金属材料的强化

3、晶体屈服强度的估算

假定晶体的滑移是刚性（整体）的，根据塑性变形是由某些晶面相对滑动的事实，可以估算出晶体的屈服强度：

z晶体从一稳定状态a，经过亚稳状态b，到达另一稳定状态c，这样一个滑动的结果使晶面相对滑动了一个原子距离;

z亚稳状态b时，两晶面的相对切应变γ=a/2a=1/2; z当所加切应力使两晶面切应变到达此值后，晶面就能自动地滑到最终的稳定态。

根据虎克定律，要发生γ=1/2切应变所需的切应力τ为：

τ=Gγ=G/2

如果把晶面能发生相对滑动的最小切应力作为屈服强度的估算，那么屈服强度大约为切变模量的一半。

但是，实际上，晶体滑移临界应力只是10-3～10-4G,因此，实际的屈服强度是理论估算的10-3 ～10-4倍。

举例：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。

z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；

z这两者的巨大差异，不能否定晶体滑移的事实（因为是实验结果！）；

z迫使人们去探求晶体滑移的微观机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？？？；

z20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。

3、金属材料滑移（塑性变形）的微观机理是存在位错运动

（1）位错是实际晶体中存在的真实缺陷，现在可以直接利用高分辨透射电镜观察，如下图所示，右边是一个位错模型。

（2）下图分别表示一刃型位错与一螺型位错参与滑移过程；

（3）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。

TEM下观察到的位错位错模型

正刃型位错引起滑移刃型位错线

负刃型位错引起滑移

左螺型位错引起滑移螺型位错线

右螺型位错引起滑移

4、金属中位错数量与强度的关系

z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；

举例：现在已经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。

z由位错参与塑性变形过程似乎可以得到另一结论，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，如下图所示。

z可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；

z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（晶界、析出物等）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。

5、流变应力

z 金属受力变形达到

断裂之前，其最大强

度由两部分构成：

（1）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。

z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；

z流变应力的组成

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。

z提高流变应力的方法

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。

z强化金属材料的思路

1）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；

2）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；

3）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；

4）除点阵阻力外，金属材料中位错运动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。

z提高金属材料强度的方法是阻止金属晶体中位错的运动

1）在工业上尚不能制得大尺寸的、接近于理论强度的、无缺陷完整晶体；只能制晶须，但它性能不稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降。

2）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；（没有采用）

3）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，导致金属抗变形能力被大大提高这是通常强化的思路和方法。

二、形变强化

举例1：高强度冷拔钢丝，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。

举例2：下图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。

z从上述的现象中，说明形变可以强化金属；它是对金属材料常用的方法；

z适用对象是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；

z强化的原因：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。

z 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：

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。z 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。

m

kc +=0σσ