1、第第4章章 材料强化材料强化 4.1概述概述4.2力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.4固固 溶溶 强强 化化 4.3加加 工工 硬硬 化化 4.5弥弥 散散 强强 化化 4.6固态相变强化固态相变强化 2个学时个学时2个学时个学时2个学时个学时加工硬化，又称为应变硬化，是由于位错增加工硬化，又称为应变硬化，是由于位错增值所引起的，所以能够产生加工硬化的材料值所引起的，所以能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料必须是位错能够滑移的塑性材料 4.3加加 工工 硬硬 化化 加工硬化主要是与金属和合金等塑性材加工硬化主要是与金属和合金等塑性材料有关的概念。众所周知，金属的性能料有关
2、的概念。众所周知，金属的性能可以通过冷加工即在低温下使金属发生可以通过冷加工即在低温下使金属发生形变的方法来改变。形变的方法来改变。图图4.19加工硬化产生原理加工硬化产生原理 4.3加加 工工 硬硬 化化 通过使金属发生塑性变形的方式，可以通过使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这就是所谓的加工硬使其屈服强度增高。这就是所谓的加工硬化。化。材料的屈服强度逐渐增高的同时，作为材材料的屈服强度逐渐增高的同时，作为材料塑性指标的延伸率逐渐降低。料塑性指标的延伸率逐渐降低。4.3加加 工工 硬硬 化化 一般情况下，未经历冷加工的金属材料一般情况下，未经历冷加工的金属材料中的位错密度约为中
3、的位错密度约为10106 6cm/cmcm/cm3 3。相对来说，。相对来说，这样的位错密度还是很小的。这样的位错密度还是很小的。经过了冷加工的金属材料中的位错密度可经过了冷加工的金属材料中的位错密度可增殖至增殖至10101212cm/cmcm/cm3 3 ，比初始的位错密度大，比初始的位错密度大近百万倍。位错密度越大，位错之间的相近百万倍。位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。随之增大。这就是加工硬化的原理。加工硬化的原理加工硬化的原理4.3加加 工工 硬硬 化化 Frank-Reed位错源位错源 图
4、图4.20位错增殖示意图位错增殖示意图 4.3加加 工工 硬硬 化化 利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料的形状的同时，提高材料的强度。尤其是对的形状的同时，提高材料的强度。尤其是对于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。工硬化方法显得更加重要。利用各种材料加工技术，如轧制、锻造、利用各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等等，都可以达到利用冲压、拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化提高材料强度的目的。加
5、工硬化提高材料强度的目的。4.3加加 工工 硬硬 化化 图图4.21冷加工或添加锌对铜的电导率和屈服冷加工或添加锌对铜的电导率和屈服强度的影响强度的影响 4.3加加 工工 硬硬 化化 陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很小程陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在低温度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在低温时不可能发生明显的塑性变形，只有在高温下时不可能发生明显的塑性变形，只有在高温下才会有塑性变形。才会有塑性变形。热弹性高分子材料在塑性变形时也会有硬化现热弹性高分子材料在塑性变形时也会有硬化现象。但其原因不是加工硬化，而是长链分子发象。但其原因不是加工硬化
6、，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。生了重新排列甚至晶化。4.3加加 工工 硬硬 化化 有时需要消除冷加工所产生的加工硬化。在有时需要消除冷加工所产生的加工硬化。在这种情况下，可以对材料进行退火。这种情况下，可以对材料进行退火。退火后的材料既可以保持冷加工后所得到的退火后的材料既可以保持冷加工后所得到的精确尺寸和良好表面，又可以恢复材料的塑精确尺寸和良好表面，又可以恢复材料的塑性。性。退火后的材料可以继续进行冷加工。这样将退火后的材料可以继续进行冷加工。这样将冷加工与退火相结合，可以使材料的最终变冷加工与退火相结合，可以使材料的最终变形达到一个很大的值。形达到一个很大的值。4.3加加 工工
7、硬硬 化化“相相”指的是一种结构指的是一种结构 在一个相中，结构或者原子排列处处在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同相同，化学成分处处相同 相与周围环境或其他相之间一定存在明相与周围环境或其他相之间一定存在明确的界面确的界面 4.4固固 溶溶 强强 化化 无限固溶体无限固溶体 没有溶解度限制的固溶没有溶解度限制的固溶体体，如镍铜。，如镍铜。有限固溶体有限固溶体 有溶解度限制的固溶体有溶解度限制的固溶体，如铜锌合金（黄铜）。如铜锌合金（黄铜）。也有一些完全不能互相溶解的现象。例如，也有一些完全不能互相溶解的现象。例如，油和水就不能互相溶解。铜和铅也不能形油和水就不能互相溶解。铜
8、和铅也不能形成固溶体。成固溶体。4.4固固 溶溶 强强 化化 固溶体与混合物的区别固溶体与混合物的区别混合物中含有混合物中含有2种以上的相，混合种以上的相，混合物中的这些相依然保持自己的特物中的这些相依然保持自己的特性性 固溶体本身只是一个相，组成固溶体固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保的各个组元都已经相互溶解，不再保持组元自己的特性。持组元自己的特性。混合物混合物固溶体固溶体4.4固固 溶溶 强强 化化 通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。镍铜合金的强度大于纯铜。当锌的目的。镍铜合金的强度大于纯铜。当锌的添加量少于的添
9、加量少于30%时得到的铜锌合金，其时得到的铜锌合金，其强度也大于纯铜。强度也大于纯铜。4.4固固 溶溶 强强 化化 固溶强化的效果决定因素固溶强化的效果决定因素 1.溶剂原子和溶质原子的尺寸差别溶剂原子和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化的效果越大越大，固溶强化的效果越大 2.添加的合金元素越多，固溶强化的添加的合金元素越多，固溶强化的效果也越大。效果也越大。4.4固固 溶溶 强强 化化 图图4.22各种合金各种合金元素对铜的屈服元素对铜的屈服强度的影响强度的影响 4.4固固 溶溶 强强 化化 图图4.23铜镍合金的铜镍合金的力学性能力学性能 4.4固固 溶溶 强强 化化 合金的屈服强度，抗拉强
10、度，硬度等会超合金的屈服强度，抗拉强度，硬度等会超过纯金属。过纯金属。几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这是一个例外。这是一个例外。合金的导电率大大低于纯金属。所以不应合金的导电率大大低于纯金属。所以不应该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高温环境不会明显损害固溶强化效果。温环境不会明显损害固溶强化效果。固溶强化对材料性质的影响固溶强化对材料性质的影响 4.4固固 溶溶 强强 化化
