金属材料的强韧化机制与应用

金属材料的强韧化机制与应用

对结构材料来说，最重要的性能指标是强度和韧性。强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标；韧性指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。以下介绍金属材料的主要强韧化机制。

一、金属材料的强化

金属材料强化的类型主要有固溶强化、细晶强化（晶界强化）、第二相粒子强化和相变强化。

（一）固溶强化

固溶强化是利用金属材料内部点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使得金属基体（溶剂金属）获得强化的一种方法。它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。

1. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“S nock”气团。这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。

2. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为软硬化。形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。

（二）细晶强化

晶界分为大角度晶界（位向差大于10o）和小角度晶界（亚晶界，位向差1~2o）。

晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。晶界处位错密度较大，对金属滑移（塑性变形）、位错运动起阻碍作用，即晶界处对塑性变形的抗力较晶内大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也困难。因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈服强度也越高。

（三）形变强化（位错强化）

金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。

（四）第二相粒子强化

按获得粒子的工艺，第二相粒子强化可分为析出强化（沉淀强化、时效强化）和弥散强化。第二相粒子本质上有两种强化途径：一是第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场，应力场和运动“位错”间交互作用使基体强化；二是第二相质点和基体处于共格和半共格状态时，质点周围有一个高能区，具有很大的弹性畸变，致使强度、硬度急剧增加而强化，其强化效应可总结为：

1. 沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，要使第二相有足够的数量，必须提高基体的过饱和度；

2. 第二相弥散度越大，强化效果越好，共格第二相比非共格第二相的强化效能大；

3. 第二相质点对位错运动的阻力越大，强化效果也越大。

二、金属材料的韧化

（一）韧化原理

1. 细化晶粒；

2. 脆性相：减少或细化脆性相，使之呈球形存在；

3. 韧性相的加入：如少量的残余奥氏体可提高不锈钢的韧性；

4. 基体：调整基体的组织结构。

（二）韧化工艺

1. 熔炼铸造：成分控制、夹杂物和气体含量控制等；

2. 压力加工：晶粒控制、组织控制；

3. 热处理：组织控制（淬火、回火和时效、形变热处理等）。

三、应用实例

现举一例说明金属材料钢的强韧化机理在实际生产中的应用。低活化的铁素体/马氏体钢是作为未来核聚变反应容器首层容器壁的一种很有前景的材料。但随着温度升高，其力学性能会降低而使其性能不如奥氏体钢优越。为改善铁素体/马氏体钢的高温力学性能，研究者让细小氧化物颗粒弥散分布在钢基体从而进行强化，以此方式强化的钢种称为ODS（Oxide Dispersion Strengthening）钢，氧化物为Y2O3。R. Schaeublin[1]等人对两种ODS钢进行力学性能测试和微观组织观察，并于未经强化的参照钢做了比较。实验用ODS钢是在EUROFER 97（欧洲钢号）铁素体/马氏体钢的基础上改良而得，其名义化学成分为约8.9% Cr、1.1% W、0.47% Mn、0.2% V、0.14% Ta和0.11% C。强化粒子主要为氧化钇（Y2O3）颗粒。实验材料由奥地利攀时（PLANSEE）公司采用高温等静压（Hot Isostatic Pressing，HIP）工艺制备。两种ODS钢的Y2O3含量分别为0.3%和0.5%。对参照钢EUROFER 97和实验钢在不同温度下进行力学性能测试，所得实验结果如下：

表1 含0.3% 氧化钇和0.5%氧化钇EUROFER 97与未经强化EUROFER 97

临界抗拉强度、极限抗拉强度、均匀伸长率和最大伸长率数据

a来自文献[2]

从以上数据可以看出，相对于EUROFER 97钢来说，在500 o C时含0.3%氧化钇的ODS钢在0.2%塑性变形所测得的临界应力值有了大于100 MPa的提高，极限抗拉强度（UTS）更是提高了200 MPa。而在所有温度范围内，ODS 0.3%钢种的均匀伸长率都高于参照钢。而含0.5%氧化钇的实验钢性能提升不明显，在此不做讨论。