金屬材料強化的途徑

劉書麟

摘 要：論述了常用金屬材料強化的途徑，并對各種強化的原理進行了分析。

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

中圖分類號：TG113 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.072

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

1 固溶強化

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

2 細晶強化

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

3 沉淀強化和彌散強化

沉淀強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，析出一些細小的沉淀物分散于基體之中，進而阻礙位錯運動而產(chǎn)生強化作用的現(xiàn)象；彌散強化是指在金屬材料中人為地加入或產(chǎn)生一些堅硬的細質(zhì)點并彌散于基體中，進而阻礙位錯運動而產(chǎn)生強化作用的現(xiàn)象。從利用基體相之外第二相彌散質(zhì)點引起強化這一機理看，沉淀強化與彌散強化并沒有較大的區(qū)別，因此，其可統(tǒng)稱為第二相強化。

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，在每個細小沉淀物附近存在一個范圍較大的應力場，與位錯發(fā)生交互作用，進而產(chǎn)生十分明星的強化作用。而在基體中散布的第二相質(zhì)點會對位錯產(chǎn)生阻礙作用，進而增大變形抗力，使材料的強度得以提高。

4 形變強化

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

5 相變強化

相變強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，進而產(chǎn)生強化效應的現(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，重要的機械零件在生產(chǎn)過程中都要進行熱處理，這是因為其在熱處理過程中會發(fā)生很多變化：①固溶體時的固溶強化效應；②不同金屬化合物沉淀時的沉淀強化效應；②細小相或組織的細晶強化效應；③不同位錯密度相或組織的位錯強化效應。因此，相變不僅能產(chǎn)生強化效應，還能綜合多種強化效應。鋼的淬火熱處理就是相變強化的典型應用。淬火形成的馬氏體是一種過飽和的固溶體，可產(chǎn)生強烈的固溶強化效應。馬氏體中的位錯密度較高，會產(chǎn)生位錯強化效應，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，其屈服強度較高。此外，形成的馬氏體束取向不同，且較為細小，因此，起著細晶強化的作用，比如高碳馬氏體具有明顯的細晶強化效應。將淬火馬氏體再回火，可析出大量細小彌散分布的碳化物，產(chǎn)生第二相強化。因此，淬火與回火是鋼最經(jīng)濟、最有效的綜合強化方法，被廣泛應用于各種重要機械零件和工具的強化中。

6 結(jié)束語

本文論述了金屬材料多種強化途徑。在實際中，金屬材料可根據(jù)不同的條件和要求采用不同的強化方法，也可采用綜合多種強化方法的方式。比如，不可進行熱處理強化的低碳鋼、不銹鋼和有色金屬可采用固溶強化和形變強化，無法形變強化的鑄鐵可采用細晶強化和相變強化，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化。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕