金屬材料的強化方法

1、第五章 金屬材料的強化方法一、 金屬材料的基本強化途徑許多離子晶體和共價晶體受力后直到斷裂，其變形都屬于彈性變形。而金屬材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如圖5-1所示。flfl圖5-1 真應(yīng)力與真應(yīng)變關(guān)系 它在斷裂前通常有大量塑性變形。它是晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面晶向的相對滑動。但是，晶體的實際滑移過程并不是晶體的一部分相對于另一部分的剛性滑移。 如果是剛性的滑移，則滑移所需的切應(yīng)力極大，其數(shù)值遠高于實際測定值。如，使銅單晶剛性滑移的最小切應(yīng)力（計算值）為1540MPa, 而實際測定值僅為1MPa。各種金屬的這種理論強度與實際測定值均相差34個數(shù)量級。這樣的結(jié)果，迫使人們?nèi)ヌ角蠡频臋C理問題，

2、即金屬晶體滑移的機理是什么？20世紀20年代，泰勒等人提出的位錯理論解釋了這種差異。 位錯是實際晶體中存在的真實缺陷?，F(xiàn)已可以直接觀察到位錯。圖5-2 位錯結(jié)構(gòu)圖5-3 位錯參與的滑移過程 位錯在力的作用下向右的滑移，最終移出表面而消失。由于只需沿滑移面AA改變近鄰原子的位置即可實現(xiàn)滑移，因此，所需的力很小，上述過程很易進行。 由上述的分析可知，金屬晶體中的位錯數(shù)量愈少，則其強度愈高?，F(xiàn)已能制造出位錯數(shù)量極少的金屬晶體，其實測強度值接近理論強度值。這種晶體的直徑在1m數(shù)量級，稱之為晶須。 由位錯參與的塑性變形過程似乎可得到另一結(jié)論，即金屬中位錯愈多，滑移過程愈易于進行，其強度也愈低。事實并不是

3、這樣。如圖5-4所示。圖5-4 強度和位錯與其它畸變 可見，僅僅是在位錯密度增加的初期，金屬的實際強度下降；位錯密度繼續(xù)增大，則金屬晶體的強度又上升。這是因為位錯密度繼續(xù)增加時，位錯之間會產(chǎn)生相互作用：1）應(yīng)力場引起的阻力，如位錯塞積，當大量位錯從一個位錯源中產(chǎn)生并且在某個強障礙面前停止的時候就構(gòu)成了位錯的塞積；2）位錯交截所產(chǎn)生的阻力；3）形成割階引起的阻力（兩個不平行柏氏矢量的位錯在交截過程中在一位錯上產(chǎn)生短位錯）；4）割階運動引起的阻力。 金屬受力變形達到斷裂之前，其最大強度由兩部分構(gòu)成：一是未變形金屬的流變應(yīng)力l，即宏觀上為產(chǎn)生微量塑性變形所需要的應(yīng)力。流變應(yīng)力的大小決定于位錯的易動性

4、：晶體內(nèi)部滑移面上的位錯源越容易動作，運動位錯在掃過晶體滑移面時所受的阻力越小，則流變應(yīng)力越低；其二是因應(yīng)變硬化產(chǎn)生的附加強度，它由塑性變形過程中應(yīng)變硬化速率和塑性變形量來決定。所以，在斷裂前的最大強度大致可按下式計算： 工程結(jié)構(gòu)材料主要是在彈性范圍內(nèi)使用的，因此，在構(gòu)件的設(shè)計和使用中，流變應(yīng)力的重要性更為突出。 對流變應(yīng)力有貢獻的阻力主要是兩類：1） 抑制位錯源開動的應(yīng)力，稱之源硬化。2） 前面談到的阻力，這種阻力是位錯開始運動之后才起作用的，對位錯的運動起著妨礙的作用，稱為摩擦阻力。為了提高含有位錯的晶體的流變應(yīng)力所做的種種努力不外就是通過各種手段來增加這兩類阻力。金屬材料中這些阻力（除點

5、陣阻力-移動位錯使它從一個平衡位置滑移到下一個平衡位置之間的位壘所需的力，也就是在完整晶體中運動時所受的摩擦阻力）是隨組織的變化而大幅度變化的。一切合金化、加工和熱處理所引起的流變應(yīng)力的提高主要是依靠對組織敏感的阻力的變化來實現(xiàn)的。點陣阻力對組織不敏感，它的大小主要決定于鍵合強度和點陣類型，其中共價鍵的點陣阻力最高，所以在諸如硅，金剛石之類的晶體中，點陣阻力構(gòu)成了位錯運動的主要障礙；對于金屬鍵結(jié)合的晶體，它的點陣阻力很小，不足以構(gòu)成對位錯運動的主要妨礙，在考慮流變應(yīng)力時可以把這個因素忽略的。為了尋求強度更高的金屬材料，原則上可以沿著下列兩條道路進行探索：（1） 由于塑性變形是位錯在晶體中運動的

6、結(jié)果，而位錯的易動性又是金屬抗變形能力被大大削弱的原因，所以強化金屬基本的途徑應(yīng)該是設(shè)法提高位錯運動的阻力：其一設(shè)法改變合金的鍵合類型，從而提高金屬晶體內(nèi)的點陣阻力，使位錯的運動增加困難。這個方法還沒有為人們所采納，因為當晶體中的點陣阻力足以構(gòu)成位錯運動的主要阻力時，金屬鍵的成分被共價鍵大量取代了，這樣金屬所擁有的一些性能上的基本優(yōu)點（例如良好的塑性）往往就喪失了。其二設(shè)法在金屬中引入大量的晶體缺陷，大大增加位錯之間、位錯和其它晶體缺陷之間的交互作用，從而阻礙位錯的運動。后面要講的方法會具體提到。（2） 制造無缺陷的完整晶體，使金屬實際強度接近于理論強度。目前尚不能制得大尺寸無位錯金屬，只能制

7、造極細的金屬須或絲，而且晶須的性能極不穩(wěn)定，存在一定數(shù)量位錯時其強度急劇下降。在工業(yè)中所采用的方法通常是通過阻止金屬晶體中位錯的運動，以使金屬增強。二、 形變強化例如1， 高強度冷拉鋼絲，它是工業(yè)上強度最高的鋼鐵制品，抗拉強度可以達到4000MPa,這就是用強烈冷變形的方法取得的。例如 2， 圖5-5為冷變形對工業(yè)純銅性能的影響。隨變形量增大，銅的屈服強度與抗拉強度提高，而塑性下降。s應(yīng)力l應(yīng)變 應(yīng)變強化（形變強化）是對金屬常用的方法。對于不再經(jīng)受熱處理并且使用溫度遠低于再結(jié)晶溫度的金屬材料，經(jīng)常利用冷加工手段使金屬或合金通過應(yīng)變強化來提高強度。 在冷變形過程中，金屬內(nèi)位錯密度增加，位錯之間的

8、交互作用加劇，位錯運動阻力增大，從而導(dǎo)致金屬的強度、硬度增加。這種現(xiàn)象稱為形變強化或加工硬化。形變強化的本質(zhì)在于，形變造成位錯的大量增殖，位錯之間的交互作用導(dǎo)致其運動愈加困難，從而使金屬強度增加。 家庭作業(yè)：（1）冷變形金屬的組織特點？三、 固溶強化（1） 固溶強化的一般規(guī)律 異類原子加入純金屬基體中構(gòu)成固溶體（固溶體的概念）后，其靜強度行為可概括為：1） 在應(yīng)力應(yīng)變圖上，合金的流變應(yīng)力以及整個應(yīng)力應(yīng)變曲線都向上提升，合金的應(yīng)變強化能力一般比純金屬要高。2） 在一般的稀固溶體中，流變（屈服）應(yīng)力隨溶質(zhì)濃度的變化可以用下式表示： 式中：-合金的流變應(yīng)力； 0純金屬的流變應(yīng)力； c-溶質(zhì)的原子濃度

9、； k、m-常數(shù)，決定于基體和合金元素性質(zhì)。3） 在同一基體中，不同溶質(zhì)元素溶解度的大小鮮明地反映出它們強化效果的差異。在相同的濃度下，強度的增加是隨溶質(zhì)元素溶解度的倒數(shù)成正比。如果進一步分析，就會了解到溶質(zhì)和溶劑兩元素原子尺寸的不同，化學性質(zhì)的差異，電學性質(zhì)的區(qū)別等因素將直接地從本質(zhì)上影響固溶體的強度。為了解釋固溶造成強化的原因，最簡單的辦法是假定溶質(zhì)原子在固溶體中是理想均勻分布的，由于兩類原子在尺寸、化學性質(zhì)、電學性質(zhì)等方面的差異，在點陣中任何一個溶質(zhì)原子的周圍都存在彈性應(yīng)力場，位錯在通過這種具有內(nèi)應(yīng)力場的晶體點陣的時候自然需要克服更大的阻力，這就是固溶原子造成強化的最簡單的理由。 嚴格說

10、來，用溶質(zhì)原子均勻分布的模型來解釋固溶強化的規(guī)律是不合適的，在一些試驗現(xiàn)象（如屈服現(xiàn)象）無法解釋。問題在于固溶原子并不是均勻分布的，有兩種原因引起溶質(zhì)原子分布的不均勻性。1） 若B原子溶入以A原子為基的金屬中，這兩種原子自身鍵合的能力和相互鍵合的能力往往是不同的。會引起溶質(zhì)的偏聚態(tài)（如果溶質(zhì)原子的鍵合力大，它們常常在小范圍內(nèi)聚合到一起，一般是在某些晶面上偏聚成片狀，而偏聚區(qū)的周圍則成了溶質(zhì)原子貧化的區(qū)域）和有序態(tài)（如果異類原子結(jié)合的傾向大于同類原子，則兩類原子將在幾十個以至幾百個原子的范圍內(nèi)以一定的排列規(guī)律結(jié)合著）。因此，在較大的尺度下觀察時，固溶體的分布可以說是無序的，統(tǒng)計均勻的，但在足夠小

11、的體積下仍然是呈一定程度規(guī)則排列的。2） 另一個造成溶質(zhì)原子分布不均勻的原因是實際晶體中存在著大量點陣缺陷、晶界和亞晶界、層錯、位錯等。這些缺陷影響所及的區(qū)域都是高能區(qū)域，為了降低系統(tǒng)的能量，合金元素有可能優(yōu)先分布在點陣缺陷的附近，形成晶界的內(nèi)吸附和位錯周圍的原子氣團。因此點陣缺陷的存在更增加了溶質(zhì)原子分布的微觀不均勻性。 固溶體的形變比純金屬需要更大的外力，除了溶質(zhì)原子應(yīng)力場的影響外，上面所述的溶質(zhì)原子分布不均勻的狀態(tài)也是一個組織因素，有時比前者的作用還大。可以把這種影響分解為以下幾個方面：1） 彈性因素：它包括兩個內(nèi)容。第一個是因溶劑和溶質(zhì)原子的尺寸差異而在固溶體內(nèi)引起的彈性應(yīng)力場。它除了

12、增加位錯運動的摩擦阻力外，在“稀”的固溶體中突出地表現(xiàn)在對位錯的釘扎作用上（溶質(zhì)原子會在位錯周圍形成原子氣團，這種氣團將能產(chǎn)生與屈服現(xiàn)象有關(guān)的一系列效應(yīng)，就象我們在低碳鋼變形時常?？吹降哪菢樱５诙€是由于溶質(zhì)原子的溶入，合金的彈性模量會發(fā)生變化，特別是在位錯的周圍形成原子氣團之后，彈性常數(shù)的變化使位錯應(yīng)力場也發(fā)生變化，從而會引起位錯和溶質(zhì)原子間更大的交互作用能。2） 電子濃度因素：電子對應(yīng)力場同樣是敏感的。在有彈性應(yīng)力場的晶體缺陷區(qū)域電子會較多地集中到張應(yīng)力地段，這樣就產(chǎn)生了電偶極子的作用，溶質(zhì)原子與帶電荷的位錯區(qū)域之間就有電交互作用，從而促使溶質(zhì)更傾向于在位錯的周圍偏聚。3） 化學因素：層

13、錯能比較低的晶體點陣中存在有堆垛層錯，堆垛層錯的結(jié)構(gòu)與基體并不相同。異類原子溶入某基體后，除了層錯能大小會變化，層錯區(qū)的寬窄也跟著伸縮，從而使擴張位錯的分解或合成所需的外力也要變化外，溶質(zhì)原子在層錯區(qū)和基體的溶解度是不一樣的。晶體發(fā)生塑性變形時，當擴張位錯沿滑移面平移的時候，以及它分解、合成、交集的時候，上述濃度的差異并不能和擴張位錯的運動作同步的變化。由于塑性變形破壞了這種熱力學的平衡，所以位錯的運動同樣要求外界提供更大的能量。4） 結(jié)構(gòu)因素：無論是短程有序的還是偏聚狀態(tài)的固溶體，在塑性變形的同時，其有序區(qū)域或偏聚區(qū)域?qū)⒃獾狡茐摹Ｒ疬@種穩(wěn)定狀態(tài)破壞的塑性變形是要付出更多的能量作為代價的。5

14、） 大量異類原子的溶入可能改變基體的鍵合力，這點對于面心立方金屬也許沒有什么影響，因為它的 PN力本身就很小。但在其它類型的晶體點陣中，PN力的變化對流變應(yīng)力的影響也許是不可忽視的因素。家庭作業(yè)：何謂“屈服現(xiàn)象”？為什么低碳鋼在變形時會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？四、 分散強化（沉淀強化）（1） 沉淀強化的例子鋁-銅合金的時效在各種工業(yè)部門（特別是航空工業(yè)）中，高強度鋁合金已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。以鋁為基的材料取得高強度的基本途徑之一是依靠鋁的過飽和固溶體的時效硬化。Al-0.4wt%Cu合金是通過時效處理獲得彌散強化效果的典型例子。時效處理經(jīng)過三個步驟：第一步：固溶。首先將合金加熱到溶解度曲線以上的單相區(qū)，以

15、獲得均勻的固溶體。第二步：急冷。在固溶溫度，合金中只含相。將其急冷至室溫時，原子沒有足夠的時間擴散至其潛在的形核位置，因而相無法形成。急冷后，合金中依然只含相，此時，相中的含銅量大大超過其溶解度，是一種過飽和固溶體。這是一種非平衡結(jié)構(gòu)。第三步：時效。將過飽和的相加熱到低于溶解度曲線的某一溫度進行保溫，這一溫度即為時效溫度。在平衡相相形成之前，非平衡相GP區(qū)和會形成。它們與基體是共格的。共格析出相原子面與基體原子面是連續(xù)過渡的，基體晶格在很大區(qū)域中發(fā)生畸變。當位錯移動時，即使經(jīng)過共格析出相的附近區(qū)域，也會大大受阻。從而產(chǎn)生強化。最后產(chǎn)生平衡相，仍有強化效果。（2） 基本規(guī)律合金組織中如果含有一定

16、數(shù)量的分散的異相粒子，它的強度往往會有很大的提高，最普通的例子就是鋼中的碳化物對鋼性能的影響。隨著含碳量的提高，熱軋鋼材的抗拉強度由10號鋼的300MN/m2提高到共析鋼800MN/m2的數(shù)值。我們將這種由于第二相分散質(zhì)點造成的強化過程統(tǒng)稱為分散強化。為了要在某種金屬基體中摻入另一個分散相，可以應(yīng)用各種不同的工藝，概括起來通行的不外為兩種：一為通過熱處理手段，利用合金中的相變來產(chǎn)生第二相，例如鋼在共析分解反應(yīng)時析出碳化物相，合金時效時產(chǎn)生沉淀等；二為用粉末冶金的方法人為地加入分散的第二相。產(chǎn)生彌散強化的第二相一般是基體金屬的氧化物、氮化物、碳化物或金屬間化合物，都是穩(wěn)定的化合物。在彌散強化合金

17、中，彌散相和基體并沒有共格關(guān)系，兩相相互溶解的能力也很差，借助于彌散強化達到高強度的材料往往是熱穩(wěn)定的，在熱強材料的研究中這是一個很值得推薦的手段。但時效強化合金就不是這樣，對這類合金的最基本要求是合金系統(tǒng)必需具備隨著溫度的上升溶解度大幅度增加的相圖，而合金成分又必需處在這樣的溶解度變化曲線之內(nèi)。無論采用哪種辦法制備成的分散強化材料，在組織中的第二相總是以細小顆粒的形式分散分布在塑性基體之中。（3） 強化機理當晶體中的位錯在運動的前方遇到第二相質(zhì)點的阻礙的時候，它可以有不同的通過質(zhì)點的方式。1） 切斷：這種情況多數(shù)出現(xiàn)在質(zhì)點與基體仍然存在著共格聯(lián)系的情況下。首先，當一個大小為 b的位錯通過質(zhì)點

18、之后，在質(zhì)點的兩邊就各增加一個寬度為 b的面積，這就增加了表面能；其次，如果質(zhì)點是有序的話，則除了這部分表面能之外，在質(zhì)點內(nèi)部還會出現(xiàn)反相疇界，加添了一部分疇界能。第三，若質(zhì)點的彈性模量大于基體（往往如此），這種模量的差別會使位錯線進入質(zhì)點前后的線張力發(fā)生變化，因而需要附加的能量。第四，基體和質(zhì)點對位錯運動的點陣阻力不同，在大多數(shù)情況下，位錯在質(zhì)點中運動的點陣阻力比較大。第五，相界面的彈性應(yīng)力場也是位錯前進的阻力之一。以上原因是質(zhì)點造成強化的原因。2） 繞過：當質(zhì)點長大到其尺寸已經(jīng)使位錯難以借切斷的方式通過的時候，位錯就只能用繞過的方式前進了。當移動的位錯與第二相質(zhì)點相遇時，受到質(zhì)點的阻擋，使

19、位錯線繞著它發(fā)生彎曲。隨著外加應(yīng)力的增大，位錯線受阻部分的彎曲加劇，以致繞著粒子的位錯線在左右兩邊相遇，于是正負號位錯彼此抵消，形成包圍粒子的位錯環(huán)，位錯線的其余部分則越過粒子繼續(xù)移動，材料由此被加強。 圖5-6 位錯越過質(zhì)點的兩種機制五、晶界強化（細晶強化）(1)晶界強化的現(xiàn)象可通過一簡單的實驗來說明晶界的作用。圖5-7為僅由兩個晶粒構(gòu)成的試樣，在經(jīng)過拉伸變形后會出現(xiàn)明顯的“竹節(jié)”現(xiàn)象，即試樣在遠離夾頭和晶界中部出現(xiàn)明顯的頸縮，而在晶界附近則難以變形。這主要是由于晶界附近為兩晶粒晶格位向的過渡之處，原子排列紊亂，加之晶界處的雜質(zhì)原子較多，增大了晶格畸變，因而位錯在晶界附近的滑移阻力大，故難以

20、發(fā)生變形。發(fā)展新一代超級鋼：超細化。（2） 晶界的定義 晶界是指周期性排列的點陣的取向發(fā)生突然轉(zhuǎn)折的區(qū)域。根據(jù)點陣取向的突變程度不同和轉(zhuǎn)折區(qū)域構(gòu)造的差異，一般分為大角度晶界和小角度晶界。對于純金屬多晶體中大角晶界的厚度大約為幾個原子間距，但含有異類原子的合金的晶界厚度則大得多。（3） 晶界強化的原因由于晶界兩邊的晶粒取向不同，滑移一般難以從一個晶粒直接傳播到取向有差異的另一個晶粒上，但多晶體變形必須滿足連續(xù)性條件（以保持各晶粒之間微觀的連續(xù)性），為了使鄰近的晶粒也發(fā)生滑移，就必須外加以更大的力，因此，晶界就是滑移的障礙。也說明晶界阻礙變形的能力并不是晶界自身擁有很高的強度；在金屬強化中，大角度晶界起的作用是主要的。（4）霍爾培奇(HallPetch)公式可見，晶界是位錯運動的障礙，因而晶粒愈細小，晶界的總面積愈大，位錯的運動愈困難，材料的強度也就愈高。HallPetch根據(jù)這一觀點總結(jié)出金屬屈服強度（流變強度、疲勞強度等）與晶粒大小的關(guān)系式： 式中ky是與材料有關(guān)、與晶粒大小無關(guān)的常數(shù)；d為晶粒直徑；i是位錯在單晶體中運動時的摩擦阻力，它與晶粒大小無關(guān)。上式也可運用位錯塞積模型從理論上推導(dǎo)出來。由上式可知，多晶體的強度高于單晶體；晶粒愈細，強度愈高。HallP