机械制造基础大作业.docx

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机械制造基础大作业

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金属材料的强韧化原理和方法

摘要：

本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。

关键词：

金属材料强韧化

介绍：

强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。

一、金属材料的强化

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

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5、综合强化

1.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

2.细化晶粒强化

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

晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高

常温下一种有效的材料强化手段

高温时晶界滑动导致材料形变，细晶材料比粗晶材料软，增加金属材料高温强度要增大晶粒尺寸。

镍基高温合金利用定向凝固方法获得较大晶粒尺寸甚至单晶，减少晶界对高温强度不利影响，提高高温下的强度

3.第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著

①通过相变热处理获得的，称为析出硬化、沉淀强化或时效强化

第二相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响

4.形变强化

金属材料具有加工硬化的性能，形变后流变应力得到提高。

形变强化是因为金属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，因而位错的运动越来越困难

引起金属加工硬化的机制有：

位错的塞积、位错的交割（形成不易或不能滑移的割阶、或形成复杂的位错缠结）、位错的反应（形成不能滑移的固定位错）、易开动的位错源不断消耗等等

形变强化不利方面

1）由于金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率

2）由于形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工而不致裂开

3）有的金属（如铼）尽管某些使用性能很好，但由于解决不了加工问题，其应用受到很大限制

形变强化有利方面

1）有些加工方法要求金属必须有一定的加工硬化•某些不锈钢冷轧后的强度可以提高一倍以上•用金属板材冲压成杯子时只有板材发生硬化，才能使塑性变形不断进行直至最后冲压成杯，金属的拉伸过程（如拉丝）也要求金属线材在模口处能迅速硬化

2）可以通过冷加工控制产品的最后性能•冷拉的钢丝绳不仅强度高，而且表面光洁•工业上广泛应用的铜导应用的铜导线，由于要求导电性好，不允许加合金元素，加工硬化是提高其强度的唯一办法

形变硬化不是工业上广泛应用的强化方法,它受到两个限制

1.使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化

2.由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金属，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能

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）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。

二、金属材料的韧化

各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故，促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的。

为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性

1.韧化原理

断裂韧性是指材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高。

提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性。

断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高。

2.韧化方法

（1）沿晶断裂与晶粒度

由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用。

晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大。

细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施。

合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行。

如En24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，KIC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。

KIC值：

指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益

（2）脆性相

脆性相对材料韧性的影响很复杂

①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多

②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性

③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性

④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响

（3）脆性相各种几何学参量对韧性影响

①含量（fv）：

一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低

②大小（D）：

D愈大，韧性下降愈多

③间距（λ）：

韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高

④形状：

球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差

⑤类型：

塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低

（4）韧性相对韧性的影响

①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止

②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性

③复合结构例如多层板，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

用奥氏体作为韧性相可提高钢的韧性。

如对于AFC77不锈钢，通过改变奥氏体化温度来调整残余奥氏体的含量，对KIC值有很大影响。

在强度基本上不变的情况下，可使KIC提高4倍左右。

对于这种PH不锈钢，加入1%Ni及调整热处理工艺来控制残余奥氏体含量，可以获得很好的强度和韧性的组合

对于合金结构钢，少量的残余奥氏体也是KIC提高的原因之一。

如4340钢通过1200℃奥氏体化处理，虽然晶粒粗大，但KIC显著提高。

原因1：

这种处理得到条板状马氏体，没有孪生马氏体；原因2：

这种处理后，在马氏体片间有100~200Å的残余奥氏体薄膜

（5）基体相对韧性的影响

裂纹主要在基体中扩展，因而基体的特征显然会影响裂纹伸展途径，从而改变多晶金属材料的断裂韧性

此外，基体的特征还通过工艺影响相变产物及其组织结构，从而间接地影响材料的整体断裂行为

（6）奥氏体基体对钢材断裂韧性的影响

奥氏体基体的淬透性，Ms温度，层错能和强度等对钢材断裂韧性的影响如下

①细化奥氏体晶粒（d），从而可细化转变产物，对提高韧性有利

②一般地说，转变温度愈低，则回火后的韧性愈高，因而对淬火一回火的钢材，要求有足够的淬透性

③先共析铁素体对韧性是不利的，而针状的危害性又大于等轴状的，调整成分和工艺，细化针状铁素体，可以改善韧性

④珠光体片是应力和应变集中点，有利于解理和脆断的形成和伸展，应该设法避免

⑤孪生马氏体的韧性低于条板状马氏体，调整奥氏体的成分，改变奥氏体的Ms、层错能USF及σS，可以改变马氏体的形貌

⑥上贝氏体类似片层间距较小的珠光体，它们对于韧性是不利的，下贝氏体貌似自回火的条板状马氏体，它的韧性高于孪生马氏体，而低于条板状马氏体，在条板状马氏体形成之前先形成约10~20%的下贝氏体，由于分割了奥氏体晶粒，对韧性是有益的

3、韧化工艺

韧化工艺有三种：

（1）熔炼铸造

（2）压力加工

（3）热处理

1）熔炼铸造韧化工艺

①成分控制

实际情况成分波动和存在一定的杂质是不可避免的。

从提高韧性出发，提高合金纯度是有效的途径

②气体和夹杂物

控制气体（氢、氧、氮）和夹杂物（主要是氧化物和硫化物等）是冶炼和铸造工艺的重要问题

a.氢是有害气体，引起白点和氢脆，材料强度愈高，危害性愈大

b.氮易于引起低碳钢的蓝脆，是一种有害气体；在普通低合金钢中若有钒存在形成氮化物，则能提高强度；在奥氏体不锈钢中，它能够代替一部分镍，氮是有益的合金元素

c.氧以氧化物类型的夹杂物存在，使韧性降低

d.夹杂物是脆性相，一般夹杂物含量愈多，则韧性愈低

2）压力加工韧化工艺

依靠压力加工控制晶粒大小和取向，可改变材料韧性。

细化晶粒是重要的韧化措施。

热加工时，形变和再结晶同时进行，终轧温度和终轧后冷却速度会影响晶粒大小。

对钢材而言有以下几条规律：

①在较低温度，连续而较快地施加大变形量，可以获得细晶

②高温停留时间愈长，则奥氏体晶粒愈大

③快速通过Ar3~Ar1区，可获得较细的铁素体晶粒

④快速冷却，可防止铁素体晶粒长大

采用愈来愈低的终轧温度，如在Ar3以上、γ+α区及低于Ar1温度连续轧制，由于晶粒细化和位错胞块细小而使热轧钢板的强度和韧性提高。

连续轧制时，终轧温度愈低及变形量大，则板材的{111}<110>织构愈强，韧性愈高

3）热处理韧化工艺

热处理是改变金属材料结构，控制性能的重要工艺

①超高温淬火：

以淬火、回火和时效以及形变热处理为例，讨论提高断裂韧性的一些概念和思路对于中碳合金结构钢，采用比一般淬火温度高300多度的1200~1255℃超高温奥氏体化处理，虽然奥氏体晶粒从7~8级提高到1~0级，但KIC却提高70~125%原因可能是由于合金碳化物完全溶解，减少了第二相在晶界的形核，减少了脆性，提高了韧性

②临界区淬火：

当钢加热到Ac1~Ac3临界区，淬火回火后可以得到较好的韧性，这种热处理叫临界区热处理，或部分奥氏体化处理临界区处理的作用a组织和晶粒细化：

临界区处理时，在原始奥氏体晶界上形成细小奥氏体晶粒，并且复相区内形成的α/γ界面比一般热处理的奥氏体晶界面积大10~50倍，较大的晶界及相界面使杂质偏析程度减小b杂质元素在α及γ晶粒的分配：

P（Sn、Sb）等杂质可富集在α晶粒，α晶粒这种清除杂质的作用，对于降低回火脆性有利c碳化物形态：

临界区热处理后的碳化物要比一般热处理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作为回火时形核中心，从而减少晶界碳化物的沉淀

③回火和时效：

钢材的回火是一种时效过程，是过饱和固溶体一马氏体的脱溶沉淀过程。

合金结构钢有两种回火脆性，即高温回火脆性和低温回火脆性。

a.高温回火脆性

由Sb、Sn、As、P等杂质偏聚在奥氏体晶界引起。

选用Sb、Sn和As低的废钢及降低钢中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可减少回火脆性倾向可提高钢的纯度，控制碳化物析出，可减少低温回火脆性。

如Si含量增加使Fe3C开始形成温度上升，减少了脆化倾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的稳定性，增加脆化倾向。

铝合金：

时效组织对合金断裂性能有重大影响，一般获得均匀弥散的共格或半共格沉淀相比较适宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，对断裂十分不利

为此铝合金淬火加热温度应尽可能高，保温时间充分，使强化相最大限度地溶入基体，淬火速度要快，以避免在晶界析出第二相

④形变热处理

将压力加工和热处理两种工艺巧妙结合起来的形变热处理可以进一步提高材料的韧性。

如使结构钢在亚稳定奥氏体区变形，不仅可提高强度，还可同时提高韧性。

提高强度主要是由于形变增加位错密度和加速合金元素的扩散，因而促进了合金碳化物的沉淀。

塑性的提高也正是由于这种细化弥散的沉淀，降低了奥氏体中的碳及合金元素含量，淬火时形成没有孪生的、界面不规则的细马氏体片，回火时马氏体片间的沉淀物也较小。

参考文献：

【1】《金属材料强韧化原理与应用》，那顺桑、姚青芳，化学工业出版社，2006

【2】《金属材料及热处理》，崔振铎，中南大学出版社，2010

【3】《机械制造基础》，孙学强、钱建辉等，机械工业出版社，2001