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金属材料的强化与韧化

机械工程学院 机械工程1班 刘文龙 2011201120

对于金属材料来讲，最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。简单的说，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。

随着制造业及材料工业的快速发展，人们对高性能材料的需求已经越来越迫切，从目前角度来看，在不更改加工方式与行业整体现状的情况下，高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法，显然的，第二种方法更易实现，也更接近工程实际。在现有的研究中，提高材料的强度主要有以下两种途径：

1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷，使它的强度接近于理论强度，例如金属晶须等，但实际应用难度较大；

2、在金属中引入大量缺陷，以此阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。

其中金属材料的强化主要有以下几种放法：

1、固溶强化 此方法是利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法，一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。

2、细晶强化 此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。

3、第二相粒子强化 此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。 4、形变强化 金属在塑性变形过程中，位错密度会逐渐增加，使得弹性应力场不断变大，位错间交互作用增强，使得位错困难增强金属强度。

这里以金属的细晶强化方式举例，在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出，在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下，对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织，将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级，见图1。通过试验发现，轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%，与空冷状态下的24.30%基本相等，但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa，提高了大约39.20%，抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa，提高了23.23%，可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显，适宜推广；而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发，均实现了细晶钢棒线材的工业化生产，并进行了推广应用。

图1 轧后经不同冷却方式下的组织形貌

a一空冷；b一强制冷却

金属材料韧化的原理主要包括：细化晶粒、脆性相、韧性相的加入以及调整基体的组织结构等。而当前韧化工艺主要包括熔炼铸造、压力加工和热处理等。熔炼铸造主要依靠成分控制、夹杂物以及气体含量控制等；压力铸造主要依靠晶粒控制与组织控制；热处理主要靠组织控制。

这里以闵世英[2]关于35CrMo这种常见钢材的热处理强韧化研究举例。按照国际分类法，35CrMo为调质钢，常规硬度为HRC50~54，按常规热处理方法，当35CrMo的硬度为HRC48~52，冲击韧性只有7~9J/cm，即为脆性状态，无法用作机械零件使用。在其研究的试验中，分别对相同规格的35CrMo进行了不同热处理方法的研究，其中将尺寸为10mm×10mm×55mm的试样进行了1100°C的油淬、450°C回火、860°C油淬和200°C回火，即“高温调制并常温淬火”的热处理方法。将获得的处理后试样对冲击断口进行了分析，发现断口基本是纤维状组织，撕裂韧窝较多，而正常淬火情况下的断口属于沿晶断裂，呈冰糖状，有明显二次断裂，典型的脆性断裂断口，见图2。经试验，“高温调制并常温淬火”的热处理方法在保证35CrMo的硬度达到HRC54~52时，其冲击韧性也达到了41.0~43.0J/cm，起到了明显的增韧作用，完全可以作为机械零件使用。

正常淬火试样断口 “高温调制并常温淬火”热处理试样断口

提高材料的强度与韧性，可以节约材料、降低成本、增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。

参考文献：[1] 王艳林等.热轧钢材晶粒细化及其应用研究[J].金属材料与冶金工程,2008.1：45-48．

[2] 闵世英.35CrMo钢强韧化处理的研究[J].科技经济市场,2007.4：44-45．