金屬強化加工的幾種工藝

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發表于 2017-7-6 17:04:27 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

當作用在材料上應力超過彈性極限，也就是超過屈服點時，就會發生塑性變形。由此產生的塑性變形是永久的，不能通過簡單消除引起變形的應力來恢復。應用于材料屈服的能量消耗主要用于產生材料的位錯滑移和/或孿生。這里需要注意一點，材料的位錯滑移和孿生有時候同時進行，在材料加工的情況下，重要的是要理解所涉及的塑性變形。

兩個主要塑性變形機制，即滑移和孿生。滑移是金屬塑性變形的主要機制。它包括沿一定的晶面滑移，稱為滑移面。它類似于一副牌，當一張牌從一端被推動時。當剪切應力超過臨界值時就會發生滑移。

刃型位錯運動

以滑移的方式發生塑性變形，通常沿著緊密堆積的晶格平面上進行，位錯運動的能量需求被最小化。晶體內部的滑移一直進行到位錯線到達晶體的末端，從而產生一個可見的臺階，稱為滑移帶。滑動是漸進的，一步一步地進行，這樣晶體結構一直保持不變。對于大多數金屬，密排面是（111）；因此，滑移帶通常發生在應力軸線45度方向。一般滑移面是原子密度最大的平面，滑移方向是滑移面內的密排方向。

在孿生的情況下，晶格結構確實發生了變化。孿生是一種扭曲的晶格在孿晶界創建鏡像的晶體結構。在孿生過程中，原子只移動了原子間距的一小部分；由于許多原子的同時翻轉，晶格中的宏觀變化可以觀察到，有時甚至可以聽到！

發生孿生的部分晶體是母晶體的鏡像，對稱平面稱為孿晶界，孿生變形的重要作用在于它使平面方向的變化，可以使滑移進一步進行。

金屬強化機理，對于單相金屬：晶粒細化、固溶合金化、應變硬化。多相金屬材料：沉淀硬化、彌散硬化、纖維加固、馬氏體強化。

應變硬化或加工硬化：在韌性金屬越來越困難時，塑性變形稱為應變硬化或加工硬化。應變硬化強度可以通過應變硬化指數定義，它是一個提高金屬應變硬化能力的方法。對于一定量的塑性應變，n值越高，應變硬化就越大。升高的溫度降低了應變硬化的速率，因此通常在低于材料熔點的溫度下進行處理。因此，這種加工方法也稱為冷加工。

應變硬化材料的結果是提高了強度和硬度，但材料的延展性會降低。在制造過程中應變硬化主要用于提高金屬的機械性能。除了機械性能外，材料的物理性能在冷加工過程中也會發生變化。通常有輕微的密度下降，導電率明顯下降，熱膨脹系數小，化學反應性增加（耐腐蝕性降低）。

固溶強化：雜質原子在單相材料中產生晶格應變，可以釘扎位錯。這種強化的有效性取決于兩個因素：溶質的體積差和體積分數。

溶質原子以多種方式與位錯相互作用：彈性交互作用、模量交互作用、堆垛層錯交互作用、電子交互作用、短程有序交互作用、長程有序交互作用。彈性，模量，和長程有序相互作用是長程的，對溫度比較敏感，一直持續到0.6Tm。

彌散強化：在彌散強化中，硬質顆粒與基體粉末混合，用粉末冶金技術進行固結和加工。第二階段在基體中的溶解性很小，即使在高溫下也是如此。位錯通過嵌入外來粒子的基體運動，既可以穿過粒子，也可以繞著粒子彎曲。對于小的顆粒來說切割粒子是比較容易的，這些小的粒子可以被看作是固溶原子。有效強化是在彎曲過程中實現的。

纖維強化：第二相材料也可以以纖維的形式引入基體并使基體獲得強化。前提是作為纖維的引入物必須具有高強度和/或高的比強度。纖維通常具有高強度和高模量，而基體必須具有韌性以及與纖維之間的非反應性。纖維可以長的連續的也可以是不連、聚合物。纖維增強材料是一類重要的復合材料。

超塑性：超塑性是變形晶體固體材料在張力作用下產生巨大的應變，有時甚至超過1000%。這種現象得益于材料抵抗局部變形的能力，就像熱玻璃一樣。材料的超塑性能，可用于形成的形狀非常接近最終尺寸的復雜構件。