金属的强化机制及强韧性能的控制

金属的强化机制及强韧性能的控制

强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。

一、强化机制

强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。直到1934年，奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。

强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的。

固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属，一般都要合金化。合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。合金元素对基体的固溶强化作用决定于溶质原子和溶剂原子在尺寸、弹性性质、电学性质和其他物理化学性质上的差异，此外，也和溶质原子的浓度和分布有关；固溶强化的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。

形变强化随着塑性变形量增加，金属的流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。形变强化是金属强化的重要方法之一，它能为金属材料的应用提供安全保证，也是某些金属塑性加工工艺所必须具备的条件。

为了说明形变强化的物理实质，必须了解在形变过程中位错的产生、分布和运动与流变强度的关系。阶段Ⅰ的强化可以认为是通过形成位错偶使大量位错受到羁绊而阻滞，但是偶中正负号位错的长程应力场在很大程度上互相抵销，因而位错偶只提供很小的阻止位错运动的应力场，导致阶段Ⅰ的强化效应微弱。阶段Ⅱ的强化模型很多，以西格根据莫特所提出的位错塞积群长程应力强化模型比较经典，可得出流变强度与位错密度的线性关系式，同时推算的结果和实验结果也比较符合。形变强化的第Ⅲ阶段应力-应变曲线呈抛物线形，亦即强化效应逐渐

下降，这是因为在高形变量下出现大量交滑移及异号位错兼并的缘故。由于应力的提高，有些位错可能绕过障碍前进，这些都减少强化效应。也就是说，在阶段Ⅲ有动态回复出现。在多晶金属的加工硬化过程中，阶段Ⅱ强化起决定性作用。为了保持多晶体塑性变性的连续性和协调性，每个晶粒发生变形时，必须有五个以上的滑移系统同时开动；所以，在多晶体里实际上不存在象单晶那样的阶段Ⅰ单系滑移和强化。

总之，形变强化决定于位错运动受阻，因而强化效应与位错类型、数目、分布、固溶体的晶型、合金化情况、晶粒度和取向及沉淀颗粒大小、数量和分布等有关。温度和受力状态有时也是决定性的因素。

细化晶粒强化随着晶粒的细化，断裂强度比屈服强度有更大幅度的提高，同时冲击韧性也得到改善，如同属体心立方金属的低碳钢和钼，晶粒每细化一级，韧性－脆性转变温度可分别降低10～20℃及24℃。

在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。所以近年来细化晶粒工艺受到高度重视和广泛应用。当前正在发展中的快冷微晶合金便是其中一例。有上述优异性能的原因可以从两方面考虑：①晶界所占比例较大，晶界结构近似非晶态，在常温下具有比晶粒更高的强度；②细小晶粒使位错塞积所产生的正应力随之降低，不容易产生裂纹，从而表现为提高强度而不降低塑性。但细晶粒金属的高温强度下降，这是因为在高温下晶界强度降低了，特别在变形速度很低的情况下（蠕变），这种效应更为突出。

纤维强化根据断裂力学观点，高强度材料可容许存在的临界裂纹尺寸很小，一旦出现裂纹就很快扩展，容易发生断裂。而将细纤维排在一起，粘结起来，可免除上述缺点，是解决脆性高强材料用于实际结构的一个重要途径。因为经过复合之后，不但解决了纤维的脆性问题，也提高了材料的比强度、比模量和疲劳性能。

辐照强化由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子，这些缺陷阻碍位错运动，从而产生强化效应。

二、强韧性能的控制

强韧性是指金属材料的强度和韧性而言。衡量金属材料强度的指标有屈服极限、抗拉强度等。但常用者为屈服强度。衡量韧性的指标可有冲击韧性和脆性转变温度等。

冲击韧性或冲击功冲击功的大小，一般是用冲击弯曲试验方法将试样冲断时所消耗的功来确定。这样，试样断裂时所消耗的功A k可由三部分组成：（1）消耗于试样弹性变形的弹性功A e；

（2）消耗于试样塑性变形的塑性功A p；

（3）裂纹出现后，消耗于裂纹的发展以致完全断裂的斯裂功A d。

对于不同材料，冲击时所消耗的总功可能相同，但其中弹性功、塑性功和撕裂功三者所占的比例却可能相差很大。弹性功——是表示材料在开始塑性变形前所吸收的变形能的大小；塑性功——是表示材料开始塑性变形以后以及进一步发展直到裂纹形成以前，所吸收的变形能的大小；撕裂功——表示裂纹发展直到完全断裂所吸收的变形能。

如果材料有较大的塑性功，则表现为断裂前有显著的塑性变形。如果材料有很大的撕裂功，则表现为裂纹发展很慢，在断口附近有明显的塑性变形，而且断口为纤维状。

影响强韧性的因素晶粒的大小随着晶粒尺寸的减小，金属的屈服极限升高，脆性转变温度下降。晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻碍越大。晶粒越细，晶粒内部的位错源越少。晶粒越细，位错在晶界处塞积而引起的应力集中越小且分散，不容易产生微裂纹，韧性提高。

珠光体的数量、大小及分布珠光体为渗碳体与铁素体所组成的混合物。在通常的情况下，珠光体中的渗碳体与铁素体成相间排列而构成片层状组织。在一定的条件下，珠光体中的渗碳体可呈颗粒状，称为粒状珠光体。一般来说，珠光体的体积百分数增大时，使钢材硬化，从而导致钢的韧性变坏。

Nb、V、Ti等合金元素的作用铌、钒、钛等合金元素皆与碳、氮有极强的亲合力，能够形成极为稳定的碳氮化物。在钢中都有细化晶粒，提高晶粒粗化温度的作用，并对强度和韧性也各自有其不同的影响。

细化晶粒，提高晶粒粗化温度。Nb、V等合金元素皆有细化晶粒和提高晶粒粗化温度的良好作用。产生析出硬化。如前所述，在钢中加入Nb、V、Ti等合金元素后皆可形成碳氮化物。其所产生的强化作用与析出碳化物质点的大小有关。当析出物微细而阻碍位错运动时，可使金属的强度提高。