九材料的强化与表面处理.PPTVIP

第一节 金属材料强化与韧化的途径 学习目标： 1.了解金属材料强化和韧化的原理； 2.掌握金属材料强化和韧化的主要方法。 金属材料的强化原理 一、金属材料的强化原理 提高金属强度的途径有两条： 一是完全消除内部的位错和其他缺陷，使其强度接近于理论强度，目前实验室条件可以实现，但实际大量应用还存在技术困难。 二是在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动，例如加工硬化、合金强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等。 金属材料的强化原理—细晶强化 （一）细晶强化 细晶强化是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度 。金属材料在外力作用下会产生塞积位错，塞积位错应力场强度与塞积位错数目和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源，从而达到了强化的作用。 金属材料的强化原理—固溶强化 （二）固溶强化 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。 固溶强化的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，其强化机理各不相同。 金属材料的强化原理—位错强化 （三） 位错强化 当晶体中的位错的分布比较均匀时，流变应力τ和位错密度间存在培莱赫许（Bailey，J. E-Hirsch，P. B）关系式，即 τ ＝ τ0+αGbρ1/2 式中：ρ为位错密度；G为切变模量；b为柏氏矢量；α为系数，多晶体铁素体α＝0.4；参量τ0表示位错交互作用以外的因素对位错运动所造成的阻力。 金属材料的强化原理—位错强化 由上式可见，当增高时，τ也增大。在金属晶体受到外力作用时，内部增殖大量位错。位错的增殖是塑性变形造成的，所以流变应力的增大率与塑性应变的增大率有关，即流变应力的增大率取决于塑性形变引起的位错密度的增大率。 金属材料的强化原理—沉淀强化 （四） 沉淀强化 沉淀强化，即材料强度在时效温度下随时间而变化的现象，是铝合金和高温合金的主要强化手段，其基本条件是固溶度随温度下降而降低。 实际的材料往往会综合有多种强化机制在起作用，钢中马氏体相变强化就是这样一种强化机制，它实际上是固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化的综合效应。 金属材料的韧化原理 二、金属材料的韧化原理 金属材料的断裂类型：韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂系指在断裂之前发生一定的塑性变形，例如宏观塑性变形不小于5％； 脆性断裂则包括解理断裂、沿晶断裂。韧性断裂是微孔形成、聚集长大的过程，在这种断裂机制中，塑性变形起着主要作用。 金属材料的韧化原理 改善金属材料韧性断裂的途径是： ①减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量： ②提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗； ③增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中； ④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展； ⑤金属材料的各种强化方法都会对其韧性产生影响 金属材料的韧化原理 （一）位错强化与塑性和韧性 一般地，位错密度提高，其金属材料的拉伸塑性和韧性都降低。 （二）固溶强化与塑性 1.强度若保持不变而提高塑性，则可以提高材料的韧性。 2.低碳位错型马氏体的强韧配合 （三）细化晶粒与塑性 细化晶粒既能提高强度，又能明显优化塑性和韧性 （四）沉淀相颗粒与塑性 总的来说，析出相沉淀强化危害塑性。 金属材料强韧化常用方法 三、金属材料强韧化常用方法 （一）钢的普通热处理 热处理是改善金属材料性能的一种重要加工工艺。它是在固态下通过加热、保温和冷却的方法，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺操作。 钢的热处理主要有普通热处理（退火、正火、淬火、回火）和表面热处理（表面淬火和表面化学热处理）。 钢的普通热处理—退火和正火 1. 钢的退火和正火 退火是将工件加热到临界点（A1、A3、Acm）以上或者在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作工艺。最常用的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退火。 正火是将工件加热至Ac3、Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 正火和退火都是使钢件非正常的组织常态化，细化组织，适当提高硬度和强