金屬材料的強(qiáng)韌化機(jī)制與應(yīng)用

1、金屬材料的強(qiáng)韌化機(jī)制與應(yīng)用對結(jié)構(gòu)材料來說， 最重要的性能指標(biāo)是強(qiáng)度和韌性。 強(qiáng)度是指材料抵抗變形和斷裂的能力，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等，各種強(qiáng)度間常有一定的聯(lián)系， 使用中一般較多以抗拉強(qiáng)度作為最基本的強(qiáng)度指標(biāo)； 韌性指材料變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 以下介紹金屬材料的主要強(qiáng)韌化機(jī)制。一、金屬材料的強(qiáng)化金屬材料強(qiáng)化的類型主要有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化（晶界強(qiáng)化） 、第二相粒子強(qiáng)化和相變強(qiáng)化。（一）固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是利用金屬材料內(nèi)部點(diǎn)缺陷 （間隙原子和置換原子） 對位錯運(yùn)動的阻力使得金屬基體（溶劑金屬）獲得強(qiáng)化的一種方法。它分為兩類：間隙式固溶強(qiáng)化和置換式固溶強(qiáng)化。1.

2、間隙式固溶強(qiáng)化：原子直徑很小的元素如 C、N、O、B 等，作為溶質(zhì)元素溶入溶劑金屬時(shí)，形成間隙式固溶體。 C、N 等間隙原子在基體中與 “位錯 ”產(chǎn)生彈性交互作用，當(dāng)進(jìn)入刃型位錯附近并沿位錯線呈統(tǒng)計(jì)分布， 形成 “柯氏氣團(tuán) ”。當(dāng)在螺型位錯應(yīng)力場作用下， C、N 原子在位錯線附近有規(guī)則排列就形成 “Snock” 氣團(tuán)。這些在位錯附近形成的 “氣團(tuán) ”對位錯的移動起阻礙和釘扎作用， 對金屬基體產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。2. 置換式固溶強(qiáng)化：置換式溶質(zhì)原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，固溶效能比間隙式原子?。s小兩個數(shù)量級） ，這種強(qiáng)化效應(yīng)稱為軟硬化。形成置換式固溶體時(shí)， 溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解

3、度同溶質(zhì)與溶劑的原子尺寸、電化學(xué)性質(zhì)等因素密切相關(guān)，當(dāng)原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其電化學(xué)性質(zhì)也愈接近， 則溶解度也愈大。 由于溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的原子，當(dāng)原子直徑存在差別就會破壞溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上原子引力平衡， 而使其偏離原平衡位置，從而造成晶格畸變， 隨原子直徑差別增加， 造成的畸變程度愈大，由此造成的強(qiáng)化效果更大。（二）細(xì)晶強(qiáng)化晶界分為大角度晶界（位向差大于 10o）和小角度晶界（亞晶界，位向差 12o）。1晶界兩邊相鄰晶粒的位向和亞晶塊的原子排列位向存在位向差， 處于原子排列不規(guī)則的畸變狀態(tài)。晶界處位錯密度較大，對金屬滑移（塑性變形） 、位錯運(yùn)動起阻礙作用，即晶界處對塑性

4、變形的抗力較晶內(nèi)大， 使晶粒變形時(shí)的滑移帶不能穿越晶界，裂紋穿越也困難。 因此，當(dāng)晶粒越細(xì)， 晶界越多，表現(xiàn)阻礙作用也越大，此時(shí)金屬的屈服強(qiáng)度也越高。（三）形變強(qiáng)化（位錯強(qiáng)化）金屬晶體中的位錯是由相變和塑性變形引入的， 位錯密度愈高， 位錯運(yùn)動愈困難，金屬抵抗塑性變形的能力就愈大，表現(xiàn)在力學(xué)性能上，金屬強(qiáng)度提高，即當(dāng)造成金屬晶體內(nèi)部位錯大量增殖時(shí)， 金屬表現(xiàn)出強(qiáng)化效果。 理論研究同時(shí)也說明：制成無缺陷，幾乎不存在 “位錯 ”的完整晶體， 使金屬晶體強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度，則會使金屬強(qiáng)化效果表現(xiàn)得更為突出。 因此，金屬有兩種強(qiáng)化途徑： 一是對有晶體缺陷的實(shí)際金屬， 即存在位錯金屬， 可以通過位錯增殖而

5、強(qiáng)化， 二是制成無晶體缺陷的理想金屬，使晶體中幾乎不存在位錯，則金屬強(qiáng)化效果會更大。（四）第二相粒子強(qiáng)化按獲得粒子的工藝， 第二相粒子強(qiáng)化可分為析出強(qiáng)化 （沉淀強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化）和彌散強(qiáng)化。 第二相粒子本質(zhì)上有兩種強(qiáng)化途徑： 一是第二相質(zhì)點(diǎn)沉淀時(shí)， 沉淀相在基體中造成應(yīng)力場， 應(yīng)力場和運(yùn)動 “位錯 ”間交互作用使基體強(qiáng)化； 二是第二相質(zhì)點(diǎn)和基體處于共格和半共格狀態(tài)時(shí)， 質(zhì)點(diǎn)周圍有一個高能區(qū)， 具有很大的彈性畸變，致使強(qiáng)度、硬度急劇增加而強(qiáng)化，其強(qiáng)化效應(yīng)可總結(jié)為：1. 沉淀相的體積比越大，強(qiáng)化效果越顯著，要使第二相有足夠的數(shù)量，必須提高基體的過飽和度；2. 第二相彌散度越大，強(qiáng)化效果越好，共格第二

6、相比非共格第二相的強(qiáng)化效能大；3. 第二相質(zhì)點(diǎn)對位錯運(yùn)動的阻力越大，強(qiáng)化效果也越大。二、金屬材料的韌化（一）韌化原理1. 細(xì)化晶粒；2. 脆性相：減少或細(xì)化脆性相，使之呈球形存在；3. 韌性相的加入：如少量的殘余奧氏體可提高不銹鋼的韌性；4. 基體：調(diào)整基體的組織結(jié)構(gòu)。（二）韌化工藝21. 熔煉鑄造：成分控制、夾雜物和氣體含量控制等；2. 壓力加工：晶粒控制、組織控制；3. 熱處理：組織控制（淬火、回火和時(shí)效、形變熱處理等） 。三、應(yīng)用實(shí)例現(xiàn)舉一例說明金屬材料鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。低活化的鐵素體 /馬氏體鋼是作為未來核聚變反應(yīng)容器首層容器壁的一種很有前景的材料。但隨著溫度升高， 其

7、力學(xué)性能會降低而使其性能不如奧氏體鋼優(yōu)越。為改善鐵素體/馬氏體鋼的高溫力學(xué)性能，研究者讓細(xì)小氧化物顆粒彌散分布在鋼基體從而進(jìn)行強(qiáng)化，以此方式強(qiáng)化的鋼種稱為ODS（Oxide Dispersion Strengthening）鋼，氧化物為 Y 2O3。R. Schaeublin1 等人對兩種 ODS 鋼進(jìn)行力學(xué)性能測試和微觀組織觀察，并于未經(jīng)強(qiáng)化的參照鋼做了比較。 實(shí)驗(yàn)用 ODS 鋼是在 EUROFER 97（歐洲鋼號）鐵素體 /馬氏體鋼的基礎(chǔ)上改良而得，其名義化學(xué)成分為約8.9% Cr、1.1% W、0.47% Mn 、 0.2% V、 0.14% Ta 和 0.11% C。強(qiáng)化粒子主要為氧化

8、釔（ Y2O3）顆粒。實(shí)驗(yàn)材料由奧地利攀時(shí)（ PLANSEE）公司采用高溫等靜壓（ Hot Isostatic Pressing，HIP）工藝制備。兩種 ODS 鋼的 Y 2O3 含量分別為 0.3%和 0.5%。對參照鋼 EUROFER 97 和實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度下進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表 1 含 0.3% 氧化釔和 0.5% 氧化釔 EUROFER 97 與未經(jīng)強(qiáng)化 EUROFER 97臨界抗拉強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、均勻伸長率和最大伸長率數(shù)據(jù)a 來自文獻(xiàn) 2從以上數(shù)據(jù)可以看出， 相對于 EUROFER 97 鋼來說，在 500 oC 時(shí)含 0.3%氧化釔的 ODS 鋼在 0.2%

9、塑性變形所測得的臨界應(yīng)力值有了大于100 MPa 的提高，極限抗拉強(qiáng)度（ UTS）更是提高了 200 MPa。而在所有溫度范圍內(nèi)， ODS 0.3% 鋼種的均勻伸長率都高于參照鋼。而含 0.5%氧化釔的實(shí)驗(yàn)鋼性能提升不明顯，在此不做討論。3圖 1 TEM 下晶界處點(diǎn)綴碳化物的交錯鐵素體晶粒形貌（a） 0.3 wt% 氧化釔，（ b） 0.5 wt% 氧化釔；氧化釔顆粒分布形貌（c） 0.3 wt% 氧化釔，（ d） 0.5 wt% 氧化釔兩種 ODS 鋼的微觀組織如圖1 所示。在掃描電鏡下， 0.3%氧化釔鋼樣品的表面較為平滑而0.5%氧化釔鋼中則可以看到尺寸約10 m 的氣孔。在 TEM 下

10、，兩者均觀察到交錯的鐵素體晶粒，在晶界處還點(diǎn)綴著Cr23C6 型的 Cr 的碳化物，如圖 1（a）和（b）所示。在 0.3% ODS 中碳化物顆粒尺寸不超過0.2 m，在 0.5%ODS 中尺寸稍大，約在 1 m 左右。并且兩種 ODS 鋼的晶粒尺寸均小于未經(jīng)強(qiáng)化的 EUROFER 97 參照鋼，晶粒的細(xì)化有效地提高了實(shí)驗(yàn)鋼在室溫下的強(qiáng)韌性。在圖 1（c）和（ d）中可觀察到晶內(nèi)彌散分布的氧化釔細(xì)小顆粒，這些彌散分布的第二相粒子對 ODS 鋼抗拉性能的提高起著關(guān)鍵的作用。因此， ODS 鋼強(qiáng)度和韌性指標(biāo)的提升兼有細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用， 其中彌散強(qiáng)化起主要作用， 對其高溫下的力學(xué)性能提高至關(guān)重要。參考文獻(xiàn)：1 R. Schaeublin, T. Leguey, P. Spaatig, et al. Microstructure and mechanical properties of twoODS ferritic/martensitic steels. Journal of Nuclear Mate