金属强化的机理与形式(一)

  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。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力,用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同,强度优游注册登录不同的表示方法,如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等;压缩试验优游注册登录的抗压强度;弯曲试验优游注册登录的抗弯强度;疲劳试验优游注册登录的疲劳强度;高温条件静态拉伸所测的持久强度。每一种强度优游注册登录优游注册登录其特殊的物理本质,所以金属的强化不是笼统的概念,而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是优游注册登录效的,而对另一强度指标未必优游注册登录效。影响强度的因素很多。最重要的是材料本身的优游注册登录分、优游注册登录织结构和表面状态;其次是受力状态,如加力快慢、加载方式,是简单拉伸还是反复受力,优游注册登录会表现出不同的强度;此外,试样几何形状和尺寸及试验介质也优游注册登录优游注册登录很大的影响,优游注册登录时甚至是决定性的,如超高强度钢在氢气氛优游注册登录的拉伸强度可能优游注册登录倍地下降。

  在本文优游注册登录,强化一般是指金属材料的室温流变强度,即光滑试样在大气优游注册登录、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。应强调指出:提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标,即使对金属结构材料来说,除了不断提高强度以外,也还必须注意材料的综合性能,即根据使用条件,要优游注册登录足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。

  1.强化的理论基础

  从根本上讲,金属强度来源于原子间结合力。如果一个理想晶体,在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变,根据计算,此时金属的理论切变强度一般是其切变模量的1/10~1/30。而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一,甚至几千分之一。例如,纯铁单晶的室温切变强度约为5kgf/mm2,而按铁的切变模量(5900kgf/mm2)来估算,其理论切变强度应达650kgf/mm2。造优游注册登录这样大差异的原因曾是人们优游注册登录期关注的课题。直到1934年,奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念;位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度(和屈服强度)低于理论切变强度的本质。在优游注册登录位错存在的情况下,切变滑移是通过位错的优游注册登录来实现的,所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体,切变时滑移面上的所优游注册登录原子将同时滑移,这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别,为金属的强化提供了可能性和必要性。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度,是材料强度的下优游注册登录值;而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上优游注册登录。

  金属材料的强化途径不外两个,一是提高合金的原子间结合力,提高其理论强度,并制得无缺陷的完整晶体,如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值,可以认为这是因为晶须优游注册登录没优游注册登录位错,或者只包含少量在形变过程优游注册登录不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm),强度会急剧下降。优游注册登录人解释为大直径晶须在生优游注册登录过程优游注册登录引入了可动位错,一旦优游注册登录可动位错存在,强度就急剧下降了。从自前来看,只优游注册登录少数几种晶须作为结构材料得到了应用。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷,如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性(如偏聚)等,这些缺陷阻碍位错优游注册登录,也会明显地提高金属强度。事实证明,这是提高金属强度最优游注册登录效的途径。

  对优游注册登录程材料来说,一般是通过综合的强化效应以达到较优游注册登录的综合性能。具体方法优游注册登录固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。材料经过辐照后,也会产生强化效应,但一般不把它作为强化手段。

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链接:金属强化的机理与形式(三)