金属材料的强化机理

材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理

综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。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、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。

关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变

In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc.

Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition

一、金属的强化

通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。影响强度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、组织结构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降。

二、金属的强化机理

金属的强度主要是指抵抗塑性变形的能力。大多数情况下，我们以抗拉强度作为评定材料性能好坏的指标[1]。而塑性变形产生的主要机制是位错在滑移面上的移动。所以,根据目前工业生产中已经采用的金属材料的强化手段以及国内外材料发展的新动向,可以得出这样的认识:塑性材料的强化[2]可归结为两种途径:如图1所示。

一是尽量消除位错等晶体缺陷,获得近乎理想的单晶材料。例如,可采用特殊方法制造出几乎不含位错的结构完整的小晶体一晶须。直径1.6μm件的铁晶须强度就高达13400MN/㎡,而实际工业纯铁的强度仅为300MN/㎡,提高了40多倍。这个强度值很接近铁的理想晶体的理论估算强度。目前这种晶体仅能制成直径几微米的晶须,如果更粗就会因含有缺陷而使强度迅速下降。故当今用以提高金属强度的主要方法是沿着提高位错密度p的方向努力。

提高金属强度的另一个途径,是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。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[3] 。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。具体方法有晶界强化，固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、位错强化相变强化等。

三、金属的强化措施

3 .1晶界强化

晶界分大角度晶界(位向差大于10°)和小角度晶界(又称亚晶界位向差最大1°一2°),晶界两边相邻晶粒和亚晶块的原子排列位向不同,处于一种畸变状态[4] 。晶界处位错密度较大,对金属滑移、位错运动起阻碍作用。即对塑性变形抗力较之晶粒内部大,使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界,裂纹穿越也困难。据资料报道,在室温下,当金属晶粒受外力而断裂时,其裂纹几乎都发生在晶粒内部,可见室温下晶界强度较晶内强度高。上述现象说明晶界的主要作用是阻碍位错滑移,对金属塑性变形时的位错运动起阻碍作用。基于这个道理,当晶粒越细,晶界越多,其阻碍作用越大,此时金属材料的屈服强度也越高。

3.2位错强化

由现代塑性理论和电镜,X射线衍射等现代微观测试技术研究证明:(l)以刚性塑性滑移计算滑移开始所需临界切应力比实际测定的大几百至几千倍;(2)晶体中存在“位错”,在切应力作用下,“位错”会发生迁移,因为迁移距离小于一个原子间距,所以“位错”移动所需临界切应力小得多。金属晶体中的“位错”