郭宇光

一、金屬材料的分類

金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵，含碳小于2%的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。

有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等，有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。

特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復(fù)合材料等。

二、強化方式的分類

（一）結(jié)晶強化

結(jié)晶強化就是通過控制結(jié)晶條件，在凝固結(jié)晶以后獲得良好的宏觀組織和顯微組織，從而提高金屬材料的性能。它包括：

1、細(xì)化晶粒。細(xì)化晶?？梢允菇饘俳M織中包含較多的晶界，由于晶界具有阻礙滑移變形作用，因而可使金屬材料得到強化。同時也改善了韌性，這是其它強化機制不可能做到的。

2、提純強化。在澆注過程中，把液態(tài)金屬充分地提純，盡量減少夾雜物，能顯著提高固態(tài)金屬的性能。夾雜物對金屬材料的性能有很大的影響。在損壞的構(gòu)件中，?？砂l(fā)現(xiàn)有大量的夾雜物。采用真空冶煉等方法，可以獲得高純度的金屬材料。

（二）形變強化

金屬材料經(jīng)塑性變形后，其強度和硬度升高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為形變強化。變形過程中，位錯密度升高，導(dǎo)致形變細(xì)胞的形成和不斷細(xì)化，對位錯的滑移產(chǎn)生巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著升高，這是產(chǎn)生形強變化的主要原因。

（三）固溶強化

溶質(zhì)原子融入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強度、硬度升高，韌性、塑性所有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強化。例如單項的黃銅、單項的錫青銅和鋁青銅都是固溶強化為主要提高合金強度和硬度的。

固溶強化的實質(zhì)是由于溶質(zhì)原子造成了點陣畸變，其應(yīng)力場將與錯位應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用，并阻礙錯位運動。

（四）相變強化

合金化的金屬材料，通過熱處理等手段發(fā)生固態(tài)相變，獲得需要的組織結(jié)構(gòu)，使金屬材料得到強化，稱為相變強化.相變強化可以分為兩類：

1、沉淀強化（或稱彌散強化）。在金屬材料中能形成穩(wěn)定化合物的合金元素，在一定條件下，使之生成的第二相化合物從固溶體中沉淀析出，彌散地分布在組織中，從而有效地提高材料的強度，通常析出的合金化合物是碳化物相。

在低合金鋼（低合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金熱強鋼）中，沉淀相主要是各種碳化物，大致可分為三類。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。對低合金熱強鋼高溫強化最有效的是體心立方晶系的碳化物。

2、馬氏體強化。金屬材料經(jīng)過淬火和隨后回火的熱處理工藝后，可獲得馬氏體組織，使材料強化。但是，馬氏體強化只能適用于在不太高的溫度下工作的元件，工作于高溫條件下的元件不能采用這種強化方法。

（五）晶界強化

晶界部位的自由能較高，而且存在著大量的缺陷和空穴，在低溫時，晶界阻礙了位錯的運動，因而晶界強度高于晶粒本身；但在高溫時，沿晶界的擴散速度比晶內(nèi)擴散速度大得多，晶界強度顯著降低。因此強化晶界對提高鋼的熱強性是很有效的。硼對晶界的強化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界區(qū)域的晶格缺位和空穴減少，晶界自由能降低；硼還減緩了合金元素沿晶界的擴散過程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界狀態(tài)，加入微量硼、鋯或硼+鋯能延遲晶界上的裂紋形成過程；此外，它們還有利于碳化物相的穩(wěn)定。

（六）綜合強化

在實際生產(chǎn)上，強化金屬材料大都是同時采用幾種強化方法的綜合強化，以充分發(fā)揮強化能力。例如：

1、固溶強化十形變強化，常用于固溶體系合金的強化。

2、結(jié)晶強化+沉淀強化，用于鑄件強化。

3、馬氏體強化+表面形變強化。對一些承受疲勞載荷的構(gòu)件，常在調(diào)質(zhì)處理后再進行噴丸或滾壓處理。

4、固溶強化+沉淀強化。對于高溫承壓元件常采用這種方法，以提高材料的高溫性能。有時還采用硼的強化晶界作用，進一步提高材料的高溫強度。

（七）熱處理

退火：產(chǎn)品加熱到一定溫度并保溫到一定時間后以一定的冷卻速度冷卻到室溫。通過原子擴散、遷移，使之組織更加均勻、穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力消除，可大大提高材料的塑性，但強度會降低。

1、鑄錠均勻化退火：在高溫下長期保溫，然后以一定速度（高、中、低、慢）冷卻，使鑄錠化學(xué)成分、組織與性能均勻化，可提高材料塑性20%左右，降低擠壓力20%左右，提高擠壓速度15%左右，同時使材料表面處理質(zhì)量提高。

2、中間退火：又稱局部退火或工序間退火，是為了提高材料的塑性，消除材料內(nèi)部加工應(yīng)力，在較低的溫度下保溫較短的時間，以利于續(xù)繼加工或獲得某種性能的組合。

3、完全退火：又稱成品退火，是在較高溫度下，保溫一定時間，以獲得完全再結(jié)晶狀態(tài)下的軟化組織，具有最好的塑性和較低的強度。

從金屬材料的強化途徑來看，金屬材料的強化方法主要有兩大類：一是提高合金的原子間結(jié)合力，提高其理論強度，并制得無缺陷的完整晶體；另一強化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷，如位錯、點缺陷、異類原子、晶界等，這些缺陷阻礙位錯運動，也會明顯地提高金屬強度。事實證明，這是提高金屬強度最有效的途徑。對工程材料來說，一般是通過綜合的強化效應(yīng)以達到較好的綜合性能。具體方法有固溶強化、形變強化、沉淀強化和彌散強化、細(xì)化晶粒強化、擇優(yōu)取向強化、復(fù)相強化、纖維強化和相變強化等，這些方法往往是共存的。