【知識】金屬的四種強化機制

金屬的強化是指通過合金化、塑性變形、熱處理等手段提高金屬材料的強度。金屬的實際強度只有理論強度的幾十分之一，甚至幾千分之一。為了提高金屬的強度，常用的強化方法有形變強化、固溶強化、第二相強化、析出強化。

典型的金屬材料拉伸曲線

1、 形變強化

• 隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬化。

• 隨塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，導致位錯運動時的相互作用增強，位錯運動阻力增大，變形抗力增加，從而提高金屬的強度。

• 變形程度增加，位錯密度不斷增加，根據公式Δσ=αbGρ1/2 ，強度與位錯密度（ρ）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強化效果越顯著。

• 通常採用冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）的方法進行強化。形變強化是強化金屬的有效方法，尤其對於一些不能用熱處理強化的材料；還可以使金屬均勻變形，提高零件或構件在使用過程中的安全性。

• 形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩，變形使強度升高、塑性降低，需要進行再結晶退火，增加生產成本。

位錯塞積示意圖

2、 固溶強化

• 固溶強化的實質是將合金元素溶入基體相中形成固溶體，由於兩者原子半徑的差異及晶格改變造成內部晶格畸變，使金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。

• 固溶強化的機理一是溶質原子使固溶體的晶格發生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質原子在層錯區的偏聚阻礙擴展位錯的運動。

• 在固溶體溶解度範圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大；溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著；形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大於形成置換固溶體的元素；溶質原子與溶劑原子的價電子數差越大，則強化作用越大。

• 固溶強化通常採用的方法是合金化，即加入合金元素。

固溶體示意圖

3、第二相強化

• 第二相強化一般指各種化合物質點。通過各種手段使第二相質點彌散分布，可以阻礙合金內部的位錯運動，從而提高屈服強度和抗拉強度。目前工業上使用的合金大都是復相或多相合金，其顯微組織為在固溶體基體上分布著第二相(過剩相)。

• 鋼中第二相的形態主要有三種，即網狀、片狀和粒狀。網狀特別是沿晶界析出的連續網狀Fe3C，降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降。

• 第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，第二相的數量越多，對塑性的危害越大；

• 沿晶界析出時，不論什麼形態都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。

• 第二相強化的方法通常是加入合金元素，然後通過熱處理或塑性加工第二相的形態及分布。

4、細晶強化

• 細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性得到改善的現象稱為細晶強化。細化晶粒可以同時提高強度，改善鋼的韌塑性，是一種較好的強化材料的方法。

• 合金的晶粒越細小，內部晶粒和晶界的數目就越多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規則性、原子能量高的這一特點，對材料進行強化。根據霍爾-配奇關係式，晶粒的平均直徑越小，材料的屈服強度越高。

• 細化晶粒的方法主要有：結晶過程中增加過冷度，變質處理，振動及攪拌的方法增加形核率細化晶粒。冷變形金屬通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒。通過正火、退火的熱處理方法細化晶粒；在鋼中加入強碳化物物形成元素等。

• 晶粒尺寸小於臨界尺寸dc時，會出現反霍爾-佩奇現象，即強度隨晶粒尺寸的減小而減小。

反霍爾-佩奇現象

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