陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。
首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。
其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。
第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。
第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。
第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。
金属的强化
strengthening of metals
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标
未必有效。影响强度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、组织结构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降（见应力腐蚀断裂和氢脆）。
在本文中，强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，此时金属的理论切变强度一般是其切变模量的1/10～1/30。而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。例如,纯铁单晶的室温切变强度约为5kgf/mm2,而按铁的切变模量(5900kgf/mm2)来估算,其理论切变强度应达
650kgf/mm2。造成这样大差异的原因曾是人们长期关注的课题。直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒 (G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性（见形变和断裂）。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm)，强度会急剧下降。有
人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错，一旦有可动位错存在，强度就急剧下降了。从自前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。材料经过辐照后,也会产生强化效应，但一般不把它作为强化手段。
固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属,一般都要合金化。合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。合金元素对基体的固溶强化作用决定于溶质原子和溶剂原子在尺寸、弹性性质、电学性质和其他物理化学性质上的差异，此外，也和溶质原子的浓度和分布有关（见合金相）；固溶强化的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。这些交互作用可分为四种：
①溶质原子与位错的弹性交互作用在固溶体中,无论是固溶原子或是位错，在其周围都存在着应力和点阵畸变，两个应力场之间的作用就属于弹性交互作用。这种弹性交互作用力代表固溶原子所提供的阻碍位错运动的力。其最大值取决于溶质原子的大小、浓度和分布，特别是使点阵发生畸变的对称程度。
在代位固溶体中，固溶原子与溶剂原子的尺寸差异（原子尺寸错配）愈大，固溶原子与位错的弹性交互作用就愈大，强化作用也愈显著，如钨在钢中的强化作用比钼要高，就是因为钨原子和铁原子尺寸的差异要比钼与铁原子的差异大。在间隙固溶体中，填隙原子会引起晶胞体积的改变（晶胞体积错配），如果间隙原子引起了非对称性点阵畸变，象碳、氮原子溶入体心立方点阵金属时那样，则固溶原子与位错的作用特别强，因而强化作用格外明显；而当填隙原子引起对称畸变时，如碳、氮在具有面心立方点阵的γ-Fe或镍中,所引起的交互作用要弱得多，强化作用也就不明显。
弹性交互作用还可因固溶元素与溶剂金属在弹性模量上存在差异（模量错配）
而引起。即用一种弹性模量不同的原子去置换原来的溶剂原子会引起固溶原子与位错所组成的系统的能量改变，从而产生交互作用能并导致交互作用力。计算表明，这种弹性模量错配所引起的交互作用力的最大值和原子尺寸错配所引起的弹性交互作用力大致相近，但其作用力是近程的，随溶质原子与滑移面的距离增大，衰减较快。
②电学交互作用晶体中的自由电子分布对应力有敏感性,电子会较多地集中
到受张应力的区域。例如,在刃位错的受胀区，电子浓度较高,具有电负性；相反,在受压地区，浓度较低，具有电正性。由于电子浓度分布不均而使刃位错相当于电学上的一个电偶极子。这种电偶极子与溶质原子的电荷产生静电作用，从而引起溶质原子与位错的交互作用而产生强化。一般来说，电学交互作用比弹性交互作用要弱，如铜在锌、镓、锗或砷中固溶后,电学交互作用能最多只有弹性交互作用能的1/6～1/3。但在某些情况下,电学交互作用也可以是主要的，如银溶于铝中，点阵变化很小，但银对铝的强化作用却是可观的，反映出此时电学交互作用成为决定性的因素。
③化学交互作用在密排点阵金属晶体中，经常出现堆垛层错。层错边界为不全位错，层错的宽度和数目由层错能的大小来决定。在层错能较低的金属中层错数目多，层错的宽度大。层错结构与基体不同，在面心立方点阵中，层错为密排六方排列；密排六方点阵中，层错为面心立方排列。一般来说，固溶原子在两种不同的密排点阵结构中的溶解度不相同；在热力学平衡状态下，溶质原子在层错区和正常基体中的浓度也不一样。当晶体发生滑移时，不管是沿着这些层错扩张的平面，或者是这些层错发生束集和截割，都要打破平衡状态；也就是说，位错运动要求外界提供更大的能量，从而表现出强化作用。
④几何交互作用固溶体中的溶质原子有时会出现有序化现象，当存在短程序时，塑性变形将改变原来的有序排列而增加势能，表现为短程序强化作用。
在有长程序的固溶体中，位错倾向于两两相随地通过晶体。第一个位错通过时，使有序结构中跨越滑移面的不同类原子对A-B改变为同类原子对A-A和B-B,引起能量升高；当后随的一个位错经过时，A-A和B-B原子对又恢复为A-B对,能量又降下来。在前后相随的两个位错之间的这段距离上，A-A和B-B原子对尚未恢复，形成所谓反相畴界(antiphase boundary)。为减少反相畴界的能量，两
相随位错倾向于尽量靠近；但是当两个同号位错靠近时，它们之间的斥力急剧上升。在这两个因素的共同作用下，两个位错间有一个平衡距离，它与两个不全位错间存在的层错很相似。在塑性变形过程中，有序合金的反相畴界的面积不断增加，从而提高了体系的能量，表现为长程序引起的强化作用。
此外，无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形成气团。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃位错受胀区的趋向,反之,富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠扩散在位错附近富集的现象,称为柯氏气团(Cottrell atmosphere)。柯氏气团对位错有钉扎作用，特别是填隙原子，对位错的钉扎作用更为强烈，由此成功地解释了低碳钢的屈服现象，因为填隙原子比代位原子容易扩散，所以填隙原子气团的形成温度也较低。
在位错应力场的作用下，引起晶体的非对称点阵畸变而使填隙原子产生有序化的排列称为斯氏气团Snoekatmosphere。例如碳原子在α-Fe中就形成这种应力感生有序化，即当沿c轴方向有拉伸应力时,碳原子处于体心立方点阵与c轴平行的各晶胞棱边的一半处,引起晶胞沿c轴方向膨胀而产生强化作用。因为碳原子的扩散距离较短，而且是在应力作用下进行的，因此斯氏气团的形成温度比柯氏气团更低一些。
形变强化随着塑性变形（或称范性形变）量增加，金属的流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。形变强化是金属强化的重要方法之一，它能为金属材料的应用提供安全保证，也是某些金属塑性加工工艺所必须具备的条件（如拔制）。
金属的形变强化可通过应力- 应变曲线来描述。对多晶金属来说，应力-应变曲线可以经验地表示为：
式中σ表示室温拉伸真应力，υε与ε分别为拉伸过程中的真实面积收缩率和真实延伸率,K为形变强化系数，n为形变强化指数。可以证明，在拉伸过程中，缩颈开始发生时的最大均匀形变量在数值上就等于材料的“形变强化指数”。同时，人们把开始形成缩颈时的强度命名为抗拉强度，也就是材料在塑性失稳时的流变强度。
形变强化是位错运动受到阻碍的结果。目前对金属单晶体的形变强化机制已有一定了解，特别对面心立方纯金属研究较为深入。多晶金属情况比较复杂，除晶界以外，晶粒取向也多种多样，对其形变强化的细节至今还不很清楚。
面心立方金属单晶的典型应力-应变曲线见图1。可以看出，它分为三个阶段。单晶所受应力达到临界分切应力(τ0)时，发生屈服。随着切变量的增加，流变强度缓慢上升，其形变强化率，μ为切变模量, 这就是形变强化的第一阶段，一般称为易滑移阶段。这个阶段的主要特征是单系滑移，在试样表面可观察到滑移线，这些滑移线的间距和长度不变，只是随着应变量的增加，台阶高度变大, 如Cu和Ni-Co合金便是如此。在阶段Ⅰ。位错的分布形式主要是位错偶带。临界切应力的大小(τ0)，与晶体的取向，材料和纯度有关。在阶段Ⅰ的后期, 曲线的斜率增大，直到又变为一条直线而继续升高,这就是形变强化的第Ⅱ阶段,其强化率(θⅡ)最大，典型Image:308-03.gif的数值为Image:308-04.gif，比Image:308-06.gif大几十倍。从结构变化来看，向阶段Ⅱ的过渡是从次系滑移的出现开始的。在阶段Ⅱ新形成的滑移线的长度越来越短，也就是由一个位错源产生的“位错圈”越来越小，位错圈与晶体表面交截部位越来越短，螺位错平均运动距离越来越小，或者说晶体中阻止位错运动的障碍在不断增加，同时流变强度在不断提高。在阶段Ⅱ的初期，由主系位错偶带和联结它们的少数次系位错形成位错栅栏。随着形变量的增加，平行于主滑移面出现了一些位错密度较高的区域称为位错席。如果形变量再提高，晶体中便全形成胞状组织。
为了说明形变强化的物理实质，必须了解在形变过程中位错的产生、分布和运动与流变强度的关系。阶段Ⅰ的强化可以认为是通过形成位错偶使大量位错受到羁绊而阻滞，但是偶中正负号位错的长程应力场在很大程度上互相抵销，因而位错偶只提供很小的阻止位错运动的应力场，导致阶段Ⅰ的强化效应微弱。阶段Ⅱ的强化模型很多，如位错塞积群长程应力强化模型(1952)，位错林强化模型(1959),位错割阶强化模型(1960),网眼长度强化模型(1962)，流变应力统计强化模型(1966)以及高位错密度区强化模型(1967)等等，每一种模型都解释一部分实验现象，但也存在不少问题。其中以西格(A.See-ger)根据莫特(F.Mott)所提出的位错塞积群长程应力强化模型比较经典，可得出流变强度与位错密度
的线性关系式,同时推算的Image:308-05.gif和实验结果也比较符合。形变强化的第Ⅲ阶段应力-应变曲线呈抛物线形,亦即强化效应逐渐下降，这是因为在高形变量下出现大量交滑移及异号位错兼并的缘故。由于应力的提高，有些位错可能绕过障碍前进，这些都减少强化效应。也就是说，在阶段Ⅲ有动态回复出现。在多晶金属的加工硬化过程中，阶段Ⅱ强化起决定性作用。为了保持多晶体塑性变性的连续性和协调性,每个晶粒发生变形时，必须有五个以上的滑移系统同时开动；所以，在多晶体里实际上不存在象单晶那样的阶段Ⅰ单系滑移和强化。
总之，形变强化决定于位错运动受阻，因而强化效应与位错类型、数目、分布、固溶体的晶型、合金化情况、晶粒度和取向及沉淀颗粒大小、数量和分布等有关。温度和受力状态有时也是决定性的因素。
一般来说，退火单晶的位错密度为106cm-2，变形量很大的金属可在1012cm-2以上。层错能低的金属比层错能高的金属加工硬化更为显著。细晶粒、有淀淀相、高速形变和低温形变都表现出较高的形变强化效应。
沉淀强化与弥散强化过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中（时效）发生脱溶分解。时效过程往往是很复杂的,如铝合金在时效过程中先产生GP区,继而析出过渡相（θ"及θ'）,最后形成热力学稳定的平衡相(θ)。细小的沉淀物分散于基体之中,阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。为了提高金属，特别是粉末冶金材料的强度，往往人为地加入一些坚硬的细质点，弥散于基体中，称为弥散强化。从弥散质点引起强化这一点来说，沉淀强化与弥散强化并没有大区别。但是,前一情况是内生的沉淀相,后一情况为外加质点；而且，在时效前期，沉淀相和基体之间往往保持共格或半共格关系，在每个细小沉淀物附近存在着一个较大范围的应力场（图2），与位错发生交互作用，产生十分显著的强化作用。如果时效温度提高或时间延长，则出现非共格产物，强化效应下降，以致于合金强度降低，称为“过时效”；最后产生平衡相。因为沉淀引起合金元素的贫化，此时合金材料的强度甚至低于固溶体状态。弥散强化时，外加的质点在高温使用过程中也会聚集、长大以减少颗粒的表面能，同样会引起软化。
晶体中的位错在外力作用下产生运动，在运动过程中首先遇到的是第二相质点周围的应力场（如果有这种应力场存在的话），对其产生阻碍作用，它属于长程作用。继而有两种可能，一种是位错切割质点而过，一种是位错以某种方式绕过质点（图3），两者都需作功，因而产生强化效应。前者功耗方式主要有:①位错切过质点,使基体和质点之间的界面增大，增加表面能（图3a）；②改变第二相结构，第二相具有长程有序结构时（如高温合金中的(γ'相)，位错通过后增加了反相畴界，对无序系统来说，有可能改变层错宽度；③析出相和基体之间切变模量不同，也会引起强化作用。位错绕过质点的方式是多种多样的：位错可以发生弯曲（弓弯机理）从质点间通过，在质点周围留下位错圈而进一步强化（图3b）；位错可以交滑移进入另外的滑移面，绕过质点；在温度较高时，位错也可以通过攀移绕过质点等等。这些都是当位错靠近第二相质点之后发生的，属于近程作用。
上述质点强化随质点大小、分布、数量和质点性质而不同。研究结果指出，在以切割机理强化时，因强化而产生的剪切屈服应力τ的增加，与质点半径r,质点体积分数f的关系为Δτ∝f(1～1/3)r1/2,f幂次随合金中质点结构的不同，取不同数值（1～1/3）。在以弓弯机理强化时,Δτ∝f1/2r-1。由此可以看出,在质点半径很小时，位错以切割质点的方式通过，此时的强度取决于切割机理。在时效(脱溶)的初期,随f和r不断增加，合金强度相应地升高。当脱溶接近完成时，f增长变缓,但r继续增大，这时合金强度仍有提高，而强化的趋势下降。随着时效进一步发展，质点进一步增大，位错主要绕过或按弓弯机理越过质点；第二相质点继续变大，强度相应明显下降，这就是合金的过时效阶段。
细化晶粒强化从位错塞积或其他模型可以推导出多晶金属的屈服强度（σy）与晶粒直径(d)的关系,表示为：
σy＝σ0＋kyd剧?/center>
称为霍耳-派赤（Hall-Petch）关系式。式中σ0、ky均为材料常数。对α-Fe 来说,ky值与位错钉扎情况有关,位错被钉扎得愈牢, ky值愈大；在严重钉扎情况下，ky可达2kgf/mm2。据此进行计算,低碳钢的晶粒度每提高两级(即晶粒直
径减少一半)，屈服强度可提高约2.8kgf/mm2。如果低碳钢的晶粒度从ASTM标准的0级细化到12级,即其平均直径由0.359mm降至0.00561mm，则屈服强度可提高16kgf/mm2左右。而且，随着晶粒的细化,断裂强度比屈服强度有更大幅度的提高,同时冲击韧性也得到改善,如同属体心立方金属的低碳钢和钼，晶粒每细化一级，韧性－脆性转变温度可分别降低10～20℃及24℃。
在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。所以近年来细化晶粒工艺受到高度重视和广泛应用。当前正在发展中的快冷微晶合金便是其中一例。有上述优异性能的原因可以从两方面考虑：①晶界所占比例较大，晶界结构近似非晶态，在常温下具有比晶粒更高的强度；②细小晶粒使位错塞积所产生的正应力随之降低，不容易产生裂纹，从而表现为提高强度而不降低塑性。但细晶粒金属的高温强度下降，这是因为在高温下晶界强度降低了，特别在变形速度很低的情况下（蠕变），这种效应更为突出。
相变强化通过相变而产生强化效应也是常见的金属强化方法。相变的种类很多，上述的沉淀相的形成和析出就是其中之一。现以应用最普遍的马氏体相变强化为例，说明相变强化机理。
马氏体相变是一种以剪切方式进行的非扩散型相变，相变产物与基体间保持共格或半共格联系，在其周围也存在很大的内应力，甚至使周围的奥氏体发生形变而出现形变强化。
从马氏体本身来看，其结构有两种类型：一种常见于低碳钢和18-8不锈钢中,主要是板条马氏体(或称位错马氏体)。这种马氏体中存在大量位错，其密度在1011～1012cm-2,与经过大量冷加工的金属的位错密度相近。另一种常见于高碳和Fe-Ni-C合金中,主要是针状马氏体（或称孪晶马氏体），马氏体针由大约100┱大小的孪晶所构成。这种孪晶组织随碳含量而增加，当铁中的碳含量为0.1％时,没有孪晶组织,碳为0.8％时,孪晶达100％。马氏体中的位错或孪晶的出现，与相变过程中的形变量和温度有关。一般来说，由于马氏体相变而产生的局部形变量可高达10％。这种形变如发生于较高温度(即Ms高时),则增殖位错以缓和内应力；如发生在较低温度（即Ms低时）,再加形变速度又高，就会产生孪晶。碳含量愈高，相变应力愈大，孪晶量也愈多。细小的孪晶相当于晶粒的细
化，产生强化效应。
钢中马氏体相变强化的另一个主要原因是碳原子在相变过程中的有序化，即碳原子转移到体心立方Image:310-01.gif的0位置使其沿一个方向(c)伸长而成为体心正方结构。碳原子所引起的强化作用，可用下式表示：
σ＝2.1×102(％C)1/2 (kgf/mm2)
钢经形变热处理后，强度进一步提高，而韧性却不下降,这主要是因为奥氏体在Ms点以上形变后，马氏体针更为细小；同时，马氏体点(Ms)明显下降，马氏体中的孪晶大幅度增加，从而使钢在形变热处理后的强度明显提高，而韧性却不下降，这是细化晶粒强化的效应。此外，如含碳量为0.48％的钢在形变热处理后全部是孪晶马氏体，经一般热处理的同一钢种却只有一半孪晶马氏体。如前所述，含碳量为0.8％的钢,经一般热处理后，才可使孪晶达100％。根据这个情况,碳含量低的钢在形变热处理后强度的提高比高碳钢更为明显，主要是因为后者孪晶增加的幅度不大。
纤维强化根据断裂力学观点，高强度材料可容许存在的临界裂纹尺寸很小,一旦出现裂纹就很快扩展,容易发生断裂。而将细纤维排在一起，粘结起来，可免除上述缺点，是解决脆性高强材料用于实际结构的一个重要途径。因为经过复合之后，不但解决了纤维的脆性问题，也提高了材料的比强度、比模量和疲劳性能。纤维强化复合材料，是当前很有发展前途的一类材料。
纤维强化的复合材料的力学性质，可根据纤维和基体（粘合剂）的体积分数计算出来,如弹性模量（E），
Ec＝EfVf＋EmVm
其中Ec、En和Em分别为复合材料、纤维和基体的弹性模量, Vn和Vm为两相的体积分数。由于纤维和基体的泊松比不同,可引起的误差达百分之几。对抗拉强度来说,也可得出类似方程。但由于纤维和基体的强度和塑性不同，其间的结合力也不一样，还有其他许多影响因素使问题复杂化。关于复合材料的强度问题，已形成专门的学问。
在高温下使用的纤维强化复合材料，必须要考虑纤维和基体间的热稳定性;因在高温、长期工作过程中,两相发生互扩散，最后纤维被溶解，失去强化作用。目前改善的途径有二：①在纤维与基体间涂上一层防扩散层，如铂、钽等；②
采用定向共晶生长，使纤维在热力学平衡状态生长出来，增加热稳定性。这种途径受合金系统的限制，局限性很大。
择优取向强化金属在凝固过程、冷加工或退火过程中都会发生晶体的择优取向，力学性质因取向不同而有区别。金属可以利用择优取向而得到较高的强度，这在工业上已得到应用，但不如利用磁性能的择优取向硅钢片那样普遍。
辐照强化由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子,这些缺陷阻碍位错
运动,从而产生强化效应（见金属的辐照损伤和辐照效应）。
参考书目
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三、应力与应变关系（广义虎克定律） 54 四、弹性力学平衡问题的求解方法
55 ... §6固溶强化 243 一、面心立方晶体固溶强化 244 二、体心立方晶体固溶强化 251 ... 本书可作为金属材料与热处理专业以及热加工类专业研究生教持，也可供相应专业的大专院校师生和有关工程技术人员参考。晶体缺陷琼地勤陈敬熊赵敬世编芳责任编辑:余虹 ...
1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。第二, 合金组元与基体金属的 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)
第五章金属材料的强化方法 一、金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构
图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。 由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率 εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算： ?+=f l d d d l εεεε σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类：
材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理
摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变
Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition
陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。 首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。 其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。 第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。 第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。 第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标
细晶强化的机理及其应用 摘要：本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导Hall-Petch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hall-Petch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法-不对称挤压法。 关键词：细晶强化，Hall-Petch关系式，位错。 1 引言 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。 细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法。其提高塑性机制为：晶粒越细，在一定体积的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过。 2 细晶强化的经典理论 一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上，建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为： σy＝σ0＋kd-n （1）式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常
金属材料的强化与韧化 机械工程学院机械工程1班刘文龙2011201120 对于金属材料来讲，最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。简单的说，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。 随着制造业及材料工业的快速发展，人们对高性能材料的需求已经越来越迫切，从目前角度来看，在不更改加工方式与行业整体现状的情况下，高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法，显然的，第二种方法更易实现，也更接近工程实际。在现有的研究中，提高材料的强度主要有以下两种途径： 1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷，使它的强度接近于理论强度，例如金属晶须等，但实际应用难度较大； 2、在金属中引入大量缺陷，以此阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。 其中金属材料的强化主要有以下几种放法： 1、固溶强化此方法是利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法，一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。 2、细晶强化此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。 3、第二相粒子强化此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。 4、形变强化金属在塑性变形过程中，位错密度会逐渐增加，使得弹性应力场不断变大，位错间交互作用增强，使得位错困难增强金属强度。 这里以金属的细晶强化方式举例，在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出，在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下，对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织，将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级，见图1。通过试验发现，轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%，与空冷状态下的24.30%基本相等，但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa，提高了大约39.20%，抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa，提高了23.23%，可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显，适宜推广；而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发，均实现了细晶钢棒线材的工业化生产，并进行了推广应用。
论述四种强化的强化机理 强化规律及强化方法 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
1、形变强化 形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。 机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。 规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。 方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。 形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。 2、固溶强化 随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。 固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。 方法：合金化，即加入合金元素。 3、第二相强化 钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。
金属材料的强化方法 金属材料的强化途径，主要有以下几个方面； (1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括： 1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。 2)提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化．通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化。含金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构．使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类： 1)沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3．NbC 等，二是六方晶系，如M02、W2C、wc等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。 2）马氏体强化。金属材料经过淬火和随后同火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身：世在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩敞速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化品界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，足由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的品格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；B还减缓了合金元素沿晶界的扩放过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如： 1)固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。 2)结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。 3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳裁荷的构件，常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。 4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用．进一步提高材料的高温强度。
第十章材料的强韧化 第一节材料强化基本原理 结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。 一、金属材料的强化原理 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象， 称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作 用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可 分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。 （1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的 长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相 位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要 看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位 错截交成弯曲形状。如图10—l所示． 图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。 x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。 处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强， 这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力 求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形 状。相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要 式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故
金属位错理论 位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。当金属晶体受力发生塑性变形时，一般是通过滑移过程进行的，即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面晶向相对滑动，滑移的结果在晶体表面上出现明显的滑移痕迹——滑移线。为了解释此现象，根据刚性相对滑动模型，对晶体的理论抗剪强度进行了理论计算，所估算出的使完整晶体产生塑性变形所需的临界切应力约等于G/30，其中G为切变模量。但是，由实验测得的实际晶体的屈服强度要比这个理论值低3~4数量级。为解释这个差异，1934年，Taylor，Orowan和Polanyi 几乎同时提出了晶体中位错的概念，他们认为：晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做刚性滑动，而是通过在晶体存在着的称为位错的线缺陷来进行的，位错再较低应力的作用下就能开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对滑移。按照这一模型进行理论计算，其理论屈服强度比较接近于实验值。在此基础上，位错理论也有了很大发展，直至20世纪50年代后，随着电子显微镜分析技术的发展，位错模型才为实验所证实，位错理论也有了进一步的发展。目前，位错理论不仅成为研究晶体力学性能的基础理论，而且还广泛地被用来研究固态相变，晶体的光、电、声、磁和热学性，以及催化和表面性质等。 一、位错的基本类型和特征 位错指晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排，是晶体原子排列的一种特殊组态。从位错的几何结构来看，可将他们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。 1、刃型位错 刃型位错的结构如图1.1所示。设含位错的晶体为简单立方晶体，晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。多余的半排原子面EFGH犹如一把刀的刀刃插入晶体中，使ABCD 面上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称“刃型位错”。晶体已滑移部分和未滑移部分的交线EF就称作刃型位错线。
金属的强化机制及强韧性能的控制 强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。 一、强化机制 强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。直到1934年，奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。 强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的。 固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属，一般都要合金化。合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。合金元素对基体的固溶强化作用决定于溶质原子和溶剂原子在尺寸、弹性性质、电学性质和其他物理化学性质上的差异，此外，也和溶质原子的浓度和分布有关；固溶强化的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。
细晶强化的机理及其应用 摘要:本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理,介绍了三种推导Halｌ-Pｅtch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hａlｌ-Pｅtch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法－不对称挤压法。 关键词:细晶强化,Ｈall-Petｃh关系式,位错。 1 引言 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示,数目越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小;此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时,由于晶界两侧晶粒的取向不同,加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处,引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小,晶界越多，位错被阻滞的地方就越多,多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外,位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源,在应力的作用下，此位错源不断放出位错,使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍,才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此,材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大,需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小,材料的屈服强度就越大。 细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法。其提高塑性机制为：晶粒越细,在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行,变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少,因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多,能量较高,阻碍位错的通过。 2 细晶强化的经典理论 一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上,建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为: σｙ=σ0+kd-n (1）
金属材料的四种强化方式 一．细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高； 细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。 细化晶粒的方法 1，增加过冷度； 2，变质处理； 3，振动与搅拌； 4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。二．固溶强化 定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。 原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。 影响因素 （1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。 （2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 （3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。 （4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。 编辑本段程度固溶强化的程度主要取决于两个因素：1. 原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多
工程材料强化方法综述 机制本科1101 杨清波 摘要：从工程材料强化本质和工业上工程材料强化的工艺两方面综合介绍了工程材料的强化方法。详细介绍了工程材料的强化本质方法和工业生产中的材料强化工艺。分析了在工业生产中各种强化方法的特点、效果及应用范围。介绍了一些强化工艺中的新技术。 关键词：细化晶粒，位错，固溶体，晶格畸变，强化，硬化，金属碳化物，热处理，相变0.引语 强度是材料在外力作用作用下抵抗永久变形和断裂的能力。在特定的工作环境中，某些构件需要承受较大的载荷或受到较大的冲击力等，那么这些构件需要有较高的力学性能，尤其需要有较高的强度。如何强化材料是工业生产中的一个非常重要的问题。强化材料方法在工业生产中有广泛应用。对材料进行强化可以扩大材料的应用范围，增加材料种类，降低生产成本。从材料的组织结构分析可得到多种强化原理，根据强化原理可制定多种强化工艺。下面，我对强化方法进行了初步的系统的总结。 1.工程材料强化方法原理 1.1晶界强化 1）界强化作用的直接体现者——细晶强化。金属的晶粒越细，则晶界数量越多，这样，由取向差效应和晶界原子排列不规则造成的强化效果越明显。多晶体的晶粒变形时，要求其周围的晶粒协同运动。多晶体滑移是多系滑移，以自身变形的同时，协调、配合相邻晶粒变形。造成位错发生交割，增大滑移变形阻力，从而使金属表现出高强度。 2）添加或减少微量元素含量，改善晶界状态。晶界的晶体结构不规则，原子排列混乱，晶格歪扭，又存在各种晶体缺陷(如位错、空洞等)，因此晶界在高温变形时是一个薄弱环节。在高温蠕变时，晶界形变量占总形变量的50％，因此强化晶界就成为高温合金强化的一个重要部分。一些有害杂质元素的溶解度很小且往往偏析于晶界，生成低熔点共晶化合物。硫在γ—Fe中的溶解度只有0.015％。因此合金中所含的硫在铁中易形成熔点为988C的Fe+FeS 低熔点共晶。硫在镍中会形成熔点只有644℃的Ni+Ni3S2共晶。这些低熔点共晶在晶界的形成会大大恶化合金的热加工性能和高温热强性。通常高温合金中的硫含量控制在0.015％以下，优质高温合金控制在0．005％～0.007％以下。 1.2固溶强化 固溶体的晶体结构和溶剂的相同，但因溶质原子的溶入引起晶格常数改变，形成点缺陷并导致晶格畸变，使位错移动阻力增加，合金的强度、硬度、电阻增高，塑性、耐腐蚀性降低。这种通过加入溶质元素形成固溶体，使合金强度、硬度提高的方法称为固溶强化。适当控制溶质元素的量，可以在显著提高合金强度的同时，又保持较高的塑性、韧性。因此，对综合力学性能要求高的零件材料，大都采用以固溶强化为基体的合金。 1.3分散强化 由弥散分布于基体中的细小第二相质点引起的强化称为分散强化。分散强化分为时效强化（也称沉淀强化）和弥散强化（又称第二相强化）。
一、金属强化的主要方法。 从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类： 一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。 另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。下面简要的予以介绍： 1、结晶强化 结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括： （1）细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。 （2）提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 2、形变强化 也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。如铜合金。 3、固溶强化 通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。 4、相变强化
金属的五种强化机制及实例 1 固溶强化 (1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。 （2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。 （3）实例：表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态) 对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。 2 细晶强化 (1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。 (2) 细晶强化机制：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。 (3) 实例：ZG35CrMnSi钢强化工艺 工件铸造后经过完全退火,正火,再进行亚温淬火加高温回火热处理。该工艺处理的主要好处在于提高了本工件的强度和韧性。分析如下：亚温淬火在原奥氏体晶界上形成细小的奥氏体晶粒，奥氏体面积也变大了数倍；杂质在晶界偏析较少，可以细化晶粒和减少晶界偏析；加热温度较低，晶粒长大倾向小，实际晶粒较细；淬火时，马氏体被细化，而且细小晶粒的交界面曲折多弯，可以阻挡裂纹的扩展，两相区淬火时碳化物的析出过程及碳化物的形态不同于普通淬火，可减轻回火脆性提高冲击韧度同时亚温淬火采取水冷，冷速的提高也使晶粒得到细化。所以亚温淬火在保持抗拉强度不变的情况下，可提高冲击韧度。由于亚温淬火，存在一部分未溶铁素体，可以提高材料整体的塑性。由以上分析可知，ZG35CrMnSi钢强化手段主要有细晶强化，第二相强化和位错强化。 3 形变强化 （1）随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化。形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷作硬化。 (2) 形变强化的机理是: 冷变形后金属内部的位错密度将大大增加, 且位错相互缠结并形成胞状结构(形变亚晶) , 它们不但阻碍位错滑移, 而且使不能滑移的位错数量剧增, 从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高。
材料的强化机制： 强韧化意义 提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础 提高金属材料强度途径 1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度 2.主要采用另一条途径来强化金属，即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 金属材料的强化 在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括 1.固溶强化 2.细晶强化 3.第二相粒子强化 4.形变强化 固溶强化 固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法 溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式 1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示 2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较为重要 细化晶粒可以提高金属的强度 1.晶界对位错滑移的阻滞效应 2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高 位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒
青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试 科目：工程材料及机械制造基础 姓名：杨鑫 学号：1101111097 班级：2011级本科三班 专业：机械设计制造及其自动化
浅议金属材料强化的途径、区别及应用 摘要：金属材料的强化途径有两个，一是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。搜索事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。另一强化途径是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm)，强度会急剧下降。有人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错，一旦有可动位错存在，强度就急剧下降了。从自前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。 关键词：细晶强化固溶强化影响因素规律应用 引言：对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。下面是关于细晶强化和固溶强化的研究。 一．细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。 一般金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。 因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高。 细晶强化的强化规律晶：界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。 细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。所以