金屬的強化是指通過合金化、塑性變形、熱處理等手段提高金屬材料的強度。金屬的實際強度只有理論強度的幾十分之一，甚至幾千分之一。為了提高金屬的強度，常用的強化方法有形變強化、固溶強化、第二相強化、析出強化。

典型的金屬材料拉伸曲線

1、 形變強化

• 隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強化或加工硬化。

• 隨塑性變形的進(jìn)行，位錯密度不斷增加，導(dǎo)致位錯運動時的相互作用增強，位錯運動阻力增大，變形抗力增加，從而提高金屬的強度。

• 變形程度增加，位錯密度不斷增加，根據(jù)公式Δσ=αbGρ1/2 ，強度與位錯密度（ρ）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強化效果越顯著。

• 通常采用冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）的方法進(jìn)行強化。形變強化是強化金屬的有效方法，尤其對于一些不能用熱處理強化的材料；還可以使金屬均勻變形，提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性。

• 形變強化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩，變形使強度升高、塑性降低，需要進(jìn)行再結(jié)晶退火，增加生產(chǎn)成本。

位錯塞積示意圖

2、 固溶強化

• 固溶強化的實質(zhì)是將合金元素溶入基體相中形成固溶體，由于兩者原子半徑的差異及晶格改變造成內(nèi)部晶格畸變，使金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。

• 固溶強化的機理一是溶質(zhì)原子使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質(zhì)原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴展位錯的運動。

• 在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強化作用越大；溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著；形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素；溶質(zhì)原子與溶劑原子的價電子數(shù)差越大，則強化作用越大。

• 固溶強化通常采用的方法是合金化，即加入合金元素。

固溶體示意圖

3、第二相強化

• 第二相強化一般指各種化合物質(zhì)點。通過各種手段使第二相質(zhì)點彌散分布，可以阻礙合金內(nèi)部的位錯運動，從而提高屈服強度和抗拉強度。目前工業(yè)上使用的合金大都是復(fù)相或多相合金，其顯微組織為在固溶體基體上分布著第二相(過剩相)。

• 鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀Fe3C，降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降。

• 第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。第二相為粒狀分布時，顆粒越細(xì)小，分布越均勻，合金的強度越高，第二相的數(shù)量越多，對塑性的危害越大；

• 沿晶界析出時，不論什么形態(tài)都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。

• 第二相強化的方法通常是加入合金元素，然后通過熱處理或塑性加工第二相的形態(tài)及分布。

4、細(xì)晶強化

• 細(xì)晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強化。細(xì)化晶?？梢酝瑫r提高強度，改善鋼的韌塑性，是一種較好的強化材料的方法。

• 合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細(xì)晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性、原子能量高的這一特點，對材料進(jìn)行強化。根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式，晶粒的平均直徑越小，材料的屈服強度越高。

• 細(xì)化晶粒的方法主要有：結(jié)晶過程中增加過冷度，變質(zhì)處理，振動及攪拌的方法增加形核率細(xì)化晶粒。冷變形金屬通過控制變形度、退火溫度來細(xì)化晶粒。通過正火、退火的熱處理方法細(xì)化晶粒；在鋼中加入強碳化物物形成元素等。

• 晶粒尺寸小于臨界尺寸dc時，會出現(xiàn)反霍爾-佩奇現(xiàn)象，即強度隨晶粒尺寸的減小而減小。

反霍爾-佩奇現(xiàn)象