材料的强韧性及其应用
                    材料的强韧性及其应用
强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
金属材料的强化
1. 材料强化的类型：主要有细晶强化（晶界强化）、固溶强化、形变强化（位错强化）、第二相粒子沉淀（沉淀强化和弥散强化）、相变强化等。
2. 强化机制：
(1) 细晶强化（晶界强化）：
    晶界分为大角度晶界和小角度晶界。晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。晶界处位错密度较大，对金属滑移(塑性变形)、位错运动起阻碍作用，即晶界处对塑性变形的抗力较晶内为大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也困难。因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈
服强度也越高。
方法：
    根据晶界强化的原理，在热处理工艺方法上发展了采用超细化热处理的新工艺，即细化奥氏体(A)晶粒或碳化物相，使晶粒度细化到十级以上。由于超细化作用，使晶界面积增大，从而对金属塑性变形的抗力增加，反映在力学性能方面其金属强韧性大大提高。
    如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热处理新技术方法有以下三种。
①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理。
    由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提高，在10-2~1s的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A）状态，此时A的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达104℃/s以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一般高频淬火比较硬度可高出Hv50，而变形只有高频淬火的1/4韧性有什么用~1/5，寿命可提高1.2~4倍。
②利用奥氏体(A)的逆转变
    钢件加热到A后，淬火成M，然后快速(20s)内重新加热到A状态，如此反复3~4次，晶粒可细化到13~14级。
③ 采用A-F两相区交替加淬火
    采用亚温淬火(F+A双相区加热)，在提高材料强韧性的同时显著降低临界脆化温度，抑制回火脆性。在A-F两相区交替加热，可使A/F相界面积大大增加，因而使奥氏体形核率大大增多，晶粒也就越细化。
(2) 固溶强化：
    是利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。
a. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“snock”气团。
    这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。 (奥氏体是C在面心立方晶格的γ-Fe中的间隙固溶体，其最大溶解度为2.06wt.%，铁素体是C在体心立方晶格的α-Fe中的固溶体，其最大溶解度只有0.02wt.%。)
b. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小(约小两个数量级)，这种强化效应称为软硬化。形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。
方法：
    A固溶强化：C原子在面心立方晶格中造成的畸变呈球面对称，所以C在A中的间隙强化作用属于弱硬化。置换原子在A中的强化作用比C原子更小。
    固溶强化是钢铁材料主要强化手段之一，其基本内容可归纳为两点：
①间隙式固溶强化对F基体(包括M)的强化效能最大，但对韧性、塑性的削弱也很显著；
②置换式固溶强化对F强化作用虽然比较小，却不削弱基体的塑性和韧性。
(3) 形变强化（位错强化）：
    金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效
果表现得更为突出。因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。
方法：
通过冷加工变形或相变，使“位错”增殖，一般退火态金属“位错”密度在106~108cm/cm3表现
强度、硬度较低，塑性较好，当冷加工变形后，其“位错”密度可达1011~1012 cm/cm3。此时，强度、硬度大为提高，而韧性却下降，即“加工硬化”现象。生产上对不易用热处理强化的金属如低C钢、纯铁、Cr-Ni不锈钢、防锈钢、紫铜等可用冷轧、拔、挤等工艺来达到强化效果，而对可用热处理强化处理的钢，则采用相变的办法，如淬火，使组织中“位错”增殖，达到强化效果。
(4) 第二相粒子强化（沉淀与弥散强化）：
    本质上有两种途径：一是第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场，应力场和运动“位错”间交互作用使基体强化；二是第二相质点和基体处于共格和半共格状态时，质点周围有一个高能区，具有很大的弹性畸变，致使强度、硬度急剧增加而强化，其强化效应可总结为：a. 沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，要使第二相有足够的数量，必须提高基体的过饱和度；b. 第二相弥散度越大，强化效果越好，共格第二相比非共格第二相的强化效能大；c. 第二相质点对位错运动的阻力越大，强化效果也越大。

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