金屬材料塑性變形與合金及熱處理強(qiáng)化機(jī)制的調(diào)控關(guān)系

尚志超 趙冬梅

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)宣鋼分院 河北張家口 075100

引言

金屬材料相比較其他材料，綜合性能優(yōu)良。如高強(qiáng)度、良好的塑性和韌性等，使得它們在各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。例如，鋼鐵、鋁和銅等金屬在建筑、汽車、航空航天、電子、能源和許多其他行業(yè)中都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。對于現(xiàn)代科技金屬材料也是不可或缺的，許多高科技產(chǎn)品如智能手機(jī)、高速列車、先進(jìn)飛機(jī)等都離不開金屬材料的應(yīng)用。本論文研究目的與意義：首先，塑性變形是金屬材料加工過程中的重要環(huán)節(jié)，它能夠改變金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)和組織，從而影響其性能。適當(dāng)?shù)乃苄宰冃慰梢允沟媒饘俨牧现械木Я３叽缱冃』蚋鶆?，使材料的?qiáng)韌性提高。其次，強(qiáng)化機(jī)制也是提高金屬材料性能的重要手段。通過不同的強(qiáng)化機(jī)制，如固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、也可以通過將晶粒打碎來提高材料強(qiáng)度韌性，從而滿足各種不同應(yīng)用場景的需求。但塑性變形屬于形變強(qiáng)化，與合金及熱處理強(qiáng)化既有相輔相成又有一定的調(diào)控關(guān)系，了解其中的原理對研究金屬材料強(qiáng)化方面有很大幫助。

1 塑性變形對金屬材料性能的影響

如果金屬材料發(fā)生塑性變形，材料組織結(jié)構(gòu)一定會(huì)發(fā)生改變，如形成纖維組織，相應(yīng)的也會(huì)有形變織構(gòu)產(chǎn)生，材料這時(shí)會(huì)因?yàn)榻M織方向性產(chǎn)生各向異性。隨著塑性變形的增加，金屬的晶粒會(huì)沿最大變形的方向伸長，晶格發(fā)生畸變，內(nèi)應(yīng)力由此產(chǎn)生，晶粒間甚至可能產(chǎn)生碎晶。材料性能會(huì)因此受到影響。

1.1 力學(xué)性能

一定的塑性變形會(huì)改變材料的強(qiáng)硬度，而塑性和韌性下降。這是由于在變形過程中位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間的運(yùn)動(dòng)相互加，形成位錯(cuò)障礙，隨著變形的增加，位錯(cuò)之間相互阻礙，從而引起形變抗力增加。當(dāng)隨著變形的增加，內(nèi)部應(yīng)力也進(jìn)一步增加，如果材料應(yīng)力得不到及時(shí)的消除，后續(xù)還可能出現(xiàn)變形開裂等情況。

1.2 物理-化學(xué)性能

隨著塑性變形的增加，由于內(nèi)部組織出現(xiàn)一定的方向性，所以金屬的導(dǎo)電性、電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)熱性都有可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)磁率、磁飽和度也可能下降。由于內(nèi)部應(yīng)力的增加，耐蝕性也可能下降。每種材料的性能變化不盡相同，這些變化取決于具體的金屬材料和變形條件。

2 強(qiáng)化機(jī)制對金屬材料性能的影響

合金及熱處理強(qiáng)化機(jī)制也是提高金屬材料強(qiáng)度和硬度的重要手段。常見的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等。這些機(jī)制通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、將晶粒細(xì)化來改善金屬材料的強(qiáng)硬度。

2.1 形變強(qiáng)化

使金屬材料發(fā)生塑性變形，可以增加位錯(cuò)密度，形成更多的位錯(cuò)塞積群，使位錯(cuò)相互阻礙，使金屬的強(qiáng)度指標(biāo)提高。

2.2 固溶強(qiáng)化

通過在金屬材料中加入合金元素，形成固溶體，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。合金元素在固溶體中的存在會(huì)對位錯(cuò)造成額外的應(yīng)力場，固溶體由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，這種畸變使滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)更加困難，合金元素在固溶體中的存在會(huì)對位錯(cuò)造成額外的應(yīng)力場，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高金屬的強(qiáng)度和硬度。

2.3 彌散強(qiáng)化

通過在金屬材料中加入硬質(zhì)顆?；蛟鰪?qiáng)相，這種顆粒不溶于基體金屬，屬于超細(xì)第二相。如碳化物、氮化物等，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中通常用粉末冶金方法制造這些硬質(zhì)顆粒，這樣可以使第二相更加均勻的溶入。如果使化合物在固溶體晶粒內(nèi)呈彌散質(zhì)點(diǎn)或粒狀分布，可顯著提高合金強(qiáng)硬度，但是塑韌性下降并不是很大，如果控制顆粒細(xì)小，使彌散均勻的分布，則強(qiáng)化效果越好。

2.4 相變強(qiáng)化

利用熱處理的加熱與冷卻原理，使金屬材料的內(nèi)部組織發(fā)生變化。如鋼中的奧氏體-鐵素體相變。相變過程中會(huì)形成新的晶體結(jié)構(gòu)，由于各種組織的強(qiáng)硬指標(biāo)不同，則在宏觀上體現(xiàn)出了材料的強(qiáng)硬指標(biāo)變化。

3 金屬材料的塑性變形機(jī)制介紹

3.1 晶體結(jié)構(gòu)與滑移系統(tǒng)

晶體結(jié)構(gòu)是指金屬原子在空間中的排列方式，不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的滑移系統(tǒng)。滑移系統(tǒng)是指晶體中可以發(fā)生滑移的面和方向。當(dāng)施加外力時(shí)，金屬原子在這些面和方向上會(huì)發(fā)生相對滑動(dòng)，從而使得金屬發(fā)生塑性變形。滑移系統(tǒng)是由滑移面和滑移方向構(gòu)成的?；泼媸侵妇w中可以發(fā)生滑移的平面，而滑移方向則是指在這些平面上可以發(fā)生滑移的方向。

不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬具有不同的滑移系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌脑优帕蟹绞胶途w對稱性。晶體具有不同的滑移系統(tǒng)。如圖1、圖2 所示在面心立方晶體中，主要的滑移面是{111}，而主要的滑移方向是<110>；而在體心立方晶體中，主要的滑移面是{110}，而主要的滑移方向是<111>。

圖1 體心立方金屬

圖2 面心立方金屬

圖3 交位錯(cuò)

圖4 合金鋼中合金元素彌散強(qiáng)化

圖5 馬氏體

此外，同一晶體結(jié)構(gòu)的金屬也具有不同的滑移系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兊木w取向不同。晶體取向是指晶體的空間定向，即晶體的一個(gè)晶軸相對于參考坐標(biāo)系的方向。對于單晶體，只有一個(gè)晶體取向，但對于多晶體，由于其由無數(shù)個(gè)單晶體組成，因此具有多個(gè)晶體取向。不同的晶體取向會(huì)導(dǎo)致金屬具有不同的滑移系統(tǒng)。

3.2 孿晶變形機(jī)制

孿晶是指晶體中存在的雙層或多層原子排列完全相同、相互平行的晶體。在孿晶界上，原子排列存在一定的錯(cuò)位，這使得孿晶界成為金屬材料中的弱界面。當(dāng)金屬材料受到外力作用時(shí)，孿晶界上的原子會(huì)發(fā)生相對滑動(dòng)，從而導(dǎo)致孿晶界發(fā)生移動(dòng)。這種孿晶界的移動(dòng)會(huì)使得金屬發(fā)生塑性變形。孿晶變形機(jī)制可以通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：

3.2.1 貫穿位錯(cuò)的滑移

當(dāng)使變形方向平行于孿晶方向，位錯(cuò)貫穿的形式在寬孿晶區(qū)和基體內(nèi)進(jìn)行形核和長大，在形核和長大的過程中，滑移到孿晶界的位錯(cuò)進(jìn)行分解，形成兩個(gè)位錯(cuò)，而形成的新位錯(cuò)又由于發(fā)生集術(shù)轉(zhuǎn)變成新的貫穿位錯(cuò)。重復(fù)這個(gè)過程，最終形成塑性變形，應(yīng)力也由此產(chǎn)生。

3.2.2 沿孿晶界的位錯(cuò)滑移

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如果受拉伸方向與孿晶有一定角度，塑性變形機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)檠貙\晶界的位錯(cuò)滑移。這種變形機(jī)制與拉伸方向和孿晶界的角度有關(guān)，隨著角度的變化，變形機(jī)制可能從貫穿位錯(cuò)的滑移轉(zhuǎn)變?yōu)檠貙\晶界的位錯(cuò)滑移。

3.2.3 剪切機(jī)制：在剪切力的作用下，孿晶界上的原子發(fā)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致孿晶界發(fā)生移動(dòng)。這種剪切機(jī)制可以通過微觀的觀察和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 塑性變形過程中的微觀組織變化

3.3.1 位錯(cuò)密度變化

隨著變形的增加，位錯(cuò)密度也會(huì)增加。在單晶體中，隨著變形量增加，位錯(cuò)增多，位錯(cuò)密度增加。而在多晶體中，隨著變形量增加和單晶體變形一樣，位錯(cuò)的密度也要增加。這種變化可以用測量電阻變化、儲(chǔ)能變化的方法來檢測。

3.3.2 晶粒形變：當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，其晶粒的形狀會(huì)發(fā)生變化。晶粒的形變通常表現(xiàn)為晶格畸變，這種畸變會(huì)降低金屬的對稱性，從而影響其物理和機(jī)械性能。

3.4 對塑性變形的影響因素

3.4.1 溫度與應(yīng)變速率

溫度和應(yīng)變速率是影響金屬材料塑性變形的重要因素。溫度較高時(shí)，材料的院子能量較高，原子之間有較高的擴(kuò)散速度，位錯(cuò)之間的阻力會(huì)明顯減小，促進(jìn)晶體的滑移，從而增加金屬的塑性。同時(shí)，應(yīng)變速率也會(huì)影響塑性變形行為。在高速變形時(shí)，金屬材料的應(yīng)變速率增加，會(huì)影響到材料的回復(fù)和再結(jié)晶，材料的組織及相關(guān)的力學(xué)性能也會(huì)伴隨著變形速度有所變化。

3.4.2 合金元素與雜質(zhì)的影響

合金元素和雜質(zhì)對金屬材料的塑性變形行為影響也比較顯著。合金元素通過影響材料的晶格結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程等方式來影響塑性變形行為。合金元素可以改變金屬的層錯(cuò)能，從而影響位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，或者通過影響原子間的相互作用力來改變滑移的難易程度。雜質(zhì)元素在金屬材料中通常以非金屬夾雜物或第二相的形式存在，它們對塑性變形行為的影響也比較復(fù)雜。一些雜質(zhì)或第二相在與基體金屬的界面處可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高金屬的強(qiáng)度和硬度。然而，如果雜質(zhì)或第二相的數(shù)量過多或分布不均勻，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋的產(chǎn)生，降低材料的塑性和韌性。

4 合金及熱處理強(qiáng)化機(jī)制

4.1 固溶強(qiáng)化

溶質(zhì)原子與溶劑原子的相互作用對金屬材料的力學(xué)性能有重要影響。這種相互作用主要表現(xiàn)在溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間的相互作用和溶質(zhì)原子與溶劑晶格間的相互作用。

溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間的相互作用主要來源于溶質(zhì)原子與基體原子間由于體積不同而引起的彈性畸變。這種彈性畸變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力場，這種應(yīng)力場與位錯(cuò)周圍存在的應(yīng)力相互影響，致使溶質(zhì)原子發(fā)生移動(dòng)，通常移向位錯(cuò)線附近，使得位錯(cuò)的能量降低，根據(jù)熵增定律，位錯(cuò)變得穩(wěn)定。位錯(cuò)進(jìn)而變得穩(wěn)定，如同被束縛一樣，如要擺脫這種束縛，則需要較大外力，在宏觀表現(xiàn)即為材料的抗力增加。

4.2 彌散強(qiáng)化

彌散強(qiáng)化利用材料的多相特性，進(jìn)而來達(dá)到強(qiáng)化的目的，主要原理是將不同性質(zhì)的相元素通常是合金元素，通過一定的方法使它們分散在材料的基體中。利用熱處理、合金化等手段改變相的大小、相的形狀和相的數(shù)量，在合金元素溶入的過程中材料的相的性能也有所改變，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)最佳的相組合。如果合金元素的濃度較大直至超過其溶解度時(shí)，第二相便形成了，進(jìn)而出現(xiàn)新的相界面，這些相界面是不連續(xù)的，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到其阻礙，從而使材料的抗力增加，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化效果。

彌散強(qiáng)化與固溶體強(qiáng)化有一些共通性。不同的是固溶體強(qiáng)化是金屬中通過溶解一系列元素，提高晶格畸變量，完成強(qiáng)化。而彌散強(qiáng)化是金屬基體中形成強(qiáng)度高的強(qiáng)化顆粒，通過顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

4.3 相變強(qiáng)化

相變強(qiáng)化是一種通過改變材料的相態(tài)來提高其力學(xué)性能的方法。在金屬材料中，相變強(qiáng)化主要通過控制材料的冷卻速率來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)金屬以較快的速率冷卻時(shí)，其材料內(nèi)部的分子改變原有的排列規(guī)則，導(dǎo)致材料的相態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生強(qiáng)化效果。

常見的熱處理方式都屬于基本的強(qiáng)化方式，淬火可以使鋼材由普通的珠光體轉(zhuǎn)變成馬氏體，而馬氏體的硬度和強(qiáng)度都很高，所以材料的硬度和強(qiáng)度都有所提高。材料中馬氏體上貝氏體通常作為強(qiáng)度比較高的強(qiáng)化相。

5 合金及熱處理強(qiáng)化與塑性變形關(guān)系

塑性變形可以影響合金及熱處理的效果，在金屬材料加工中，塑性變形通常是熱處理之前的預(yù)處理步驟。適度的塑性變形可以細(xì)化基體組織，提高材料的力學(xué)性能。而過度或不足的塑性變形則可能導(dǎo)致材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻或晶粒尺寸過大等問題，從而影響熱處理的效果。

合金元素和熱處理?xiàng)l件可以影響金屬材料的塑性變形行為。通過合金元素特有的一些強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)，使其具有更好的塑性變形能力。同時(shí)，熱處理?xiàng)l件如加熱溫度、冷卻速度等也會(huì)影響金屬材料的塑性變形行為，如常見的傳統(tǒng)熱處理方式的“四把火”，雖然淬火能使得材料的硬度升高，但也可能導(dǎo)致材料脆化，影響塑性變形。

某些合金元素可以在熱處理過程中與其它元素發(fā)生反應(yīng)，形成具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的合金相，這些合金相可以對材料的塑性變形行為產(chǎn)生重要影響。與此同時(shí)，在材料發(fā)生塑性形變時(shí)，材料內(nèi)部的變形阻力也會(huì)增加，如位錯(cuò)的影響、晶界的滑動(dòng)和遷移等現(xiàn)象也會(huì)對材料的熱處理效果產(chǎn)生影響。

金屬材料的塑性形變過程看似簡單，但內(nèi)部過程涉及到晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。這些晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到強(qiáng)化機(jī)制的影響。塑性變形過程中，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)和排列方式發(fā)生變化，這也對其內(nèi)部的強(qiáng)化機(jī)制產(chǎn)生影響。在塑性變形過程中，晶粒的大小、形變結(jié)構(gòu)的形成等因素會(huì)發(fā)生變化，從而影響金屬的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，塑性變形過程中的溫度、應(yīng)變速率等條件也會(huì)對金屬的強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形行為產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

在金屬材料加工中，需要綜合考慮合金及熱處理強(qiáng)化與塑性變形強(qiáng)化的調(diào)控關(guān)系。通過合理的合金設(shè)計(jì)和熱處理工藝，不但能提高材料壽命，也能改變材料的加工性等性能。同時(shí)，也需要根據(jù)實(shí)際需求和加工條件選擇合適的塑性變形工藝，以達(dá)到最佳的加工效果。