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1、 1材 料 强 韧 化 处 理教师：赵满秀博士摘录：李丹 彭凤 仇才君教学内容： 有关材料的强化和韧化的基本原理材料表面强化（重点） 2目 录 3第一部分 材料的强化和韧化的基本原理第 1 章 材料的强韧化基本原理1、金属材料强韧化的意义通过强化处理可以优化材料的力学性能指标，充分挖掘材料的潜力。工作表面通过表面强化处理，增加耐磨性、耐蚀性、疲劳强度，提高工件使用寿命。综上所述，材料的强韧化处理就是在保证材料的强化的同时，尽量提高材料的韧性。2、实现钢铁材料强韧性的两个阶段1、液态阶段（炼钢者研究的重点）方法：细化晶粒、纯洁钢材、合金化（1） 、细化晶粒方法：快速冷却（增大过冷度） ；加变质剂
2、：减少表面能，提高形核率；抑制晶粒长大；震动搅动：机械形核；合金化（用Al、Nb、Ti 脱氧）：氧化物熔点高，成为非均匀形核的核心，增加形核率。Al 脱氧的原因：Al 与氧的结合力强，生成高熔点的氧化物，成为非均匀形核的核心，提高形核率，细化晶粒。钢铁冶炼的最后阶段：脱氧：加 Al、Mg、Si 与 O 结合，细化 4晶粒；合金化。（2）纯洁钢材：如模具、刀具（含 C 量高、耐磨、高纯净）方法：去除有害元素 S、P 、O 、H；去除氧化物、氯化物、硅酸盐；去除有害气体。2、固态阶段对于固体材料为提高材料的强韧化，常采用常规热处理或者形变两大方法，也可以通过表面强化提高表面强度。（1） 、常规热处
3、理方法：正火、退火、回火、淬火（时效强化、固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化）（2）冷变形强化机理：塑性变形使位错密度增加，位错运动受阻。（3）热加工强化的原因：能焊合某些缺陷、破碎粗大组织、形成纤维组织。常规热处理与形变工艺如下所示：诱发 M 相变，产生孪晶，提高硬度热 挤 压热 轧热 锻热 加 工 挤 压滚 压喷 丸冷 变 形形 变 淬 火回 火退 火正 火常 规 热 处 理3、强化的两个途径 51、晶体的理论强度和实际强度理论强度：按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度实际强度：实验测得的单晶体临界分切应力2、材料强度和位错密度的关系须晶：接近完整晶体的须状晶体强化的两个基本途径：尽可能减少
4、晶体中的位错密度，使其接近完整晶体或者制成无缺陷的完整晶体，是金属的实际强度接近理论强度。在实际晶体中尽可能增大晶体中的位错密度，并尽可能的从运动着的位错设置障碍，抑制位错源的运动。4、金属材料强化机理第 二 相 强 化固 溶 强 化晶 界 强 化 ： 细 晶 强 化形 变 强 化1、形变强化：金属因塑性变形而引起的强化现象（冷热加工） 。 （硬 6度、韧性都增加）实质：位错增加位错阻力来源三个方面-位错塞积、位错割阶、位错林。【问题：什么是冷加工？ 什么是热加工？】2、晶界强化（细晶强化）概念：细晶强化是指因晶界的存在及晶界的增多而引起的强化现象。原因：晶界是位错的阻碍霍尔佩奇公式： dk2
5、/1-yis：屈服强度s：位错在晶粒内为克服摩擦力所需的应力i：与材料的有关的常数kyd：晶粒直径晶界强度、晶内强度与温度的关系如图所示： 7常温下：晶界强度晶内强度（温度升高，晶界强度下降幅度比晶内强度下降幅度要快）3、固溶强化晶格内溶入异种原子而使金属强化的现象。原因：溶质原子作为位错运动的阻碍，增加塑性变形的抗力。类型： 强化效果：有限 无限无 限 固 溶 体有 限 固 溶 体置 换 固 溶 体间 隙 固 溶 体（有限固溶体：溶质在金属中溶解度愈小，固溶强化作用越大）强化效果：间隙固溶体置换固溶体原因:点阵畸变变大，容易形成“柯垂尔气团” ，扩散快，自发进行（使系统能量降低）形成固溶体的
6、条件：半径相差不大、电负性相差不大（在元素周期表中，位置相邻）4、第二相粒子强化（金属间化合物、氮化物、碳化物）由于金属中的第二相的存在而引起的强化现象。第二相强化效果与第二相的形态、数量以及其在基体上的分布方 8式有关。（1）弥散分布第二相以细小的质点的分散状态存在而使金属强化的现象。弥散分布的第二相质点大小与强化作用密切相关，最合适的第二相质点间距为 2050 个原子间距，第二相质点太粗，位错线弯曲程度不够，强化作用减弱，第二相质点不能太细，位错线不能弯曲，而是刚性地通过微小的第二相质点，强化效果不大。弥散分布的第二相质点对基体的连续性破坏性较小，对塑性、韧性影响较小。（2）双相合金中的第
7、二相强化有一些合金中，两相的体积、尺寸、结构、成分和性质，相差较大，往往以非共格形式存在。第二相应呈片状或者球状，才能起到有效的强化作用。双相合金中用于强化的第二相是硬脆相，当硬脆性的第二相以连续的网状分布在基体上晶粒的边界上，由于第二相本身无法产生塑性变形，对基体产生割裂作用，引起应力集中，韧性、塑性降低。5、复合强化各种因素综合而强化金属的现象。例如：低碳钢经淬火后获得优质性能的原因？（1）由于快冷，是 M 含碳量、含合金元素量，超过饱和状态，故有相当程度的固溶强化效果。（2）M 转变：有非扩散切变和体积变化产生的滑移变形产生形变强化。 9（3）低碳 M 具有板条状结构，在板条状间以大晶界
8、角度或者小晶界角度存在，即存在晶界强化。（4）M 转变开始温度高，有细小的碳化物析出，即产生弥散强化。5、韧化的途径强度与塑性、韧性往往是矛盾的，唯有细晶强化可以同时提高强度、塑性、韧性，其他的提高强度的方法均会不同程度的降低塑性、韧性。1、塑性和韧性塑性：材料抵抗变形的能力。评价指标： 、 。韧性：材料抵抗断裂的能力。评价指标： 、 。KIcak（ ：表明金属抵抗裂纹室温扩张的能力，可用定量计算，对材料的可KIc靠性进行评估）2、金属材料的韧化途径（1）减少 C 含量。（2）加入 Ni 等合金改善机体韧性。（3）提高钢的纯度，即减少 S、P 、O、N、H 及金属夹杂物。（ 采用真空熔炼、电渣重溶等先进技术熔炼技术）（4）细化晶粒： d2/1-cInKT：韧脆转变温度 d：晶粒尺寸 K、 是 常数c（5）热处理强化低碳钢和低碳合金钢经淬火以后获得低碳板条状 M,高碳钢经淬 10火以后获得 。B下复合组织的利用：亚共析钢进行不完全淬火获得 B 和 F,及利用淬火后的 来提高韧性。A残6、材料的设计在处理强韧性问题时，应防止两个倾向。1、盲目追求韧性储备，限制其强度水平。克服韧性越来大越安全的传统设计思路。2、盲目追求高强度，忽视韧性储备。强度高，韧性差，容易发生脆性断裂。7、钢铁材料的设计思路成分、工艺组织性能工作条件应用场合
