶体结构不规则,原子排列混乱,晶格歪扭,又存在各种晶体缺陷(如位错、空洞等),因此晶界在高温变形时是一个薄弱环节。在高温蠕变时,晶界形变量占总形变量的50%,因此强化晶界就成为高温合金强化的一个重要部分。一些有害杂质元素的溶解度很小且往往偏析于晶界,生成低熔点共晶化合物。硫在γ—Fe中的溶解度只有0.015%。因此合金中所含的硫在铁中易形成熔点为988C的Fe+FeS 低熔点共晶。硫在镍中会形成熔点只有644℃的Ni+Ni3S2共晶。这些低熔点共晶在晶界的形成会大大恶化合金的热加工性能和高温热强性。通常高温合金中的硫含量控制在0.015%以下,优质高温合金控制在0.005%~0.007%以下。 1.2固溶强化 固溶体的晶体结构和溶剂的相同,但因溶质原子的溶入引起晶格常数改变,形成点缺陷并导致晶格畸变,使位错移动阻力增加,合金的强度、硬度、电阻增高,塑性、耐腐蚀性降低。这种通过加入溶质元素形成固溶体,使合金强度、硬度提高的方法称为固溶强化。适当控制溶质元素的量,可以在显著提高合金强度的同时,又保持较高的塑性、韧性。因此,对综合力学性能要求高的零件材料,大都采用以固溶强化为基体的合金。 1.3分散强化 由弥散分布于基体中的细小第二相质点引起的强化称为分散强化。分散强化分为时效强化(也称沉淀强化)和弥散强化(又称第二相强化)。

第五章 金属材料及其加工工艺

第五章金属材料及其加工工艺 思考题 6.简述热处理方法的分类。常用的热处理方法有哪些? 答:根据热处理时加热冷却规范的基本特点及其对组织性能的影响,金属热处理可分为普通热处理、表面热处理和特殊热处理。 常用的热处理方法有:○1普通热处理:普通热处理包括退火、正火、淬火、和回火处理。 ○2表面热处理:包括表面淬火和化学热处理。 ○3特殊热处理:利用一些特殊工艺方法进行热处理,通常有形变热处理、磁场热处理等。 9.不同碳含量的碳素钢有什么性能和特点? 答:碳素钢又称碳钢,含碳量低于2.11%的铁碳合金。除铁、碳及限量以内的硅、锰、磷、硫、氧等杂质外,不含其他合金元素。碳作为钢中的主要元素,其含量对钢的组织结构和性能有决定性的影响。通常含碳量增加,钢的强度、硬度增大,塑性、韧性和可焊性降低。 碳素钢按含碳量可分为: 低碳钢(含碳量在0.25%以下)——低碳钢具有低强度、高塑性、高韧性及良好的加工性和焊接性,适合制造形状复杂和需焊接的零件和构件。 中碳钢(含碳量在0.25%~0.6%之间)——中碳钢具有一定的强度、塑性和适中的韧性,经热处理而具有良好的综合力学性能,多用于制造要求强韧性的齿轮、轴承等机械零件。 高碳钢(含碳量在0.6%以上)——高碳钢具有较高的强度和硬度,耐磨性好,塑性和韧性较低,主要用于制造工具、刃具、弹簧及耐磨零件等。 碳素钢是一种用量大、用途广的金属材料,多制成不同规格的板材、管材、型材、线材及铸件,广泛用于建筑、桥梁、车辆、化工等各领域。 12.铝合金的性能特征是什么?铝材有哪些品种和用途?列举铝合金装饰板在设计中的应用实例。 答:铝合金的性能特征:铝合金质轻、强度高,比强度值接近或超过钢,具有优良的导电、导热性和抗蚀性,易加工,耐冲压,并且可阳极氧化成各种颜色。 常见铝材的品种和用途: ○1铝合金型材:广泛用作产品造型材料、展示材料、门窗框体材料、墙面和吊顶骨架支撑材料等。 ○2铝合金装饰板:铝及铝合金装饰板是现代流行的新型、高档的装饰材料,广泛用于内外墙、屋面室内天棚的装饰,以其特有的光泽质感丰富着现代城市环境艺术的语汇。 ○3铝箔:广泛用于各种商品的包装。 ○4铝塑复合膜:用于现代包装机的高速自动包装,广泛用于食品、日化、药品和其他各类商品的包装。常用的铝塑复合膜有AL/PE,用于包装巧克力等;OPP/PE/AL/PE,用于包装奶粉、茶叶、化妆品和药品等;PET/AL/CPP,为三层耐蒸煮材料,用于包装肉、禽类等软罐头; OPP/AL/PE,用于包装榨菜、奶粉和药品等。 ○5真空镀铝膜:镀铝前在薄膜基材上涂布一层透明的颜色,就可获得多种颜色的金属光泽,这些五彩缤纷的材料特别适用于礼品包装。真空镀铝膜与聚乙烯进行复合则具有更大的应用范围;如PET/镀铝/PE,在PET膜上印刷图案及商标,把印刷好的PET膜进行真空镀铝,然后与PE进行复合,即组成复合膜,这类材料具有高光泽的金属质感,阻气性和防潮性好,机械强度高,可采用热封,是一种良好的包装装潢材料,深受包装装潢界的欢迎。 铝合金装饰板在设计中的应用实例:铝板的种类繁多,常用的有铝塑复合板、单层彩色压型板、铝合金花纹板、铝质浅花纹板、冲孔吸音板等,广泛用作建筑物墙面、屋面装饰材

(完整word版)金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化

金属的五种强化机制及实例 1 固溶强化 (1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。 (2)固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。 (3)实例:表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态) 对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。 2 细晶强化 (1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。 (2) 细晶强化机制:通常金属是由许多晶粒组成的多晶体,晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示,数目越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行,塑性变形较均匀,应力集中较小;此外,晶粒越细,晶界面积越大,晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。 (3) 实例:ZG35CrMnSi钢强化工艺 工件铸造后经过完全退火,正火,再进行亚温淬火加高温回火热处理。该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。分析如下:亚温淬火在原奥氏体晶界上形成细小的奥氏体晶粒,奥氏体面积也变大了数倍;杂质在晶界偏析较少,可以细化晶粒和减少晶界偏析;加热温度较低,晶粒长大倾向小,实际晶粒较细;淬火时,马氏体被细化,而且细小晶粒的交界面曲折多弯,可以阻挡裂纹的扩展,两相区淬火时碳化物的析出过程及碳化物的形态不同于普通淬火,可减轻回火脆性提高冲击韧度同时亚温淬火采取水冷,冷速的提高也使晶粒得到细化。所以亚温淬火在保持抗拉强度不变的情况下,可提高冲击韧度。由于亚温淬火,存在一部分未溶铁素体,可以提高材料整体的塑性。由以上分析可知,ZG35CrMnSi钢强化手段主要有细晶强化,第二相强化和位错强化。 3 形变强化 (1)随着塑性变形量的增加,金属流变强度也增加,这种现象称为形变强化。形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷作硬化。 (2) 形变强化的机理是: 冷变形后金属内部的位错密度将大大增加, 且位错相互缠结并形成胞状结构(形变亚晶) , 它们不但阻碍位错滑移, 而且使不能滑移的位错数量剧增, 从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高。

金属强化的主要方法

一、金属强化的主要方法。 从金属材料的强化途径来看,金属材料的强化方法主要有两大类: 一是提高合金的原子间结合力,提高其理论强度,并制得无缺陷的完整晶体,如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值,可以认为这是因为晶须中没有位错,或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。 另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷,如位错、点缺陷、异类原子、晶界等,这些缺陷阻碍位错运动,也会明显地提高金属强度。事实证明,这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说,一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。下面简要的予以介绍: 1、结晶强化 结晶强化就是通过控制结晶条件,在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织,从而提高金属材料的性能。它包括: (1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界,由于晶界具有阻碍滑移变形作用,因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性,这是其它强化机制不可能做到的。 (2)提纯强化。在浇注过程中,把液态金属充分地提纯,尽量减少夹杂物,能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。采用真空冶炼等方法,可以获得高纯度的金属材料。 2、形变强化 也叫加工硬化,金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。如铜合金。 3、固溶强化 通过合金化(加入合金元素)组成固溶体,使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变,晶格畸变增大了位错运动的阻力,使塑性变形更加困难,从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。 4、相变强化

材料的强化机制

材料的强化机制: 强韧化意义 提高材料的强度和韧性。节约材料,降低成本,增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度,又有较好的韧性,通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理,掌握材料强韧化现象的物理本质,是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础 提高金属材料强度途径 1.完全消除内部的位错和其他缺陷,使它的强度接近于理论强度 2.主要采用另一条途径来强化金属,即在金属中引入大量的缺陷,以阻碍位错的运动 目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须,但实际应用它还存在困难,因为这样获得的高强度是不稳定的,对操作效应和表面情况非常敏感,而且位错一旦产生后,强度就大大下降 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 金属材料的强化 在生产实践中,主要采用在金属中引入大量的缺陷,以阻碍位错的运动的方法来强化金属,包括 1.固溶强化 2.细晶强化 3.第二相粒子强化 4.形变强化 固溶强化 固溶强化:利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法 溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式 1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示 2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的,因而强化效果要比填隙式原子小,但在高温下,替代式固溶强化变得较为重要 细化晶粒可以提高金属的强度 1.晶界对位错滑移的阻滞效应 2.晶界上形变要满足协调性,需要多个滑移系统同时动作,这同样导致位错不易穿过晶界,而是塞积在晶界处,引起强度的增高 位错在多晶体中运动时,由于晶界两侧晶粒的取向不同,加之这里杂质原子较多,增大了晶界附近的滑移阻力,因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒

浅议金属材料强化的途径、区别及应用

青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试 科目:工程材料及机械制造基础 姓名:杨鑫 学号:1101111097 班级:2011级本科三班 专业:机械设计制造及其自动化

浅议金属材料强化的途径、区别及应用 摘要:金属材料的强化途径有两个,一是向晶体内引入大量晶体缺陷,如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性(如偏聚)等,这些缺陷阻碍位错运动,也会明显地提高金属强度。搜索事实证明,这是提高金属强度最有效的途径。另一强化途径是提高合金的原子间结合力,提高其理论强度,并制得无缺陷的完整晶体,如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值,可以认为这是因为晶须中没有位错,或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm),强度会急剧下降。有人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错,一旦有可动位错存在,强度就急剧下降了。从自前来看,只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。 关键词:细晶强化固溶强化影响因素规律应用 引言:对工程材料来说,一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。下面是关于细晶强化和固溶强化的研究。 一.细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。 一般金属是由许多晶粒组成的多晶体,晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示,数目越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。 因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行,塑性变形较均匀,应力集中较小;此外,晶粒越细,晶界面积越大,晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。晶粒越细小,位错集群中位错个数(n)越小,根据τ=nτ0,应力集中越小,所以材料的强度越高。 细晶强化的强化规律晶:界越多,晶粒越细,根据霍尔-配奇关系式,晶粒的平均值(d)越小,材料的屈服强度就越高。 细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度,又改善塑性和韧性的方法。所以

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