金屬材料強(qiáng)化的途徑

劉書麟

摘 要：論述了常用金屬材料強(qiáng)化的途徑，并對各種強(qiáng)化的原理進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)化原理；金屬材料；塑性變形；組織結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TG113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.072

金屬材料進(jìn)行合金化、塑性變形和熱處理等的目的是提高金屬材料的強(qiáng)度。強(qiáng)度的種類有很多，比如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度等。每一種強(qiáng)度都有其特殊的物理屬性，因此，金屬的強(qiáng)化不是籠統(tǒng)的概念，而是具體地反映在某個強(qiáng)度指標(biāo)上。一種方法對提高某一強(qiáng)度指標(biāo)可能是有效的，而用于提高另一種強(qiáng)度指標(biāo)未必有效。影響強(qiáng)度的因素有很多，主要有材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)等，因此，金屬的強(qiáng)化機(jī)制和方法與這些因素有著必然的聯(lián)系，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取具體的強(qiáng)化方法。

1 固溶強(qiáng)化

合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體，進(jìn)而使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的原理為：向基體中溶入溶質(zhì)合金化元素，溶質(zhì)原子的溶入會導(dǎo)致固溶體的晶格發(fā)生畸變，進(jìn)而增大位錯運(yùn)動的阻力，塑性變形的抗力隨之增大，最終提高合金的強(qiáng)度和硬度。

2 細(xì)晶強(qiáng)化

細(xì)晶強(qiáng)化主要是指通過人工干預(yù)，比如人工形核和電磁振動等方法細(xì)化晶粒，從而提高材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。細(xì)晶強(qiáng)化的原理為：多晶體金屬晶界處晶格畸變嚴(yán)重，當(dāng)位錯運(yùn)動到晶界附近時，易受到晶界的阻礙，使塑性變形抗力增大。晶粒越細(xì)化，晶界數(shù)量越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度越高。

3 沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化

沉淀強(qiáng)化是指金屬材料中的過飽和固溶體因溫度的下降或長時間處于保溫過程而分解，析出一些細(xì)小的沉淀物分散于基體之中，進(jìn)而阻礙位錯運(yùn)動而產(chǎn)生強(qiáng)化作用的現(xiàn)象；彌散強(qiáng)化是指在金屬材料中人為地加入或產(chǎn)生一些堅(jiān)硬的細(xì)質(zhì)點(diǎn)并彌散于基體中，進(jìn)而阻礙位錯運(yùn)動而產(chǎn)生強(qiáng)化作用的現(xiàn)象。從利用基體相之外第二相彌散質(zhì)點(diǎn)引起強(qiáng)化這一機(jī)理看，沉淀強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化并沒有較大的區(qū)別，因此，其可統(tǒng)稱為第二相強(qiáng)化。

在時效前期，沉淀相與基體之間往往保持共格或半格關(guān)系，在每個細(xì)小沉淀物附近存在一個范圍較大的應(yīng)力場，與位錯發(fā)生交互作用，進(jìn)而產(chǎn)生十分明星的強(qiáng)化作用。而在基體中散布的第二相質(zhì)點(diǎn)會對位錯產(chǎn)生阻礙作用，進(jìn)而增大變形抗力，使材料的強(qiáng)度得以提高。

4 形變強(qiáng)化

形變強(qiáng)化是指通過壓力加工，使材料發(fā)生塑性變形，從而提高其強(qiáng)度和硬度，又稱為加工硬化。形變強(qiáng)化的原理為：在塑變過程中產(chǎn)生大量的新位錯，造成晶格嚴(yán)重畸變，位錯密度增大，位錯間的交互作用增強(qiáng)，位錯運(yùn)動阻力增大，增強(qiáng)塑性變形抗力增強(qiáng)，加之亞晶界數(shù)量的增多，最終提高材料強(qiáng)度。

5 相變強(qiáng)化

相變強(qiáng)化是指通過一定的工藝使金屬材料中的相或組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)的現(xiàn)象。金屬材料中的相主要分為固溶體和金屬化合物兩種類型，重要的機(jī)械零件在生產(chǎn)過程中都要進(jìn)行熱處理，這是因?yàn)槠湓跓崽幚磉^程中會發(fā)生很多變化：①固溶體時的固溶強(qiáng)化效應(yīng)；②不同金屬化合物沉淀時的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)；②細(xì)小相或組織的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)；③不同位錯密度相或組織的位錯強(qiáng)化效應(yīng)。因此，相變不僅能產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)，還能綜合多種強(qiáng)化效應(yīng)。鋼的淬火熱處理就是相變強(qiáng)化的典型應(yīng)用。淬火形成的馬氏體是一種過飽和的固溶體，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。馬氏體中的位錯密度較高，會產(chǎn)生位錯強(qiáng)化效應(yīng)，比如低碳馬氏體的位錯密度與經(jīng)過大量冷加工變形的位錯密度相似，因此，其屈服強(qiáng)度較高。此外，形成的馬氏體束取向不同，且較為細(xì)小，因此，起著細(xì)晶強(qiáng)化的作用，比如高碳馬氏體具有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。將淬火馬氏體再回火，可析出大量細(xì)小彌散分布的碳化物，產(chǎn)生第二相強(qiáng)化。因此，淬火與回火是鋼最經(jīng)濟(jì)、最有效的綜合強(qiáng)化方法，被廣泛應(yīng)用于各種重要機(jī)械零件和工具的強(qiáng)化中。

6 結(jié)束語

本文論述了金屬材料多種強(qiáng)化途徑。在實(shí)際中，金屬材料可根據(jù)不同的條件和要求采用不同的強(qiáng)化方法，也可采用綜合多種強(qiáng)化方法的方式。比如，不可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的低碳鋼、不銹鋼和有色金屬可采用固溶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化，無法形變強(qiáng)化的鑄鐵可采用細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化，性能要求較高的鋼和有色金屬合金一般采用熱處理相變強(qiáng)化。

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〔編輯：張思楠〕