金屬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.docVIP

　有色金属的强度一般较低。例如, 常用的有色金属铝、铜、钛在退火状态的强度极限分别只有80～100MPa 、220MPa 和450～600MPa 。因此, 设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。目前, 工业上主要采用以下几种强化有色金属的方法。 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) 原子尺寸差异对固溶强化效果起主要作用。原子尺寸差异越大, 则替代固溶体的强化效果越好。此外, 电化学性能的差异和弹性模量的差异对固溶强化效果也有一定影响。原子尺寸的差异通常用尺寸效应参数εa 表征(, a 为合金的原子间距, c 为固溶体浓度) 。第三, 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 %。第四, 对同一基体金属, 在浓度相同时, 形成间隙固溶体较形成替代固溶体的强化效果更好, 这是由于间隙固溶体的晶格畸变更为严重之故, 见表2。但由于间隙固溶体的溶解度一般较 小, 其总的强化效果不大。第五, 在固溶强化的同时, 合金的塑性将降低。也就是说,固溶强化是以牺牲部分塑性为代价的。一般来说, 固溶体的塑性降低不多(见图1) ,仍然可以承受塑性加工。例如, 在铜中加入适当镍形成固溶体, 使其硬度增加到HB60～80 , 延伸率降至50 %; 如果通过形变强化使硬度增加到同样水平, 延伸率将降至1～2 %。第六, 采用多元少量的复杂合金化原则, 其强化效果较少元多量好, 并且能将强化效果保持到较高温度。第七, 与其它强化方法相比, 固溶强化的强度增幅较小, 在固溶体浓度较高时更加明显 图1 　Cu2Ni 固溶体机械性能与成分的关系 固溶强化在有色金属生产实践中得到广泛应用。目前工业上使用的大多数有色金属合金, 其显微组织或全部是固溶体(如单相黄铜、α型和β型钛合金、普通白铜以及部分防锈铝合金) , 或是在固溶体基体上分布着第二相(如复相黄铜、α+β 型钛合金、大多数铝合金和镁合金以及各种轴承合金) 。这是因为这些合金不仅具有较高的强度, 而且可以承受轧制、挤压、拉拔和锻造等各种形式的塑性加工。 2 　细晶强化 有色金属生产的第一道工序是熔炼和铸造。熔炼的目的是合金化和精炼, 铸造的目的是获得成分、组织、性能符合要求的具有一定形状和尺寸的铸锭(或铸件) 。铸造过程是一个结晶过程, 液态金属在冷凝过程中将通过形核和