【知识】金属的四种强化机制

金属的强化是指通过合金化、塑性变形、热处理等手段提高金属材料的强度。金属的实际强度只有理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。为了提高金属的强度，常用的强化方法有形变强化、固溶强化、第二相强化、析出强化。

典型的金属材料拉伸曲线

1、 形变强化

• 随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

• 随塑性变形的进行，位错密度不断增加，导致位错运动时的相互作用增强，位错运动阻力增大，变形抗力增加，从而提高金属的强度。

• 变形程度增加，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2 ，强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。

• 通常采用冷变形（挤压、滚压、喷丸等）的方法进行强化。形变强化是强化金属的有效方法，尤其对于一些不能用热处理强化的材料；还可以使金属均匀变形，提高零件或构件在使用过程中的安全性。

• 形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，需要进行再结晶退火，增加生产成本。

位错塞积示意图

2、 固溶强化

• 固溶强化的实质是将合金元素溶入基体相中形成固溶体，由于两者原子半径的差异及晶格改变造成内部晶格畸变，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。

• 固溶强化的机理一是溶质原子使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。

• 在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。

• 固溶强化通常采用的方法是合金化，即加入合金元素。

固溶体示意图

3、第二相强化

• 第二相强化一般指各种化合物质点。通过各种手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高屈服强度和抗拉强度。目前工业上使用的合金大都是复相或多相合金，其显微组织为在固溶体基体上分布着第二相(过剩相)。

• 钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降。

• 第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，第二相的数量越多，对塑性的危害越大；

• 沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。

• 第二相强化的方法通常是加入合金元素，然后通过热处理或塑性加工第二相的形态及分布。

4、细晶强化

• 细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒可以同时提高强度，改善钢的韧塑性，是一种较好的强化材料的方法。

• 合金的晶粒越细小，内部晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性、原子能量高的这一特点，对材料进行强化。根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均直径越小，材料的屈服强度越高。

• 细化晶粒的方法主要有：结晶过程中增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。冷变形金属通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素等。

• 晶粒尺寸小于临界尺寸dc时，会出现反霍尔-佩奇现象，即强度随晶粒尺寸的减小而减小。

反霍尔-佩奇现象

来源：材料基（ID：cailiaoji）。欢迎分享转发至朋友圈。如需转载请后台回复“转载”。