金属材料强化的途径

刘书麟

摘 要：论述了常用金属材料强化的途径，并对各种强化的原理进行了分析。

关键词：强化原理；金属材料；塑性变形；组织结构

中图分类号：TG113 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.072

金属材料进行合金化、塑性变形和热处理等的目的是提高金属材料的强度。强度的种类有很多，比如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、疲劳强度、持久强度等。每一种强度都有其特殊的物理属性，因此，金属的强化不是笼统的概念，而是具体地反映在某个强度指标上。一种方法对提高某一强度指标可能是有效的，而用于提高另一种强度指标未必有效。影响强度的因素有很多，主要有材料的成分、组织结构和表面状态等，因此，金属的强化机制和方法与这些因素有着必然的联系，在生产中应根据实际情况采取具体的强化方法。

1 固溶强化

合金元素固溶到基体金属中形成固溶体，进而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化的原理为：向基体中溶入溶质合金化元素，溶质原子的溶入会导致固溶体的晶格发生畸变，进而增大位错运动的阻力，塑性变形的抗力随之增大，最终提高合金的强度和硬度。

2 细晶强化

细晶强化主要是指通过人工干预，比如人工形核和电磁振动等方法细化晶粒，从而提高材料的强度、塑性和韧性。细晶强化的原理为：多晶体金属晶界处晶格畸变严重，当位错运动到晶界附近时，易受到晶界的阻碍，使塑性变形抗力增大。晶粒越细化，晶界数量越多，变形抗力越大，金属的强度越高。

3 沉淀强化和弥散强化

沉淀强化是指金属材料中的过饱和固溶体因温度的下降或长时间处于保温过程而分解，析出一些细小的沉淀物分散于基体之中，进而阻碍位错运动而产生强化作用的现象；弥散强化是指在金属材料中人为地加入或产生一些坚硬的细质点并弥散于基体中，进而阻碍位错运动而产生强化作用的现象。从利用基体相之外第二相弥散质点引起强化这一机理看，沉淀强化与弥散强化并没有较大的区别，因此，其可统称为第二相强化。

在时效前期，沉淀相与基体之间往往保持共格或半格关系，在每个细小沉淀物附近存在一个范围较大的应力场，与位错发生交互作用，进而产生十分明星的强化作用。而在基体中散布的第二相质点会对位错产生阻碍作用，进而增大变形抗力，使材料的强度得以提高。

4 形变强化

形变强化是指通过压力加工，使材料发生塑性变形，从而提高其强度和硬度，又称为加工硬化。形变强化的原理为：在塑变过程中产生大量的新位错，造成晶格严重畸变，位错密度增大，位错间的交互作用增强，位错运动阻力增大，增强塑性变形抗力增强，加之亚晶界数量的增多，最终提高材料强度。

5 相变强化

相变强化是指通过一定的工艺使金属材料中的相或组织发生转变，进而产生强化效应的现象。金属材料中的相主要分为固溶体和金属化合物两种类型，重要的机械零件在生产过程中都要进行热处理，这是因为其在热处理过程中会发生很多变化：①固溶体时的固溶强化效应；②不同金属化合物沉淀时的沉淀强化效应；②细小相或组织的细晶强化效应；③不同位错密度相或组织的位错强化效应。因此，相变不仅能产生强化效应，还能综合多种强化效应。钢的淬火热处理就是相变强化的典型应用。淬火形成的马氏体是一种过饱和的固溶体，可产生强烈的固溶强化效应。马氏体中的位错密度较高，会产生位错强化效应，比如低碳马氏体的位错密度与经过大量冷加工变形的位错密度相似，因此，其屈服强度较高。此外，形成的马氏体束取向不同，且较为细小，因此，起着细晶强化的作用，比如高碳马氏体具有明显的细晶强化效应。将淬火马氏体再回火，可析出大量细小弥散分布的碳化物，产生第二相强化。因此，淬火与回火是钢最经济、最有效的综合强化方法，被广泛应用于各种重要机械零件和工具的强化中。

6 结束语

本文论述了金属材料多种强化途径。在实际中，金属材料可根据不同的条件和要求采用不同的强化方法，也可采用综合多种强化方法的方式。比如，不可进行热处理强化的低碳钢、不锈钢和有色金属可采用固溶强化和形变强化，无法形变强化的铸铁可采用细晶强化和相变强化，性能要求较高的钢和有色金属合金一般采用热处理相变强化。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕