金属的强化机制

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。20世 纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。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。
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 只需沿滑移面改变近邻原子的位臵即可实现滑移，因此，所需 的力很小，上述过程很易进行。
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晶界是位错运动的障碍，多晶体晶粒越细小，相对来说 晶界所占的体积要越大，金属强度也相应提高。即金 属的强度是与晶粒大小有关的。 所以“细化晶粒”一直为材料界研究者所追求，比如日 本、韩国的“超级钢”计划，我国的新一代钢铁材料 研究等。东北大学王国栋院士获 2005 年国家科技进步 一等奖，其主要研究内容即为普碳钢生产高级别汽车 板用钢。
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多 晶 体 变 形 的 竹 节 现 象
3个晶粒构成的 试样，在经过 拉伸变形后会 出现明显的 “竹节”现象， 即试样在远离 夹头和晶粒中 部出现明显的 颈缩，而在晶 界附近则难以 变形。 晶粒变形的整体性
由于晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，原子排列紊 乱； 晶界处的杂质原子较多，增大了晶格畸变； 因而位错在晶界附近的滑移阻力大，故难以发生变形。
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。
理论强度
金 属 材 料 的 强 度 实际金属强度
晶须强度
强化金属 纯金属 位错和其它畸变的密度
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 （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；
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。 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； 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；
晶体中位错分布较均匀时 ,流变应力和位错密度间存在如下 Bailey－Hirsch关系式:
0--位错密度为零时的流变应力;
α-- 常数; μ—切变模量; 阵畸变的总积累，.
0 br
1 2
--单晶体开始滑移所需应力或多晶体开始塑性变形的应力;
b –柏氏矢量位错所引起点
5、流变应力
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。 材料在一定变形温度、 应变和应变速率下的 屈服极限称为其流变 应力。
流变应力的大小决定于位错的易动性：1）晶体内 部滑移面上的位错源越容易动作；2）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。 (2) 其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变 d 形过程中应变硬化速率 d 和塑性变形量 f l 来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式 计算：
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霍尔—培奇(Hall—Petch)公式 1） 晶界是位错运动的障碍，因而晶粒愈细小，晶 界的总面积愈大，位错的运动愈困难，材料的强度 也就愈高。 2）Hall—Petch根据这一观点总结出金属屈服强度 （流变强度、疲劳强度等）与晶粒大小的关系式：
s i kyd

1 2
ky是与材料有关、与晶粒大小无关的常数； d为晶粒直径； σi是位错在单晶体中运动时的摩擦阻力，它与晶粒大小无关。
晶粒尺寸不同的铝的拉伸曲线
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晶界强化是一种能够同时提高强度而不损失韧性的有 效的强化手段。晶界强化的本质在于晶界对位错运动 的阻碍作用，是属于源硬化一类的（抑制位错源开动 的应力，称之源硬化）。晶粒愈细，单位体积中晶粒 愈多，变形时，同样的变形量便可分散到更多的晶粒 中，产生较均匀的变形而不致造成局部应力集中，引 起裂纹的过早产生和发展。
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C1， C2为点阵常数。
c2 c1 c1 0.05形成共格晶面， 0.05 0.25半共格晶面，畸变能增 加。
在多晶体中由于有晶界存在，其变形是不均匀的，晶界 处不易产生塑性变形，而晶粒内部则容易变形。 不同的晶粒由于其取向不同，也不是同时发生塑性变形 的。滑移首先是在取向有利的晶粒内出现。 造成变形有很大的不均匀性
7.1 金属的强化机制
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。
晶界强化 形变强化 固溶强化 分散强化
实用钢的强化并不是由单一的强化机制决定，在大多数情况下， 由几种机制叠加获得。
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7.1.1位错
晶体屈服强度的估算
实验证明：塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿一定 晶面与晶向的相对滑动。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.根据虎克定律，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
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铜的单滑移
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双滑移 所谓双滑移就是指从某一变形程度开始，同时有两个 滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同 步的。
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多滑移 与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在 各个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。
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发生多系滑移时，在抛光的金属表面就不 是平行的滑移线，而是两组或多组交叉的 滑移线
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晶界对滑移的阻碍作用在以下两种情况下显得 比较突出： 一是当金属的摩擦阻力比较小，如在充分退火的 很纯的金属中，由于在金属组织中的位错密度 较小，杂质原子的钉扎作用也不大，就比较容 易看到晶粒细化对强度的改善； 二是当晶粒尺寸足够小。
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6.1.2 形变强化
.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1 540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。
材料 银 铝 铜 镍 铁 钼 铌 镉 镁（柱面滑移） 钛（柱面滑移） 铍（基面滑移） 铍（柱面滑移）
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常见位错有· ：刃型位错 /螺型位错/混合位错
若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不规则排 列为一个刃型位错
螺型位错：一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑 移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周 ，原子面上升一个晶面间距。
螺型位错
混合型位错（螺 型+刃型 ）
max l
f
l
d ( )d d
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； 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。 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。
v：波松比 a：滑移平面间的距离 b：沿滑移方向原子间 的距离
2G 2a / b(1v ) e 1 v
剪切力
滑移
滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对 另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。
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平移滑移和复杂滑移
单滑移（平移 滑移） 是沿着一定的 结晶面和结 晶方间进行 。它仅可能 在最初始的 塑性变形阶 段发生。
金属的变形主要是通过原有位错的运动和许多附加位 错的产生而进行。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（位错在一定形式的运动中 ,自身不断 产生新的位错或大幅度增加位错线长度 ,），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。晶界，它是另一种类型的障碍物，使位错产生塞 积。
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4、金属中位错数量与强度的关系
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。
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。
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位错的观测
利用透射电子显微镜可直接观察到材料微结构中的位错 。 TEM 观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以 穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间 距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、 晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律。而在位错 存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦 将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围 区域形成衬度（黑白对比度）反差，这就是用 TEM 观 察位错的基本原理，
理论强度（G/30)/Gpa 实验强度/MPa 2.64 2.37 4.10 6.70 7.10 11.33 3.48 2.07 1.47 3.54 10.32 10.32 0.37 0.78 0.49 3.2~7.35 27.5 71.6 33.3 0.57 39.2 13.7 1.37 5.2
理论强度/实验强度 7×103 3×103 8×103 2×103 3×102 2×102 1×102 4×103 4×10 3×102 8×103 2×102
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晶粒1由于外加切应力的作用，其位错源开动，发出大 量位错。当这些位错滑移到晶界附近时塞积，引起应力集 中。
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多晶体的强度一般要比单晶体为高
晶界的存在，使得滑移难以从一个晶粒直 接传播到有取向差异的另一个晶粒上，为了 使邻近的晶粒也发生滑移，就必须要加大外 力。多晶体晶粒的变形必须要满足连续性的 条件。当一个晶粒的形状发生变化时必须要 有邻近晶粒的协同动作。
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位错密度增高,流变应力提高. 位错的增殖是塑性变形造成的,因此流变应力的增大 率与塑性应变的增大率有关.
6.2.1 晶界强化
多晶体晶界的特征
多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成 分和力学性能的分布不均匀； 多晶体各相邻晶粒的取向一般不同； 在多晶体金属内存在有大量的晶界 在晶界上原子排列的正常结构遭到破坏，存在有大量 的晶格缺陷，晶界上的原子平均能量高于晶内原子 ，高出的能量称为晶界能。 在晶界及其附近的区域通常偏聚着比平均浓度高得多 的异类原子，在某些情况下晶界上还含有第二相或 夹杂物。
常见的缺陷
点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。
异质原子
间隙原子
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线缺陷（位错）
L：位错线长度，V：体积，r：位错密度。
L r V
一般退火晶体： r =106-108/cm2 超薄单晶体： r ≦103/cm2 冷变形金属： r =1011-1012/cm2