2024年5月28日发(作者：达乐圣)
金属强化机制
一．固溶强化
通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中
所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）而使金属强度硬度提高的现象称为固溶强化。
分为间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成
间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al
、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。
1.固溶强化机制：
运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起
一些现象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用）；溶质原子聚集在
层错处，阻碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与溶质间形成偶极子（电学交互作
用）。这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金
属的强度和硬度。
2.固溶强化的规律：
（1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好
（2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加
例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其
强度随溶质元素溶解量增加而增大
（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置
换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，
而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
3. 实例: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由220MPa提高到380~400MPa，硬度
由44HBS升高到70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷变
形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。
二. 细晶强化
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是
细晶强化，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。
（1） 晶界强化
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系：
s
i
K
1
D
1/2
此式称为霍耳-配奇公式(Hall-Petch公式)。
式中： σ
i
——为常数，相当于单晶体的屈服强度；
D——为多晶体中各晶粒的平均直径；
K——为晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。
σ
s
——开始发生塑性变形的最小应力
σ
i
包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于铁素体一珠
光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此Hall—Petch公式可以改写为：
s
0
(3.7Mn
8.3Si
291.8N
1.51D
1/2
)
9.8
式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系数，即每1％
重量百分数可以提高的屈服强度。σ
0
为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳
的。σ
0
值随不同的处理而异。空冷时σ
0
=86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素
体晶粒平均截线长，以mm为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变化将使D
-1/2
产生较
大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织。
当珠光体量大于30％时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，Hall—Petch公式可以改写为
s
f
F
0.2
f
P
P
f
F
K
1
D
1/2
式中f
F
、f
P
是铁素体和珠光体的体积百分数，即f
F
+ f
P
=1；σ
0.2
和σ
P
相应为纯铁素体钢
和纯珠光体钢的屈服强度。
由公式看出，曲线斜率f
F
K
1
随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体晶粒的强化作用。
相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对σ
s
的贡献加大。由此可得出结论：与细化晶
粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强化效果愈大；相反在组织中珠光体愈
多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细化晶粒效果也就愈差。
（2） 亚晶强化
低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、变形量
有关。
亚晶强化的原因是位错密度增高。亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。另外
有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。
1. 细晶强化机制：
晶界是位错运动过程中的障碍。晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位错在
晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度
金属强化 徐长通 - 1 -
2024年5月28日发(作者：达乐圣)
金属强化机制
一．固溶强化
通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中
所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）而使金属强度硬度提高的现象称为固溶强化。
分为间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成
间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al
、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。
1.固溶强化机制：
运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起
一些现象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用）；溶质原子聚集在
层错处，阻碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与溶质间形成偶极子（电学交互作
用）。这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金
属的强度和硬度。
2.固溶强化的规律：
（1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好
（2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加
例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其
强度随溶质元素溶解量增加而增大
（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置
换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，
而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
3. 实例: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由220MPa提高到380~400MPa，硬度
由44HBS升高到70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷变
形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。
二. 细晶强化
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是
细晶强化，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。
（1） 晶界强化
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系：
s
i
K
1
D
1/2
此式称为霍耳-配奇公式(Hall-Petch公式)。
式中： σ
i
——为常数，相当于单晶体的屈服强度；
D——为多晶体中各晶粒的平均直径；
K——为晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。
σ
s
——开始发生塑性变形的最小应力
σ
i
包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于铁素体一珠
光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此Hall—Petch公式可以改写为：
s
0
(3.7Mn
8.3Si
291.8N
1.51D
1/2
)
9.8
式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系数，即每1％
重量百分数可以提高的屈服强度。σ
0
为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳
的。σ
0
值随不同的处理而异。空冷时σ
0
=86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素
体晶粒平均截线长，以mm为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变化将使D
-1/2
产生较
大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织。
当珠光体量大于30％时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，Hall—Petch公式可以改写为
s
f
F
0.2
f
P
P
f
F
K
1
D
1/2
式中f
F
、f
P
是铁素体和珠光体的体积百分数，即f
F
+ f
P
=1；σ
0.2
和σ
P
相应为纯铁素体钢
和纯珠光体钢的屈服强度。
由公式看出，曲线斜率f
F
K
1
随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体晶粒的强化作用。
相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对σ
s
的贡献加大。由此可得出结论：与细化晶
粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强化效果愈大；相反在组织中珠光体愈
多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细化晶粒效果也就愈差。
（2） 亚晶强化
低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、变形量
有关。
亚晶强化的原因是位错密度增高。亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。另外
有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。
1. 细晶强化机制：
晶界是位错运动过程中的障碍。晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位错在
晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度
金属强化 徐长通 - 1 -