機械制造基礎大作業金屬材料的強韌化原理和方法摘要：本文系統地論述了金屬材料的強韌化原理和方法，以便指導實際生產中的加工。關鍵詞：金屬材料強韌化介紹：強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和斷裂的能力；韌性是指金屬材料在斷裂前吸收的斷裂變形功和斷裂功的能力。一、金屬材料的強化強韌化意義提高材料的強度和韌性。節約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和延延長服役壽命希望所使用的材料既有足夠的強度，又有較好的韌性，通常的材料二者不可兼得理解材料強韌化機理，掌握材料強韌化現象的物理本質，是合理運用和發展材料強韌化方法從而挖掘材料性能潛力的基礎提高金屬材料強度途徑1.完全消除內部的位錯和其他缺陷，使它的強度接近于理論強度2.主要采用另一條途徑來強化金屬，即在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯的運動目前雖然能夠制出無位錯的高強度金屬晶須，但實際應用它還存在困難，因為這樣強韌化意義提高材料的強度和韌性。節約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和獲得的高強度是不穩定的，對操作效應和表面情況非常敏感，而且位錯一旦產生后，強度就大大下降在生產實踐中，主要采用在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯的運動的方法來強化金屬，包括1.固溶強化2.細晶強化3.第二相粒子強化4.形變強化5、綜合強化1.固溶強化固溶強化：利用點缺陷對位錯運動的阻力使金屬基體獲得強化的方法溶質原子在基體金屬晶格中占據的位置分填隙式和替代式兩種不同方式1.填隙原子對金屬強度的影響可用下面的通式表示2.替代式溶質原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，因而強化效果要比填隙式原子小，但在高溫下，替代式固溶強化變得較為重要2.細化晶粒強化1.晶界對位錯滑移的阻滯效應2.晶界上形變要滿足協調性，需要多個滑移系統同時動作，這同樣導致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強度的增高位錯在多晶體中運動時，由于晶界兩側晶粒的取向不同，加之這里雜質原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側晶粒中的滑移帶不能直接進入第二個晶粒晶粒越細小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，多晶體的強度就越高常溫下一種有效的材料強化手段高溫時晶界滑動導致材料形變，細晶材料比粗晶材料軟，增加金屬材料高溫強度要增大晶粒尺寸。鎳基高溫合金利用定向凝固方法獲得較大晶粒尺寸甚至（2）脆性相脆性相對材料韌性的影響很復雜①少量的塑性變形若能使脆性相斷裂或與基體分開，則會產生裂紋，降低斷裂強度，脆性相愈大降低愈多②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界區的塑性松馳，起到硬化作用，可以通過位錯塞積機理在晶界產生裂紋而降低韌性③晶內脆性相，如排列較密，則可縮短位錯塞積距離，使解理斷裂不易發生，從而可提高解理斷裂強度，也可阻止裂紋伸展，并使裂紋尺寸限于顆粒間距，從而提高解理斷裂強度，若脆性相與基體結合較弱，則在缺口下的形變較均勻，減少應力三向性，也可提高韌性④脆性相也可通過影響晶粒度而間接地影響韌性，脆性相大小對于晶粒度有不同的影響（3）脆性相各種幾何學參量對韌性影響①含量(fv)：一般說來，fv愈高，則塑性和韌性越低②大小(D)：D愈大，韌性下降愈多③間距(λ)：韌性斷裂時，λ愈大，則韌性愈高，解理斷裂時則相反；λ愈小，韌性反而愈高④形狀：球形時，韌性最高，尖角狀時材料的韌性下降較多，夾雜物縱向的總長度愈大，則橫向韌性愈差⑤類型：塑性較好而與基體結合又較弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形變過程中較早地沿脆性相與基體的界面開裂，塑性較差而與基體結合又較強的脆性相（如鋼中TiC）在形變過程中，應力集中到一定程度可使其發生解理或破碎，使韌性降低（4）韌性相對韌性的影響①裂紋伸展遇到韌性相，由于韌性相不易解理斷裂，而塑性變形又要消耗較大能量，因而裂紋伸展受到阻止②裂紋伸展到韌性相，由于直接前進受阻，被迫改向阻力較小及危害性較小的方向，例如分層，從而松馳能量，提高韌性③復合結構例如多層板，可以使各組元在平面應力狀態下分別承擔負荷。平面應力下的斷裂韌性比平面應變下的斷裂韌性要高用奧氏體作為韌性相可提高鋼的韌性。如對于AFC77不銹鋼，通過改變奧氏體化溫度來調整殘余奧氏體的含量，對KIC值有很大影響。在強度基本上不變的情況下，可使KIC提高4倍左右。對于這種PH不銹鋼，加入1%Ni及調整熱處理工藝來控制殘余奧氏體含量，可以獲得很好的強度和韌性的組合對于合金結構鋼，少量的殘余奧氏體也是KIC提高的原因之一。如4340鋼通過1200℃奧氏體化處理，雖然晶粒粗大，但KIC顯著提高。原因1：這種處理得到條板狀馬氏體，沒有孿生馬氏體；原因2：這種處理后，在馬氏體片間有100~200?（5）基體相對韌性的影響裂紋主要在基體中擴展，因而基體的特征顯然會影響裂紋伸展途徑，從而改變多晶金屬材料的斷裂韌性此外，基體的特征還通過工藝影響相變產物及其組織結構，從而間接地影響材料的整體斷裂行為（6）奧氏體基體對鋼材斷裂韌性的影響奧氏體基體的淬透性，Ms溫度，層錯能和強度等對鋼材斷裂韌性的影響如下①細化奧氏體晶粒(d)，從而可細化轉變產物，對提高韌性有利②一般地說，轉變溫度愈低，則回火后的韌性愈高，因而對淬火一回火的鋼材，要求有足夠的淬透性③先共析鐵素體對韌性是不利的，而針狀的危害性又大于等軸狀的，調整成分和工藝，細化針狀鐵素體，可以改善韌性④珠光體片是應力和應變集中點，有利于解理和脆斷的形成和伸展，應該設法避免⑤孿生馬氏體的韌性低于條板狀馬氏體，調整奧氏體的成分，改變奧氏體的Ms、層錯能USF及σS，可以改變馬氏體的形貌⑥上貝氏體類似片層間距較小的珠光體，它們對于韌性是不利的，下貝氏體貌似自回火的條板狀馬氏體，它的韌性高于孿生馬氏體，而低于條板狀馬氏體，在條板狀馬氏體形成之前先形成約10~20%的下貝氏體，由于分割了奧氏體晶粒，對韌性是有益的3、韌化工藝韌化工藝有三種：（1）熔煉鑄造（2）壓力加工（3）熱處理1）熔煉鑄造韌化工藝①成分控制實際情況成分波動和存在一定的雜質是不可避免的。從提高韌性出發，提高合金純度是有效的途徑②氣體和夾雜物控制氣體（氫、氧、氮）和夾雜物（主要是氧化物和硫化物等）是冶煉和鑄造工藝的重要問題a.氫是有害氣體，引起白點和氫脆，材料強度愈高，危害性愈大b.氮易于引起低碳鋼的藍脆，是一種有害氣體；在普通低合金鋼中若有釩存在形成氮化物，則能提高強度；在奧氏體不銹鋼中，它能夠代替一部分鎳，氮是有益的合金元素c.氧以氧化物類型的夾雜物存在，使韌性降低d.夾雜物是脆性相，一般夾雜物含量愈多，則韌性愈低2）壓力加工韌化工藝依靠壓力加工控制晶粒大小和取向，可改變材料韌性。細化晶粒是重要的韌化措施。熱加工時，形變和再結晶同時進行，終軋溫度和終軋后冷卻速度會影響晶粒大小。對鋼材而言有以下幾條規律：①在較低溫度，連續而較快地施加大變形量，可以獲得細晶②高溫停留時間愈長，則奧氏體晶粒愈大③快速通過Ar3~Ar1區，可獲得較細的鐵素體晶粒④快速冷卻，可防止鐵素體晶粒長大采用愈來愈低的終軋溫度，如在Ar3以上、γ+α區及低于Ar1溫度連續軋制，由于晶粒細化和位錯胞塊細小而使熱軋鋼板的強度和韌性提高。連續軋制時，終軋溫度愈低及變形量大，則板材的{111}<110>織構愈強，韌性愈高3）熱處理韌化工藝熱處理是改變金屬材料結構，控制性能的重要工藝①超高溫淬火：以淬火、回火和時效以及形變熱處理為例，討論提高斷裂韌性的一些概念和思路對于中碳合金結構鋼，采用比一般淬火溫度高300多度的1200~1255℃②臨界區淬火：當鋼加熱到Ac1~Ac3臨界區，淬火回火后可以得到較好的韌性，這種熱處理叫臨界區熱處理，或部分奧氏體化處理臨界區處理的作用a組織和晶粒細化：臨界區處理時，在原始奧氏體晶界上形成細小奧氏體晶粒，并且復相區內形成的α/γ界面比一般熱處理的奧氏體晶界面積大10~50倍，較大的晶界及相界面使雜質偏析程度減小b雜質元素在α及γ晶粒的分配：P(Sn、Sb)等雜質可富集在α晶粒，α晶粒這種清除雜質的作用，對于降低回火脆性有利c碳化物形態：臨界區熱處理后的碳化物要比一般熱處理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作為回火時形核中心，從而減少晶界碳化物的沉淀③回火和時效：鋼材的回火是一種時效過程，是過飽和固溶體一馬氏體的脫溶沉淀過程。合金結構鋼有兩種回火脆性，即高溫回火脆性和低溫回火脆性。a.高溫回火脆性由Sb、Sn、As、P等雜質偏聚在奧氏體晶界引起。選用Sb、Sn和As低的廢鋼及降低鋼中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可減少回火脆性傾向可提高鋼的純度，控制碳化物析出，可減少低溫回火脆性。如Si含量增加使Fe3C開始形成溫度上升，減少了脆化傾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的穩定性，增加脆化傾向。鋁合金：時效組織對合金斷裂性能有重大影響，一般獲得均勻彌散的共格或半共格沉淀相比較適宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，對斷裂十分不利

為此鋁合金淬火加熱溫度應盡可能高，保溫時間充分，使強化相最大限度地溶入基體，淬火速度要快，以避免在晶界析出第二相

④形變熱處理

將壓力加工和熱處理兩種工藝巧妙結合起來的形變熱處理可以進一步提高材料的韌性。如使結構鋼在亞穩定奧氏體區變形，不僅可提高強度，還可同時提高韌性。提高強度主要是由于形變增加位錯密度和加