2014-6-27 机制本科
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工程材料强化方法综述
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【摘要】本文主要包括金属固溶体强化，第二项强化，形变强化，细化晶粒强化，热处理强
化以及表面热处理和化学热处理等。
【关键词】固溶体 位错 细化晶粒 退火 正火 淬火 回火
【作者简介】李洪民 机制本科班
引言
随着现代科技的发展，越来越多的材料被运用到日常的生活生产之中，这就使得强化和
处理材料成为工程材料应用的重要问题之一，通过各类强化和处理手段，既可以提高材料的
力学性能，充分发挥材料的潜力又可以获得一些特殊要求的性能，以满足各种各样使用条件
下对材料的要求。
1.固溶体强化
1.1固溶体定义及表示方法
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶
体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。
固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂,
B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
1.2.固溶体的分类
按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固
溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子; 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格
的间隙之中。
1.3.固溶体强化机理
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的
滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬
度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可
显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。
2.金属化合物强化（第二相强化）
复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的
微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。第
二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。
使得合金强度、硬度和耐磨性都有所提高。 对于位错的运动来说，合金所含的第二相有以
下两种情况： （1）、不可变形微粒的强化作用。（2）、可变形微粒的强化作用。
弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。
3.形变强化
金属在冷变形过程由于位错使得强度和硬度提高但塑性下降，该现象被称为加工硬化。
多用于不可热处理强化的金属材料。
4.细化晶粒强化
金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒的大小对金属的力学性能物理性
能和化学性能均有很大影响细晶组织的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好。这是因为，
晶粒越细一定体积中的晶粒数目越多，在同样的变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内
进行，各晶粒的变形比较均匀不致产生应力集中的现象。此外，晶粒细化，晶界就越多，越
曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现较高的塑性和
韧性。常见细化晶粒方法如下：
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（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈
多，则晶粒愈细。
（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自
发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。这种方法在工业生产中得到了广泛
的应用。如铸铁中加入硅、钙等。
（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。
5.热处理强化
5.1普通热处理
钢的最普通热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等。
5.1.1、钢的退火
退火是将刚加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用
于铸、锻、焊毛抷和半成品零件，为预备热处理。退火后获得珠光体型组织。退火的主要目
的是：软化钢材以利于切削加工：消除内应力以防止工件变形：细化晶粒改善组织，为零件
的最终热处理做好准备。主要退火方式有完全退火，等温退火，球化退火，均匀化退火，去
应力退火及再结晶退火。
5.1.2、钢的正火
将钢加热到Ac3以上30到50摄氏度，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工
艺叫正火。与退火相比，正火的生产周期短，节约能量，而且操作简便，冷却速度较快，得
到的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。生产中常优先采用正火工艺。
正火的主要应用范围有：①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为
切削加工的预处理。②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热
方法进行表面淬火前的预备处理。③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状
碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改
善切削加工性能。⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。
⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲
轴、连杆等重要零件。 ⑦过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以
保证球化退火时渗碳体全部球粒化。
5.1.3、钢的淬火
淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间，冷却后获得马氏体和（或）贝氏体
组织的热处理工艺。淬火是钢的最有效最经济的强化手段之一。
5.1.4、回火
回火是将淬火钢加热到Ac1一下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工
艺。回火是淬火的后续工序。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，防止工件变形或开裂，
稳定工件尺寸及获得工件所需的组织和性能。淬火后钢的坐直是不稳定的，具有向稳定组织
转变的自发倾向。加热回火加速了这个自发转变的过程。
用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火
零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大，内应力减
小，韧性稍有提高。②弹簧在350～500℃下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。
③中碳结构钢制作的零件通常在500～600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良
好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。
5.2表面热处理
5.2.1、表面淬火
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表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部
淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到
工件心部就立即冷却，实现局部淬火。
表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，
常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。
表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最
广的是电感应加热法。
感应加热表面淬火就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频，中频，工频
三种），使感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈
频率相同，方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的
表层。 由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工
件表层淬硬。
经表面淬火的工件，表面不易氧化，脱碳，变形小，淬火层深度易于控制。
5.2.2、化学热处理
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以
便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多
数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表
面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部
为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，
它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。
化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、
渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗，
及碳（氮）化钛覆盖等。
参考文献【1】王雅然，金属工艺学（第二版），机械工业出版社，2003（8）
【2】王纪安，工程材料与成形工艺基础（修订版），北京.高等教育出版社，2008