不同的强化方式对金属材料的强化作用

郭宇光

一、金属材料的分类

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

二、强化方式的分类

（一）结晶强化

结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：

1、细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。

2、提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。

（二）形变强化

金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。变形过程中，位错密度升高，导致形变细胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，这是产生形强变化的主要原因。

（三）固溶强化

溶质原子融入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，韧性、塑性所有所下降，这一现象称为固溶强化。例如单项的黄铜、单项的锡青铜和铝青铜都是固溶强化为主要提高合金强度和硬度的。

固溶强化的实质是由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与错位应力场发生弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用，并阻碍错位运动。

（四）相变强化

合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化.相变强化可以分为两类：

1、沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。

在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如Ti、V4C3，Nb等，二是六方晶系，如M02、W2C、WC等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。

2、马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。

（五）晶界强化

晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。

（六）综合强化

在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如：

1、固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。

2、结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。

3、马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。

4、固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。

（七）热处理

退火：产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一定的冷却速度冷却到室温。通过原子扩散、迁移，使之组织更加均匀、稳定，内应力消除，可大大提高材料的塑性，但強度会降低。

1、铸锭均匀化退火：在高温下长期保温，然后以一定速度（高、中、低、慢）冷却，使铸锭化学成分、组织与性能均匀化，可提高材料塑性20%左右，降低挤压力20%左右，提高挤压速度15%左右，同时使材料表面处理质量提高。

2、中间退火：又称局部退火或工序间退火，是为了提高材料的塑性，消除材料内部加工应力，在较低的温度下保温较短的时间，以利于续继加工或获得某种性能的组合。

3、完全退火：又称成品退火，是在较高温度下，保温一定时间，以获得完全再结晶状态下的软化组织，具有最好的塑性和较低的强度。

从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：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；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、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、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。