金屬材料的強(qiáng)化方法和位錯(cuò)的關(guān)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(guò)滑移實(shí)現(xiàn)的,位錯(cuò)對(duì)于理解金屬材料的一些力學(xué)行為特別有用。而位錯(cuò)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(jī)制,相應(yīng)的學(xué)科為塑性力學(xué)、損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)。另外,位錯(cuò)對(duì)晶體的擴(kuò)散和相變等過(guò)程也有較大影響。首先,滑移解釋了金屬的實(shí)際強(qiáng)度與根據(jù)金屬鍵理論預(yù)測(cè)的理論強(qiáng)度低得多的原因。此外,金屬材料拉伸斷裂時(shí),一般沿450截面方向斷裂而不會(huì)沿垂直截面的方向斷裂,原因在于材料在變形過(guò)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(méi)

2、有位錯(cuò),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(guò)干預(yù)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),進(jìn)行合金的固溶強(qiáng)化,控制金屬或合金的力學(xué)性能。把障礙物引入晶體就可以阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),造成固溶強(qiáng)化。如板條狀馬氏體鋼(F12鋼)等。第四,晶體成型加工過(guò)程中出現(xiàn)硬化,這是因?yàn)榫w在塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)密度不斷增加,使彈性應(yīng)力場(chǎng)不斷增大,位錯(cuò)間的交互作用不斷增強(qiáng),因而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得越來(lái)越困難。第五,含裂紋材料的疲勞開(kāi)裂和斷裂、材料的損傷機(jī)理以及金屬材料的各種強(qiáng)化機(jī)制都是以位錯(cuò)理論為基礎(chǔ)。??金屬的強(qiáng)化strength

3、eningofmetals?通過(guò)合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬材料的強(qiáng)度,稱為金屬的強(qiáng)化。所謂強(qiáng)度是指材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力,用給定條件下材料所能承受的應(yīng)力來(lái)表示。隨試驗(yàn)條件不同,強(qiáng)度有不同的表示方法,如室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)所測(cè)定的屈服強(qiáng)度、流變強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等(見(jiàn)金屬力學(xué)性能的表征);壓縮試驗(yàn)中的抗壓強(qiáng)度;彎曲試驗(yàn)中的抗彎強(qiáng)度;疲勞試驗(yàn)中的疲勞強(qiáng)度(見(jiàn)疲勞);高溫條件靜態(tài)拉伸所測(cè)的持久強(qiáng)度(見(jiàn)蠕變)。每一種強(qiáng)度都有其特殊的物理本質(zhì),所以金屬的強(qiáng)化不是籠統(tǒng)的概念,而是具體反映到某個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)上。一種

4、手段對(duì)提高某一強(qiáng)度指標(biāo)可能是有效的,而對(duì)另一強(qiáng)度指標(biāo)未必有效。影響強(qiáng)度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、組織結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單拉伸還是反復(fù)受力,都會(huì)表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度;此外,試樣幾何形狀和尺寸及試驗(yàn)介質(zhì)也都有很大的影響,有時(shí)甚至是決定性的,如超高強(qiáng)度鋼在氫氣氛中的拉伸強(qiáng)度可能成倍地下降(見(jiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆)。?在本文中,強(qiáng)化一般是指金屬材料的室溫流變強(qiáng)度,即光滑試樣在大氣中、按給定的變形速率、室溫下拉伸時(shí)所能承受應(yīng)力的提高。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出:提高強(qiáng)度并不是改善金屬材料性能惟一的

5、目標(biāo),即使對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō),除了不斷提高強(qiáng)度以外,也還必須注意材料的綜合性能,即根據(jù)使用條件,要有足夠的塑性和韌性以及對(duì)環(huán)境與介質(zhì)的適應(yīng)性。?強(qiáng)化的理論基礎(chǔ)從根本上講,金屬?gòu)?qiáng)度來(lái)源于原子間結(jié)合力。如果一個(gè)理想晶體,在切應(yīng)力作用下沿一定晶面和晶向發(fā)生滑移形變,根據(jù)計(jì)算,此時(shí)金屬的理論切變強(qiáng)度一般是其切變模量的1/10~1/30。而金屬的實(shí)際強(qiáng)度只是這個(gè)理論強(qiáng)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(qiáng)度約為5kgf/mm2,而按鐵的切變模量(5900kgf/mm2)來(lái)估算,其理論切變強(qiáng)度應(yīng)達(dá)650kgf

6、/mm2。造成這樣大差異的原因曾是人們長(zhǎng)期關(guān)注的課題。直到1934年,奧羅萬(wàn)(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分別提出晶體位錯(cuò)的概念;位錯(cuò)理論的發(fā)展揭示了晶體實(shí)際切變強(qiáng)度(和屈服強(qiáng)度)低于理論切變強(qiáng)度的本質(zhì)。在有位錯(cuò)存在的情況下,切變滑移是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所涉及的是位錯(cuò)線附近的幾列原子。而對(duì)于無(wú)位錯(cuò)的近完整晶體,切變時(shí)滑移面上的所有原子將同時(shí)滑移,這時(shí)需克服的滑移面上下原子之間的鍵合力無(wú)疑要大得多。金屬的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間的巨大差別,為金屬的強(qiáng)化提供了可能性和

7、必要性(見(jiàn)形變和斷裂)??梢哉J(rèn)為實(shí)測(cè)的純金屬單晶體在退火狀態(tài)下的臨界分切應(yīng)力表示了金屬的基礎(chǔ)強(qiáng)度,是材料強(qiáng)度的下限值;而估算的金屬的理論強(qiáng)度是經(jīng)過(guò)強(qiáng)化之后所能期望達(dá)到的強(qiáng)度的上限。?強(qiáng)化途徑金屬材料的強(qiáng)化途徑不外兩個(gè),一是提高合金的原子間結(jié)合力,提高其理論強(qiáng)度,并制得無(wú)缺陷的完整晶體,如晶須。已知鐵的晶須的強(qiáng)度接近理論值,可以認(rèn)為這是因?yàn)榫ы氈袥](méi)有位錯(cuò),或者只包含少量在形變過(guò)程中不能增殖的位錯(cuò)。可惜當(dāng)晶須的直徑較大時(shí)(如大于5μm),強(qiáng)度會(huì)急劇下降。有人解釋為大直徑晶須在生長(zhǎng)過(guò)程中引入了可動(dòng)位錯(cuò),一旦有可動(dòng)位錯(cuò)存在,

8、強(qiáng)度就急劇下降了。從自前來(lái)看,只有少數(shù)幾種晶須作為結(jié)構(gòu)材料得到了應(yīng)用。另一強(qiáng)化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷,如位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、異類原子、晶界、高度彌散的質(zhì)點(diǎn)或不均勻性(如偏聚)等,這些缺陷阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),也會(huì)明顯地提高金屬?gòu)?qiáng)度。事實(shí)證明,這是提高金屬?gòu)?qiáng)度最有效的途徑。對(duì)工程材料來(lái)說(shuō),一般是通過(guò)綜合的強(qiáng)化效應(yīng)以達(dá)到較好的綜合性能。具體方法有固溶強(qiáng)化

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