05第五章金屬材料的强化方法.doc

第五章 金属材料的强化方法 金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构 图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A—A改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。 由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm数量级，称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率和塑性变形量来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算： 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类： 抑制位错源开动的应力，称之源硬化。 前面谈到的阻力，这种阻力是位错开始运动之后才起作用的，对位错的运动起着妨碍的作用，称为摩擦阻力。 为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。 金属材料中这些阻力（除点阵阻力---移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运动时所受的摩擦阻力）是随组织的变化而大幅度变化的。一切合金化、加工和热处理所引起的流变应力的提高主要是依靠对组织敏感的阻力的变化来实现的。 点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高，所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构成了位错运动的主要障碍；对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力时可以把这个因素忽略的。 为了寻求强度更高的金属材料，原则上可以沿着下列两条道路进行探索： 由于塑性变形是位错在晶体中运动的结果，而位错的易动性又是金属抗变形能力被大大削弱的原因，所以强化金属基本的途径应该是设法提高位错运动的阻力：其一设法改变合金的键合类型，从而提高金属晶体内的点阵阻力，使位错的运动增加困难。这个方法还没有为人们所采纳，因为当晶体中的点阵阻力足以构成位错运动的主要阻力时，金属键的成分被共价键大量取代了，这样金属所拥有的一些性能上的基本优点（例如良好的塑性）往往就丧失了。其二设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互作用，从而阻碍位错的运动。后面要讲的方法会具体提到。 制造无缺陷的完整晶体，使金属实际强度接近于理论强度。目前尚不能制得大尺寸无位错金属，只能制造极细的金属须或丝，而且晶须的性能极不稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降。 在工业中所采用的方法通常是通过阻止金属晶体中位错的运动，以使金属增强。 形变强化 例如1， 高强度冷拉钢丝，它是工业上强度最高的钢铁