金属材料的强化方法

第五章金属材料的强化方法

一、金属材料的基本强化途径

许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。

而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。

它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。

如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。

位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。

图5-2 位错结构

图5-3 位错参与的滑移过程

位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。

由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。

由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。

图5-4 强度和位错与其它畸变

可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率

εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算：

⎰+=f l d d d l εεεε

σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。

对流变应力有贡献的阻力主要是两类：

1）抑制位错源开动的应力，称之源硬化。

2）前面谈到的阻力，这种阻力是位错开始运动之后才起作用的，对位错的运动起着妨碍的作用，称为摩擦阻力。

为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。

金属材料中这些阻力（除点阵阻力---移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运动时所受的摩擦阻力）是随组织的变化而大幅度变化的。一切合金化、加工和热处理所引起的流变应力的提高主要是依靠对组织敏感的阻力的变化来实现的。

点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高，所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构成了位错运动的主要障碍；对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力时可以把这个因素忽略的。

为了寻求强度更高的金属材料，原则上可以沿着下列两条道路进行探索：

（1）由于塑性变形是位错在晶体中运动的结果，而位错的易动性又是金属抗变形能力被大大削弱的原因，所以强化金属基本的途径应该是设法提高位错运动的阻力：其一设法改变合金的键合类型，从而提高金属晶体内的点阵阻力，使位错的运动增加困难。这个方法还没有为人们所采纳，因为当晶体中的点阵阻力足以构成位错运动的主要阻力时，金属键的成分被共价键大量取代了，这样金属所拥有的一些性能上的基本优点（例如良好的塑性）往往就丧失了。其二设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互作用，从而阻碍位错的运动。后面要讲的方法会具体提到。

（2）制造无缺陷的完整晶体，使金属实际强度接近于理论强度。目前尚不能制得大尺寸无位错金属，只能制造极细的金属须或丝，而且晶须的性能极不稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降。

在工业中所采用的方法通常是通过阻止金属晶体中位错的运动，以使金属增强。

二、形变强化

例如1，高强度冷拉钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa,这就是用强烈冷变形的方法取得的。

例如2，图5-5为冷变形对工业纯铜性能的影响。随变形量增大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。

应变强化（形变强化）是对金属常用的方法。对于不再经受热处理并且使用温度远低于再结晶温度的金属材料，经常利用冷加工手段使金属或合金通过应变强化来提高强度。 在冷变形过程中，金属内位错密度增加，位错之间的交互作用加剧，位错运动阻力增大，从而导致金属的强度、硬度增加。这种现象称为形变强化或加工硬化。形变强化的本质在于，形变造成位错的大量增殖，位错之间的交互作用导致其运动愈加困难，从而使金属强度增加。 家庭作业：（1）冷变形金属的组织特点？

三、固溶强化

（1）固溶强化的一般规律

异类原子加入纯金属基体中构成固溶体（固溶体的概念）后，其静强度行为可概括为：

1）在应力—应变图上，合金的流变应力以及整个应力—应变曲线都向上提升，合金的应变强化能力一般比纯金属要高。

2）在一般的稀固溶体中，流变（屈服）应力随溶质浓度的变化可以用下式表示：

m kc +=0σσ

式中：σ--合金的流变应力；

σ0—纯金属的流变应力；

c---溶质的原子浓度；

k 、m---常数，决定于基体和合金元素性质。

3）在同一基体中，不同溶质元素溶解度的大小鲜明地反映出它们强化效果的差异。在相同的浓度下，强度的增加是随溶质元素溶解度的倒数成正比。如果进一步分析，就会了解到溶质和溶剂两元素原子尺寸的不同，化学性质的差异，电学性质的区别等因素将直接地从本质上影响固溶体的强度。

为了解释固溶造成强化的原因，最简单的办法是假定溶质原子在固溶体中是理想均匀分布的，由于两类原子在尺寸、化学性质、电学性质等方面的差异，在点阵中任何一个溶质原子的周围都存在弹性应力场，位错在通过这种具有内应力场的晶体点阵的时候自然需要克服更大的阻力，这就是固溶原子造成强化的最简单的理由。

严格说来，用溶质原子均匀分布的模型来解释固溶强化的规律是不合适的，在一些试验现象（如屈服现象）无法解释。问题在于固溶原子并不是均匀分布的，有两种原因引起溶质原子分布的不均匀性。

1）若B 原子溶入以A 原子为基的金属中，这两种原子自身键合的能力和相互键合的能力往往是不同的。会引起溶质的偏聚态（如果溶质原子的键合力大，它们常常在小范围内聚合到一起，一般是在某些晶面上偏聚成片状，而偏聚区的周围则成了溶质原子贫化的区域）和有序态（如果异类原子结合的倾向大于同类原子，则两类原子将在几十个以至几百个原子的范围内以一定的排列规律结合着）。因此，在较大的尺度下观察时，固溶体的分布可以说是无序的，统计均匀的，但在足够小的体积下仍然是呈一定程度规则排列的。

2）另一个造成溶质原子分布不均匀的原因是实际晶体中存在着大量点阵缺陷、晶界和亚晶界、层错、位错等。这些缺陷影响所及的区域都是高能区域，为了降低系统的能量，合金元素有可能优先分布在点阵缺陷的附近，形成晶界的内吸附和位错周围的原子气团。因此点阵缺陷的存在更增加了溶质原子分布的微观不均匀性。

固溶体的形变比纯金属需要更大的外力，除了溶质原子应力场的影响外，上面所述的溶