金属材料塑性变形与合金及热处理强化机制的调控关系

2024-04-25尚志超赵冬梅

五金科技 2024年2期

尚志超赵冬梅

河北工业职业技术大学宣钢分院河北张家口 075100

引言

金属材料相比较其他材料，综合性能优良。如高强度、良好的塑性和韧性等，使得它们在各个领域中都有广泛的应用。例如，钢铁、铝和铜等金属在建筑、汽车、航空航天、电子、能源和许多其他行业中都发挥着关键的作用。对于现代科技金属材料也是不可或缺的，许多高科技产品如智能手机、高速列车、先进飞机等都离不开金属材料的应用。本论文研究目的与意义：首先，塑性变形是金属材料加工过程中的重要环节，它能够改变金属材料的晶体结构和组织，从而影响其性能。适当的塑性变形可以使得金属材料中的晶粒尺寸变小或更均匀，使材料的强韧性提高。其次，强化机制也是提高金属材料性能的重要手段。通过不同的强化机制，如固溶强化、弥散强化和相变强化等，可以阻碍位错运动、也可以通过将晶粒打碎来提高材料强度韧性，从而满足各种不同应用场景的需求。但塑性变形属于形变强化，与合金及热处理强化既有相辅相成又有一定的调控关系，了解其中的原理对研究金属材料强化方面有很大帮助。

1 塑性变形对金属材料性能的影响

如果金属材料发生塑性变形，材料组织结构一定会发生改变，如形成纤维组织，相应的也会有形变织构产生，材料这时会因为组织方向性产生各向异性。随着塑性变形的增加，金属的晶粒会沿最大变形的方向伸长，晶格发生畸变，内应力由此产生，晶粒间甚至可能产生碎晶。材料性能会因此受到影响。

1.1 力学性能

一定的塑性变形会改变材料的强硬度，而塑性和韧性下降。这是由于在变形过程中位错密度增加，位错之间的运动相互加，形成位错障碍，随着变形的增加，位错之间相互阻碍，从而引起形变抗力增加。当随着变形的增加，内部应力也进一步增加，如果材料应力得不到及时的消除，后续还可能出现变形开裂等情况。

1.2 物理-化学性能

随着塑性变形的增加，由于内部组织出现一定的方向性，所以金属的导电性、电阻温度系数和导热性都有可能会发生变化，导磁率、磁饱和度也可能下降。由于内部应力的增加，耐蚀性也可能下降。每种材料的性能变化不尽相同，这些变化取决于具体的金属材料和变形条件。

2 强化机制对金属材料性能的影响

合金及热处理强化机制也是提高金属材料强度和硬度的重要手段。常见的强化机制包括固溶强化、弥散强化和相变强化等。这些机制通过阻碍位错运动、将晶粒细化来改善金属材料的强硬度。

2.1 形变强化

使金属材料发生塑性变形，可以增加位错密度，形成更多的位错塞积群，使位错相互阻碍，使金属的强度指标提高。

2.2 固溶强化

通过在金属材料中加入合金元素，形成固溶体，可以阻碍位错运动。合金元素在固溶体中的存在会对位错造成额外的应力场，固溶体由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，这种畸变使滑移面上运动的位错更加困难，合金元素在固溶体中的存在会对位错造成额外的应力场，增加位错运动的阻力，从而提高金属的强度和硬度。

2.3 弥散强化

通过在金属材料中加入硬质颗粒或增强相，这种颗粒不溶于基体金属，属于超细第二相。如碳化物、氮化物等，可以阻碍位错运动。实际生产中通常用粉末冶金方法制造这些硬质颗粒，这样可以使第二相更加均匀的溶入。如果使化合物在固溶体晶粒内呈弥散质点或粒状分布，可显著提高合金强硬度，但是塑韧性下降并不是很大，如果控制颗粒细小，使弥散均匀的分布，则强化效果越好。

2.4 相变强化

利用热处理的加热与冷却原理，使金属材料的内部组织发生变化。如钢中的奥氏体-铁素体相变。相变过程中会形成新的晶体结构，由于各种组织的强硬指标不同，则在宏观上体现出了材料的强硬指标变化。

3 金属材料的塑性变形机制介绍

3.1 晶体结构与滑移系统

晶体结构是指金属原子在空间中的排列方式，不同的晶体结构具有不同的滑移系统。滑移系统是指晶体中可以发生滑移的面和方向。当施加外力时，金属原子在这些面和方向上会发生相对滑动，从而使得金属发生塑性变形。滑移系统是由滑移面和滑移方向构成的。滑移面是指晶体中可以发生滑移的平面，而滑移方向则是指在这些平面上可以发生滑移的方向。

不同晶体结构的金属具有不同的滑移系统，因为它们具有不同的原子排列方式和晶体对称性。晶体具有不同的滑移系统。如图1、图2 所示在面心立方晶体中，主要的滑移面是{111}，而主要的滑移方向是<110>；而在体心立方晶体中，主要的滑移面是{110}，而主要的滑移方向是<111>。

图1 体心立方金属

图2 面心立方金属

图3 交位错

图4 合金钢中合金元素弥散强化

图5 马氏体

此外，同一晶体结构的金属也具有不同的滑移系统，因为它们的晶体取向不同。晶体取向是指晶体的空间定向，即晶体的一个晶轴相对于参考坐标系的方向。对于单晶体，只有一个晶体取向，但对于多晶体，由于其由无数个单晶体组成，因此具有多个晶体取向。不同的晶体取向会导致金属具有不同的滑移系统。

3.2 孪晶变形机制

孪晶是指晶体中存在的双层或多层原子排列完全相同、相互平行的晶体。在孪晶界上，原子排列存在一定的错位，这使得孪晶界成为金属材料中的弱界面。当金属材料受到外力作用时，孪晶界上的原子会发生相对滑动，从而导致孪晶界发生移动。这种孪晶界的移动会使得金属发生塑性变形。孪晶变形机制可以通过以下几种方式实现：

3.2.1 贯穿位错的滑移

当使变形方向平行于孪晶方向，位错贯穿的形式在宽孪晶区和基体内进行形核和长大，在形核和长大的过程中，滑移到孪晶界的位错进行分解，形成两个位错，而形成的新位错又由于发生集术转变成新的贯穿位错。重复这个过程，最终形成塑性变形，应力也由此产生。

3.2.2 沿孪晶界的位错滑移

如果受拉伸方向与孪晶有一定角度，塑性变形机制转变为沿孪晶界的位错滑移。这种变形机制与拉伸方向和孪晶界的角度有关，随着角度的变化，变形机制可能从贯穿位错的滑移转变为沿孪晶界的位错滑移。

3.2.3 剪切机制：在剪切力的作用下，孪晶界上的原子发生相对滑动，导致孪晶界发生移动。这种剪切机制可以通过微观的观察和实验研究进行验证。

3.3 塑性变形过程中的微观组织变化

3.3.1 位错密度变化

随着变形的增加，位错密度也会增加。在单晶体中，随着变形量增加，位错增多，位错密度增加。而在多晶体中，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度也要增加。这种变化可以用测量电阻变化、储能变化的方法来检测。

3.3.2 晶粒形变：当金属受到外力作用时，其晶粒的形状会发生变化。晶粒的形变通常表现为晶格畸变，这种畸变会降低金属的对称性，从而影响其物理和机械性能。

3.4 对塑性变形的影响因素

3.4.1 温度与应变速率

温度和应变速率是影响金属材料塑性变形的重要因素。温度较高时，材料的院子能量较高，原子之间有较高的扩散速度，位错之间的阻力会明显减小，促进晶体的滑移，从而增加金属的塑性。同时，应变速率也会影响塑性变形行为。在高速变形时，金属材料的应变速率增加，会影响到材料的回复和再结晶，材料的组织及相关的力学性能也会伴随着变形速度有所变化。

3.4.2 合金元素与杂质的影响

合金元素和杂质对金属材料的塑性变形行为影响也比较显著。合金元素通过影响材料的晶格结构、位错运动和扩散过程等方式来影响塑性变形行为。合金元素可以改变金属的层错能，从而影响位错的产生和运动，或者通过影响原子间的相互作用力来改变滑移的难易程度。杂质元素在金属材料中通常以非金属夹杂物或第二相的形式存在，它们对塑性变形行为的影响也比较复杂。一些杂质或第二相在与基体金属的界面处可以阻碍位错的运动，从而提高金属的强度和硬度。然而，如果杂质或第二相的数量过多或分布不均匀，也会导致应力集中和裂纹的产生，降低材料的塑性和韧性。

4 合金及热处理强化机制

4.1 固溶强化

溶质原子与溶剂原子的相互作用对金属材料的力学性能有重要影响。这种相互作用主要表现在溶质原子与位错间的相互作用和溶质原子与溶剂晶格间的相互作用。

溶质原子与位错间的相互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同而引起的弹性畸变。这种弹性畸变会产生应力场，这种应力场与位错周围存在的应力相互影响，致使溶质原子发生移动，通常移向位错线附近，使得位错的能量降低，根据熵增定律，位错变得稳定。位错进而变得稳定，如同被束缚一样，如要摆脱这种束缚，则需要较大外力，在宏观表现即为材料的抗力增加。

4.2 弥散强化

弥散强化利用材料的多相特性，进而来达到强化的目的，主要原理是将不同性质的相元素通常是合金元素，通过一定的方法使它们分散在材料的基体中。利用热处理、合金化等手段改变相的大小、相的形状和相的数量，在合金元素溶入的过程中材料的相的性能也有所改变，根据需要实现最佳的相组合。如果合金元素的浓度较大直至超过其溶解度时，第二相便形成了，进而出现新的相界面，这些相界面是不连续的，位错在运动时会受到其阻碍，从而使材料的抗力增加，进而达到强化效果。

弥散强化与固溶体强化有一些共通性。不同的是固溶体强化是金属中通过溶解一系列元素，提高晶格畸变量，完成强化。而弥散强化是金属基体中形成强度高的强化颗粒，通过颗粒阻碍位错运动。

4.3 相变强化

相变强化是一种通过改变材料的相态来提高其力学性能的方法。在金属材料中，相变强化主要通过控制材料的冷却速率来实现。当金属以较快的速率冷却时，其材料内部的分子改变原有的排列规则，导致材料的相态发生变化，从而产生强化效果。

常见的热处理方式都属于基本的强化方式，淬火可以使钢材由普通的珠光体转变成马氏体，而马氏体的硬度和强度都很高，所以材料的硬度和强度都有所提高。材料中马氏体上贝氏体通常作为强度比较高的强化相。

5 合金及热处理强化与塑性变形关系

塑性变形可以影响合金及热处理的效果，在金属材料加工中，塑性变形通常是热处理之前的预处理步骤。适度的塑性变形可以细化基体组织，提高材料的力学性能。而过度或不足的塑性变形则可能导致材料内部组织结构不均匀或晶粒尺寸过大等问题，从而影响热处理的效果。

合金元素和热处理条件可以影响金属材料的塑性变形行为。通过合金元素特有的一些强度较高的特点，可以提高材料的抗拉强度和屈服点，使其具有更好的塑性变形能力。同时，热处理条件如加热温度、冷却速度等也会影响金属材料的塑性变形行为，如常见的传统热处理方式的“四把火”，虽然淬火能使得材料的硬度升高，但也可能导致材料脆化，影响塑性变形。

某些合金元素可以在热处理过程中与其它元素发生反应，形成具有特定结构和性质的合金相，这些合金相可以对材料的塑性变形行为产生重要影响。与此同时，在材料发生塑性形变时，材料内部的变形阻力也会增加，如位错的影响、晶界的滑动和迁移等现象也会对材料的热处理效果产生影响。

金属材料的塑性形变过程看似简单，但内部过程涉及到晶体内部结构的变化和位错的运动。这些晶体结构和位错的运动状态受到强化机制的影响。塑性变形过程中，金属材料的晶体结构和排列方式发生变化，这也对其内部的强化机制产生影响。在塑性变形过程中，晶粒的大小、形变结构的形成等因素会发生变化，从而影响金属的强度和塑性。同时，塑性变形过程中的温度、应变速率等条件也会对金属的强化机制和塑性变形行为产生影响。