金屬材料塑性變形與合金及熱處理強化機制的調控關系

尚志超 趙冬梅

河北工業職業技術大學宣鋼分院 河北張家口 075100

引言

金屬材料相比較其他材料，綜合性能優良。如高強度、良好的塑性和韌性等，使得它們在各個領域中都有廣泛的應用。例如，鋼鐵、鋁和銅等金屬在建筑、汽車、航空航天、電子、能源和許多其他行業中都發揮著關鍵的作用。對于現代科技金屬材料也是不可或缺的，許多高科技產品如智能手機、高速列車、先進飛機等都離不開金屬材料的應用。本論文研究目的與意義：首先，塑性變形是金屬材料加工過程中的重要環節，它能夠改變金屬材料的晶體結構和組織，從而影響其性能。適當的塑性變形可以使得金屬材料中的晶粒尺寸變小或更均勻，使材料的強韌性提高。其次，強化機制也是提高金屬材料性能的重要手段。通過不同的強化機制，如固溶強化、彌散強化和相變強化等，可以阻礙位錯運動、也可以通過將晶粒打碎來提高材料強度韌性，從而滿足各種不同應用場景的需求。但塑性變形屬于形變強化，與合金及熱處理強化既有相輔相成又有一定的調控關系，了解其中的原理對研究金屬材料強化方面有很大幫助。

1 塑性變形對金屬材料性能的影響

如果金屬材料發生塑性變形，材料組織結構一定會發生改變，如形成纖維組織，相應的也會有形變織構產生，材料這時會因為組織方向性產生各向異性。隨著塑性變形的增加，金屬的晶粒會沿最大變形的方向伸長，晶格發生畸變，內應力由此產生，晶粒間甚至可能產生碎晶。材料性能會因此受到影響。

1.1 力學性能

一定的塑性變形會改變材料的強硬度，而塑性和韌性下降。這是由于在變形過程中位錯密度增加，位錯之間的運動相互加，形成位錯障礙，隨著變形的增加，位錯之間相互阻礙，從而引起形變抗力增加。當隨著變形的增加，內部應力也進一步增加，如果材料應力得不到及時的消除，后續還可能出現變形開裂等情況。

1.2 物理-化學性能

隨著塑性變形的增加，由于內部組織出現一定的方向性，所以金屬的導電性、電阻溫度系數和導熱性都有可能會發生變化，導磁率、磁飽和度也可能下降。由于內部應力的增加，耐蝕性也可能下降。每種材料的性能變化不盡相同，這些變化取決于具體的金屬材料和變形條件。

2 強化機制對金屬材料性能的影響

合金及熱處理強化機制也是提高金屬材料強度和硬度的重要手段。常見的強化機制包括固溶強化、彌散強化和相變強化等。這些機制通過阻礙位錯運動、將晶粒細化來改善金屬材料的強硬度。

2.1 形變強化

使金屬材料發生塑性變形，可以增加位錯密度，形成更多的位錯塞積群，使位錯相互阻礙，使金屬的強度指標提高。

2.2 固溶強化

通過在金屬材料中加入合金元素，形成固溶體，可以阻礙位錯運動。合金元素在固溶體中的存在會對位錯造成額外的應力場，固溶體由于溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發生畸變，這種畸變使滑移面上運動的位錯更加困難，合金元素在固溶體中的存在會對位錯造成額外的應力場，增加位錯運動的阻力，從而提高金屬的強度和硬度。

2.3 彌散強化

通過在金屬材料中加入硬質顆粒或增強相，這種顆粒不溶于基體金屬，屬于超細第二相。如碳化物、氮化物等，可以阻礙位錯運動。實際生產中通常用粉末冶金方法制造這些硬質顆粒，這樣可以使第二相更加均勻的溶入。如果使化合物在固溶體晶粒內呈彌散質點或粒狀分布，可顯著提高合金強硬度，但是塑韌性下降并不是很大，如果控制顆粒細小，使彌散均勻的分布，則強化效果越好。

2.4 相變強化

利用熱處理的加熱與冷卻原理，使金屬材料的內部組織發生變化。如鋼中的奧氏體-鐵素體相變。相變過程中會形成新的晶體結構，由于各種組織的強硬指標不同，則在宏觀上體現出了材料的強硬指標變化。

3 金屬材料的塑性變形機制介紹

3.1 晶體結構與滑移系統

晶體結構是指金屬原子在空間中的排列方式，不同的晶體結構具有不同的滑移系統。滑移系統是指晶體中可以發生滑移的面和方向。當施加外力時，金屬原子在這些面和方向上會發生相對滑動，從而使得金屬發生塑性變形。滑移系統是由滑移面和滑移方向構成的。滑移面是指晶體中可以發生滑移的平面，而滑移方向則是指在這些平面上可以發生滑移的方向。

不同晶體結構的金屬具有不同的滑移系統，因為它們具有不同的原子排列方式和晶體對稱性。晶體具有不同的滑移系統。如圖1、圖2 所示在面心立方晶體中，主要的滑移面是{111}，而主要的滑移方向是<110>；而在體心立方晶體中，主要的滑移面是{110}，而主要的滑移方向是<111>。

圖1 體心立方金屬

圖2 面心立方金屬

圖3 交位錯

圖4 合金鋼中合金元素彌散強化

圖5 馬氏體

此外，同一晶體結構的金屬也具有不同的滑移系統，因為它們的晶體取向不同。晶體取向是指晶體的空間定向，即晶體的一個晶軸相對于參考坐標系的方向。對于單晶體，只有一個晶體取向，但對于多晶體，由于其由無數個單晶體組成，因此具有多個晶體取向。不同的晶體取向會導致金屬具有不同的滑移系統。

3.2 孿晶變形機制

孿晶是指晶體中存在的雙層或多層原子排列完全相同、相互平行的晶體。在孿晶界上，原子排列存在一定的錯位，這使得孿晶界成為金屬材料中的弱界面。當金屬材料受到外力作用時，孿晶界上的原子會發生相對滑動，從而導致孿晶界發生移動。這種孿晶界的移動會使得金屬發生塑性變形。孿晶變形機制可以通過以下幾種方式實現：

3.2.1 貫穿位錯的滑移

當使變形方向平行于孿晶方向，位錯貫穿的形式在寬孿晶區和基體內進行形核和長大，在形核和長大的過程中，滑移到孿晶界的位錯進行分解，形成兩個位錯，而形成的新位錯又由于發生集術轉變成新的貫穿位錯。重復這個過程，最終形成塑性變形，應力也由此產生。

3.2.2 沿孿晶界的位錯滑移

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如果受拉伸方向與孿晶有一定角度，塑性變形機制轉變為沿孿晶界的位錯滑移。這種變形機制與拉伸方向和孿晶界的角度有關，隨著角度的變化，變形機制可能從貫穿位錯的滑移轉變為沿孿晶界的位錯滑移。

3.2.3 剪切機制：在剪切力的作用下，孿晶界上的原子發生相對滑動，導致孿晶界發生移動。這種剪切機制可以通過微觀的觀察和實驗研究進行驗證。

3.3 塑性變形過程中的微觀組織變化

3.3.1 位錯密度變化

隨著變形的增加，位錯密度也會增加。在單晶體中，隨著變形量增加，位錯增多，位錯密度增加。而在多晶體中，隨著變形量增加和單晶體變形一樣，位錯的密度也要增加。這種變化可以用測量電阻變化、儲能變化的方法來檢測。

3.3.2 晶粒形變：當金屬受到外力作用時，其晶粒的形狀會發生變化。晶粒的形變通常表現為晶格畸變，這種畸變會降低金屬的對稱性，從而影響其物理和機械性能。

3.4 對塑性變形的影響因素

3.4.1 溫度與應變速率

溫度和應變速率是影響金屬材料塑性變形的重要因素。溫度較高時，材料的院子能量較高，原子之間有較高的擴散速度，位錯之間的阻力會明顯減小，促進晶體的滑移，從而增加金屬的塑性。同時，應變速率也會影響塑性變形行為。在高速變形時，金屬材料的應變速率增加，會影響到材料的回復和再結晶，材料的組織及相關的力學性能也會伴隨著變形速度有所變化。

3.4.2 合金元素與雜質的影響

合金元素和雜質對金屬材料的塑性變形行為影響也比較顯著。合金元素通過影響材料的晶格結構、位錯運動和擴散過程等方式來影響塑性變形行為。合金元素可以改變金屬的層錯能，從而影響位錯的產生和運動，或者通過影響原子間的相互作用力來改變滑移的難易程度。雜質元素在金屬材料中通常以非金屬夾雜物或第二相的形式存在，它們對塑性變形行為的影響也比較復雜。一些雜質或第二相在與基體金屬的界面處可以阻礙位錯的運動，從而提高金屬的強度和硬度。然而，如果雜質或第二相的數量過多或分布不均勻，也會導致應力集中和裂紋的產生，降低材料的塑性和韌性。

4 合金及熱處理強化機制

4.1 固溶強化

溶質原子與溶劑原子的相互作用對金屬材料的力學性能有重要影響。這種相互作用主要表現在溶質原子與位錯間的相互作用和溶質原子與溶劑晶格間的相互作用。

溶質原子與位錯間的相互作用主要來源于溶質原子與基體原子間由于體積不同而引起的彈性畸變。這種彈性畸變會產生應力場，這種應力場與位錯周圍存在的應力相互影響，致使溶質原子發生移動，通常移向位錯線附近，使得位錯的能量降低，根據熵增定律，位錯變得穩定。位錯進而變得穩定，如同被束縛一樣，如要擺脫這種束縛，則需要較大外力，在宏觀表現即為材料的抗力增加。

4.2 彌散強化

彌散強化利用材料的多相特性，進而來達到強化的目的，主要原理是將不同性質的相元素通常是合金元素，通過一定的方法使它們分散在材料的基體中。利用熱處理、合金化等手段改變相的大小、相的形狀和相的數量，在合金元素溶入的過程中材料的相的性能也有所改變，根據需要實現最佳的相組合。如果合金元素的濃度較大直至超過其溶解度時，第二相便形成了，進而出現新的相界面，這些相界面是不連續的，位錯在運動時會受到其阻礙，從而使材料的抗力增加，進而達到強化效果。

彌散強化與固溶體強化有一些共通性。不同的是固溶體強化是金屬中通過溶解一系列元素，提高晶格畸變量，完成強化。而彌散強化是金屬基體中形成強度高的強化顆粒，通過顆粒阻礙位錯運動。

4.3 相變強化

相變強化是一種通過改變材料的相態來提高其力學性能的方法。在金屬材料中，相變強化主要通過控制材料的冷卻速率來實現。當金屬以較快的速率冷卻時，其材料內部的分子改變原有的排列規則，導致材料的相態發生變化，從而產生強化效果。

常見的熱處理方式都屬于基本的強化方式，淬火可以使鋼材由普通的珠光體轉變成馬氏體，而馬氏體的硬度和強度都很高，所以材料的硬度和強度都有所提高。材料中馬氏體上貝氏體通常作為強度比較高的強化相。

5 合金及熱處理強化與塑性變形關系

塑性變形可以影響合金及熱處理的效果，在金屬材料加工中，塑性變形通常是熱處理之前的預處理步驟。適度的塑性變形可以細化基體組織，提高材料的力學性能。而過度或不足的塑性變形則可能導致材料內部組織結構不均勻或晶粒尺寸過大等問題，從而影響熱處理的效果。

合金元素和熱處理條件可以影響金屬材料的塑性變形行為。通過合金元素特有的一些強度較高的特點，可以提高材料的抗拉強度和屈服點，使其具有更好的塑性變形能力。同時，熱處理條件如加熱溫度、冷卻速度等也會影響金屬材料的塑性變形行為，如常見的傳統熱處理方式的“四把火”，雖然淬火能使得材料的硬度升高，但也可能導致材料脆化，影響塑性變形。

某些合金元素可以在熱處理過程中與其它元素發生反應，形成具有特定結構和性質的合金相，這些合金相可以對材料的塑性變形行為產生重要影響。與此同時，在材料發生塑性形變時，材料內部的變形阻力也會增加，如位錯的影響、晶界的滑動和遷移等現象也會對材料的熱處理效果產生影響。

金屬材料的塑性形變過程看似簡單，但內部過程涉及到晶體內部結構的變化和位錯的運動。這些晶體結構和位錯的運動狀態受到強化機制的影響。塑性變形過程中，金屬材料的晶體結構和排列方式發生變化，這也對其內部的強化機制產生影響。在塑性變形過程中，晶粒的大小、形變結構的形成等因素會發生變化，從而影響金屬的強度和塑性。同時，塑性變形過程中的溫度、應變速率等條件也會對金屬的強化機制和塑性變形行為產生影響。

6 結論

在金屬材料加工中，需要綜合考慮合金及熱處理強化與塑性變形強化的調控關系。通過合理的合金設計和熱處理工藝，不但能提高材料壽命，也能改變材料的加工性等性能。同時，也需要根據實際需求和加工條件選擇合適的塑性變形工藝，以達到最佳的加工效果。