金屬材料的強化方法和位錯的關系

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1、陶瓷材料和聚合物材料雖然比較脆,但也有滑移面的存在。金屬材料的變形主要是通過滑移實現的,位錯對于理解金屬材料的一些力學行為特別有用。而位錯理論可以解釋材料的各種性能和行為,特別是變形、損傷和斷裂機制,相應的學科為塑性力學、損傷力學和斷裂力學。另外,位錯對晶體的擴散和相變等過程也有較大影響。首先,滑移解釋了金屬的實際強度與根據金屬鍵理論預測的理論強度低得多的原因。此外,金屬材料拉伸斷裂時,一般沿450截面方向斷裂而不會沿垂直截面的方向斷裂,原因在于材料在變形過程中發(fā)生了滑移。其次,滑移賦予了金屬材料的延性。如果材料中沒

2、有位錯,鐵棒就是脆性的,也就不可能采用各種加工工藝,如鍛造等將金屬加工成有用的形狀。第三,通過干預位錯的運動,進行合金的固溶強化,控制金屬或合金的力學性能。把障礙物引入晶體就可以阻止位錯的運動,造成固溶強化。如板條狀馬氏體鋼(F12鋼)等。第四,晶體成型加工過程中出現硬化,這是因為晶體在塑性變形過程中位錯密度不斷增加,使彈性應力場不斷增大,位錯間的交互作用不斷增強,因而位錯運動變得越來越困難。第五,含裂紋材料的疲勞開裂和斷裂、材料的損傷機理以及金屬材料的各種強化機制都是以位錯理論為基礎。??金屬的強化strength

3、eningofmetals?通過合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬材料的強度,稱為金屬的強化。所謂強度是指材料對塑性變形和斷裂的抗力,用給定條件下材料所能承受的應力來表示。隨試驗條件不同,強度有不同的表示方法,如室溫準靜態(tài)拉伸試驗所測定的屈服強度、流變強度、抗拉強度、斷裂強度等(見金屬力學性能的表征);壓縮試驗中的抗壓強度;彎曲試驗中的抗彎強度;疲勞試驗中的疲勞強度(見疲勞);高溫條件靜態(tài)拉伸所測的持久強度(見蠕變)。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(tǒng)的概念,而是具體反映到某個強度指標上。一種

4、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(tài);其次是受力狀態(tài),如加力快慢、加載方式,是簡單拉伸還是反復受力,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)。?在本文中,強化一般是指金屬材料的室溫流變強度,即光滑試樣在大氣中、按給定的變形速率、室溫下拉伸時所能承受應力的提高。應強調指出:提高強度并不是改善金屬材料性能惟一的

5、目標,即使對金屬結構材料來說,除了不斷提高強度以外,也還必須注意材料的綜合性能,即根據使用條件,要有足夠的塑性和韌性以及對環(huán)境與介質的適應性。?強化的理論基礎從根本上講,金屬強度來源于原子間結合力。如果一個理想晶體,在切應力作用下沿一定晶面和晶向發(fā)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,純鐵單晶的室溫切變強度約為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

6、/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(fā)展揭示了晶體實際切變強度(和屈服強度)低于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。而對于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

7、必要性(見形變和斷裂)??梢哉J為實測的純金屬單晶體在退火狀態(tài)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后所能期望達到的強度的上限。?強化途徑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,并制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??上М斁ы毜闹睆捷^大時(如大于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,

8、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。對工程材料來說,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

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