金屬強化

每一種強度都有其特殊的物理本質，所以金屬的強化不是籠統的概念，而是具體反映到某個強度指標上。一種手段對提高某一強度指標可能是有效的，而對另一強度指標未必有效。影響強度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、組織結構和表面狀態；其次是受力狀態，如加力快慢、加載方式，是簡單拉伸還是反覆受力，都會表現出不同的強度；此外，試樣幾何形狀和尺寸及試驗介質也都有很大的影響，有時甚至是決定性的，如超高強度鋼在氫氣氛中的拉伸強度可能成倍地下降（見應力腐蝕斷裂和氫脆）。

時效強化aging strengthening：是指在固溶了合金元素以後，在常温或加温的條件下，使在高温固溶的合金元素以某種形式析出（金屬間化合物之類），形成彌散分佈的硬質質點，對位錯切過造成阻力，使強度增加，韌性降低。

固溶強化solution strengthening：就是合金元素在基體金屬晶格中存在使晶格產生畸變，位錯運動阻力加大。通常也是強度增加，韌性降低。

細晶強化(也叫晶界強化)grain refining strengthening：可以通過形變-再結晶獲得較細的晶粒，使強度和韌性同時提高。

形變強化 working hardening：隨着塑性變形量的增加，金屬流變強度也增加，這種現象稱為形變強化或加工硬化。

彌散強化 dispersion strengthening：材料通過基體中分佈有細小彌散的第二相細粒而產生強化的方法，稱為彌散強化。

纖維強化 fiber strengthening：用高強度的纖維同適當的基體材料相結合，來強化基體材料的方法稱為纖維強化。

輻照強化 radiation hardening：由於金屬在強射線條件下產生空位或填隙原子，這時缺陷阻礙位錯運動，從而產生強化效應。

從根本上講，金屬強度來源於原子間結合力。如果一個理想晶體，在切應力作用下沿一定晶面和晶向發生滑移形變，根據計算，此時金屬的理論切變強度一般是其切變模量的1/10～1/30。而金屬的實際強度只是這個理論強度的幾十分之一，甚至幾千分之一。例如,純鐵單晶的室温切變強度約為5kgf/mm2,而按鐵的切變模量(5900kgf/mm2)來估算,其理論切變強度應達650kgf/mm2。造成這樣大差異的原因曾是人們長期關注的課題。直到1934年，奧羅萬(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒 (G.I.Taylor)分別提出晶體位錯的概念；位錯理論的發展揭示了晶體實際切變強度（和屈服強度）低於理論切變強度的本質。在有位錯存在的情況下，切變滑移是通過位錯的運動來實現的，所涉及的是位錯線附近的幾列原子。而對於無位錯的近完整晶體，切變時滑移面上的所有原子將同時滑移，這時需克服的滑移面上下原子之間的鍵合力無疑要大得多。金屬的理論強度與實際強度之間的巨大差別，為金屬的強化提供了可能性和必要性（見形變和斷裂）。可以認為實測的純金屬單晶體在退火狀態下的臨界分切應力表示了金屬的基礎強度，是材料強度的下限值；而估算的金屬的理論強度是經過強化之後所能期望達到的強度的上限。

金屬材料的強化途徑不外兩個，一是提高合金的原子間結合力，提高其理論強度，並製得無缺陷的完整晶體，如晶須。已知鐵的晶須的強度接近理論值，可以認為這是因為晶須中沒有位錯，或者只包含少量在形變過程中不能增殖的位錯。可惜當晶須的直徑較大時(如大於5μm)，強度會急劇下降。有人解釋為大直徑晶須在生長過程中引入了可動位錯，一旦有可動位錯存在，強度就急劇下降了。從自前來看，只有少數幾種晶須作為結構材料得到了應用。另一強化途徑是向晶體內引入大量晶體缺陷，如位錯、點缺陷、異類原子、晶界、高度彌散的質點或不均勻性（如偏聚）等，這些缺陷阻礙位錯運動，也會明顯地提高金屬強度。事實證明，這是提高金屬強度最有效的途徑。對工程材料來説，一般是通過綜合的強化效應以達到較好的綜合性能。具體方法有固溶強化、形變強化、沉澱強化和彌散強化、細化晶粒強化、擇優取向強化、復相強化、纖維強化和相變強化等,這些方法往往是共存的。材料經過輻照後,也會產生強化效應，但一般不把它作為強化手段。

結晶強化就是通過控制結晶條件，在凝固結晶以後獲得良好的宏觀組織和顯微組織，從而提高金屬材料的性能。它包括：

（1） 細化晶粒。細化晶粒可以使金屬組織中包含較多的晶界，由於晶界具有阻礙滑移變形作用，因而可使金屬材料得到強化。同時也改善了韌性，這是其它強化機制不可能做到的。

（2） 提純強化。在澆注過程中，把液態金屬充分地提純，儘量減少夾雜物，能顯著提高固態 金屬的性能。夾雜物對金屬材料的性能有很大的影響。在損壞的構件中，常可發現有大量的夾雜物。採用真空冶煉等方法，可以獲得高純度的金屬材料。

金屬材料經冷加工塑性變形可以提高其強度。這是由於材料在塑性變形後

位錯運動的阻力增加所致。

通過合金化(加入合金元素)組成固溶體，使金屬材料得到強化稱為固溶強化。

合金化的金屬材料，通過熱處理等手段發生固態相變，獲得需要的組織結構，使金屬材料得到強化，稱為相變強化．

相變強化可以分為兩類：

（1）沉澱強化(或稱彌散強化)。在金屬材料中能形成穩定化合物的合金元素，在一定條件下，使之生成的第二相化合物從固溶體中沉澱析出，彌散地分佈在組織中，從而有效地提高材料的強度，通常析出的合金化合物是碳化物相。

在低合金鋼(低合金結構鋼和低合金熱強鋼)中，沉澱相主要是各種碳化物，大致可分為三類。一是立方晶系，如TiC、V4C3，NbC等，二是六方晶系，如M02、W2C、WC等，三是正菱形，如Fe3C。對低合金熱強鋼高温強化最有效的是體心立方晶系的碳化物。

（2）馬氏體強化。金屬材料經過淬火和隨後回火的熱處理工藝後，可獲得馬氏體組織，使材料強化。但是，馬氏體強化只能適用於在不太高的温度下工作的元件，工作於高温條件下的元件不能採用這種強化方法。

晶界部位的自由能較高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温時，晶界阻

礙了位錯的運動，因而晶界強度高於晶粒本身；但在高温時，沿晶界的擴散速度比晶內擴散速度大得多，晶界強度顯著降低。因此強化晶界對提高鋼的熱強性是很有效的。

硼對晶界的強化作用，是由於硼偏集於晶界上，使晶界區域的晶格缺位和空穴減少，晶界自由能降低；硼還減緩了合金元素沿晶界的擴散過程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界狀態，加入微量硼、鋯或硼+鋯能延遲晶界上的裂紋形成過程；此外，它們還有利於碳化物相的穩定。

在實際生產上，強化金屬材料大都是同時採用幾種強化方法的綜合強化，

以充分發揮強化能力。例如：

（1）固溶強化十形變強化，常用於固溶體系合金的強化。

（2）結晶強化+沉澱強化，用於鑄件強化。

（3）馬氏體強化+表面形變強化。對一些承受疲勞載荷的構件，常在調質處理後再進行噴

丸或滾壓處理。

（4）固溶強化+沉澱強化。對於高温承壓元件常採用這種方法，以提高材料的高温性能。

有時還採用硼的強化晶界作用，進一步提高材料的高温強度。