工程材料强化方法综述

1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）。21）弥散强化（又称第二相强化）合金渗碳体、合金碳化物和特殊碳化物都比渗碳体具有更高的稳定性、硬度和耐磨性，当他们分布在基体上时，可引起更为明显的第二项强化作用。2）时效强化（也称沉淀强化）如果合金经重新低温加热或长时间放置，而从过饱和基体中沉淀析出细小第二相粒子（特殊碳化物或其他金属化合物），使材料得到很大强化，这就是时效强化（也称沉淀强化）。W、Mo、Ti、V、Nb等元素与与碳的结合能力很强，可形成细小的特殊碳化物，如TiC、WC、VC等，它们的弥散效果很强，常作为高硬度、高耐热、高耐磨性钢的强化相。时效强化由于强化效果显著，且在生产上易控制，在工业上得到了广泛的应用。1.4增减材料内部位错造成强化当位错数量较少时，位错存在会使晶体塑性变形容易进行，但当晶体中位错数量过多时，又会因位错间交互作用而位错的运动变得困难，晶体的变形阻力增大，强度增高，如右图所示。依据这个原理可知，降低和提高位错密度两种方式都可以强化金属。1）位错强化。由于位错密度增大或位错之间交互作用而使强度提高的强化机制叫做位错强化。2）晶须强化。有图可知，如果，材料中不含位错或位错密度极小，则材料的屈服强度将大幅度提高。金属晶须就是在这一思路下指导研制成功的一种高强度材料。(将须晶加入材料中，达到强化的目的，其过程……)1.5有序强化晶体自发采取的状态一定是低能量状态。有序固溶体中，原子自发采取的有序排列状态也是一种低能状态，而塑性变形会使原子有序排列的状态遭到破坏。有序状态的破坏将引起晶体的能量升高。欲实现这个过程（即晶体能量升高）。就要额外增加外力，故原子有序排列会造成晶体强化。相比较而言，有序强化的强化效果一般较弱，属于一种弱强化。1.6非晶态金属强化非晶态金属是指金属在固态下具有液态金属原子排列方式，即短程有序结构的金属或合金。其制造方法是通过超高速冷却，将液态金属快速冷却到室温，由于冷却极快，其结晶过程被抑制，从而将液态金属原子排列方式冻结下来，得到处于非晶态或玻璃态的金属。实践表明，许多晶体成分的合金，在冷却速度大于1000000°c/s时都可以制成非晶态金属。由于它具有很高的强度、一定的韧性及良好的耐腐蚀性和磁学性能，引起了人们极大地兴趣与重视。一般认为，非晶态金属的力学性能与其特殊的短程有序原子排列有关。2.工程材料强化工艺2.1金属材料热处理强化金属材料中钢铁材料是机械工程上最重要的结构材料，下面主要介绍钢的热处理。2.1.1钢的热处理强化原理位错密度与强度的关系3钢的热处理包括三个阶段，加热、保温和冷却。在每一个阶段都可以采取相应的方法，控制钢的组织转变，达到最终强化的目的。1）加热及保温阶段。钢材的加热及保温过程就是奥氏体化过程。控制奥氏体晶粒的大小就是强化的要点。众所周知，晶粒细化可提高金属的强度。奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显;钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向也增大。但当Wc1.2％时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大。钢中加入能生成稳定碳化物的元素和能生成氧化物及氮化物的元素都会阻止奥氏体晶粒长大。所以可采取以下措施控制晶粒大小：严格控制加热及保温时间；合理选择钢的原始组织及选择含有一定量合金元素的钢材等。2）热处理的冷却阶段。如右图，为共析钢的奥氏体等温冷却转变曲线---C曲线。不同的冷却方式可产生不同的组织结构，进而得到不同的性能。当最终得到畸变的晶格或细小的晶粒，或位错组织便得到了强化效果。以马氏体型转变为例。此转变温度发生在ms-mf之间。由于冷却速度很快，固溶在奥氏体中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体即马氏体。由于过饱和的碳原子被强制固溶在晶格中，致使晶格严重畸变。奥氏体含碳量不同，马氏体形态不同。含碳量较低的钢淬火时几乎全部得到板条状马氏体组织，而含碳量高的钢得到片状马氏体组织，含碳量介于中间的钢则是两种马氏体的混合组织马氏体。含碳量越高，则晶格畸变越严重，硬度越高。但体积增长越多，这将引起淬火工件产生相变内应力，容易导致工件变形和开裂。工业生产中经常采用回火工艺消除内应力，提高综合力学性能。组织转变过程实质也就是发生固溶强化、细晶强化、位错强化的综合过程。这就是所谓的马氏体强化（相变强化）。3）不同类型转变的对比共析钢的奥氏体等温冷却转变曲线---C曲线。4可以看出：等温转变时控制不同过冷度可产生不同的组织结构，但最终结果大多会使材料组织产生不同程度的细化，位错，或固溶强化，从而使材料性能产生不同程度的强化。2.1.2生产中金属的强化的整体热处理工艺钢的整体热处理工艺主要有退火、正火、淬火和回火。一般，工业生产中强化处理的工艺会用淬火，以达到马氏体强化，它是钢材的最有效且较经济的强化手段，淬火后通过适当回火转变可调节零件综合性能。但是正火工艺也会使金属产生相对的强化效果，这取决于进行热处理材料对象的种类和初始结构及最终用途。例如对力学性能要求不高的零件、结构可用正火工艺提高强度和硬度。2.2金属合金化改性强化以钢为例。1）合金元素溶入钢中的铁素体、奥氏体和马氏体中，合金元素起到固溶强化的作用。2）合金渗碳体、合金化合物和特殊碳化物都比渗碳体具有较高的稳定性、硬度和耐磨性，当他们分布在固溶体基体上时，可起到更为明显的第二相强化作用。如果合金经重新低温加热或长时间放置，会产生时效强化。3）提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性。溶入马氏体的合金元素大多阻碍马氏体的分解，使合金碳化物也不易聚集长大，从而可提高钢的抗回火软化能力，使钢在高温下仍能保持较高的强度、硬度和耐磨性。4）使材料产生回火硬化效应。W、Mo、V等强碳化物形成元素在500～600℃回火时，会形成细小弥散的特殊碳化物，使钢回火后硬度有所升高；淬火后残余的奥氏体在回火冷却过程中部分转变为马氏体，使钢回火后硬度显著提高。这两种现象都称为“二次硬化”。钢的热稳定性和二次回火性使合金钢在较高温度(500～600℃)仍保持高硬度(≥60HRC)，这种性能称为热硬性。热硬性对高速切削刀具及热变形模具等非常重要。5）溶入奥氏体，提高钢的淬透性。除Co外，大多数合金元素（如Cr、Ni、Mn、Si、Mo、B等）溶于奥氏体后都使钢的过冷奥氏体的稳定性提高，从而使钢的淬透性提高。有利于大截面零件的淬透；可采用较缓和的冷却介质淬火，有利于降低淬火应力，减少变形、开裂。在淬火提高材料硬度过程中，起到很大作用。6）细化晶粒，产生细晶强化。合金元素形成的各种碳化物、氮化物等金属化合物，其稳定性都比渗碳体高，加热时不易溶解，未溶的金属化合物会强烈阻碍奥氏体晶粒的长大，从而获得细小的奥氏体晶粒，从而可产生细晶强化。2.3金属形变强化1）冷塑性变形金属在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度、硬度上升塑性、韧性下降，这种现象称加工硬化。金属变形过程主要是通过位错沿一定的晶界面滑移实现的。在滑移过程中，位错密度大大增加，位错间又会相互干扰相互缠结，造成位错运动阻力增加，同时亚晶界增多，从而出现加工硬化。塑性变形时在晶格中造成晶格畸变而引起微观残余应力，此为形变金属中的主要内应力，也是使金属强化的主要原因；在金属中各个晶粒间的不均匀变形也会产生应力；工件各部位由于变形程度不同会产生宏观残余应力。在生产中有时需要采取措施5消除这些残余应力，如进行去应力退火。2）热变形热变形时铸态金属毛坯中的枝晶及各种夹杂物都会沿变形方向延伸与分布，排列成纤维状。当垂直于纤维方向施加力时，材料会表现出较高的强度。这也是一种强化材料的方法。2.4液态金属结晶时的细晶强化方法晶粒度的大小结晶的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核越数越多，每个晶粒长大时的空间越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大过程中可能形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。1）增大过冷度工业生产条件下，结晶时形核率和晶体增大速度都随过冷度的增大而增大，但形核率的增长倾向比晶体增大速度的增长倾向更为强烈（如图）。因此通过增大过冷度提高形核率和增大速度的比值，来获得细小晶粒。生产中常用的增加过冷度的方法有提高铸型导热能力、降低金属液的浇注温度等。2）加入形核剂在金属液中加入细小的形核剂（又称孕育剂或变质剂），使之分散在金属液中成为非自发形核的现成基底，或是在金属中形成一些局部微小过冷区域或阻碍晶体的长大，都可促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的，这种方法称为变质处理或孕育处理，这是生产中常用的细化晶粒的有效方法。3）机械方法用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的金属液流动，使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或者使长大中的树枝状晶断落，而进入液相深处，成为新晶核形成的基底，以起到细化效果。如超声振动、电磁搅拌、机械振动、人工搅拌等。2.5工程材料表面强化处理1）表面覆盖层强化法。在材料表面获得特殊性能的覆盖层（如气相沉积层、镀覆层、热喷涂层等），以达到提高强度、耐磨、耐蚀、耐疲劳等目的的工艺方法。2）表面形变强化法。表面通过喷丸、滚压、挤压等产生形变强化层，从而获得较高的疲劳强度的工艺方法。3）表面热处理强化法。通过化学热处理（如渗碳、氮、硼及铬等金属非金属元素）、表面淬火（感应加热、火焰加热、激光、电子束