金属材料强化机理及途径

对于金属多晶体材料，提高屈服强度的方法是建立在塑性变形机理——滑移与位错运动理论的基础之上的。在金属晶体内设置和增加阻止位错运动的各类障碍物，提高晶体发生塑性滑移的阻力，从而提高材料的屈服强度。

根据多晶体材料基体中位错运动障碍物的三维几何特征和显微组织的复相结构，金属及钢铁材料的屈服强度主要由以下几方面强化机理与途径决定，即

YS＝σ₀＋△σ_SS＋△σ_DIS＋△σ_GB＋△σ_PP＋△σ_Ph （2-4）

式中 σ₀——基体强度，由晶格点阵结构和内耗确定；

△σ_SS——固溶强化增量，零维，由置换固溶和间隙固溶元素含量决定；

△σ_DIS——位错强化增量，一维，由加工硬化、位错密度和回复亚结构决定；

△σ_GB——晶界强化增量，二维，由晶粒尺寸和晶界密度决定；

△σ_PP——析出强化增量，三维，由析出相颗粒尺寸、形貌、数量、分布决定；

△σ_Ph——相变强化增量，由珠光体、贝氏体、马氏体等第二相和第三相的数量、形貌、

尺寸和分布决定。

在这个强化理论基本公式中，每一项强化增量可以根据各自的强化机理分别进行理论计算。例如，位错强化增量可以根据位错基本理论表达为

△σ_DIS＝αμbρ^0.5 （2-5）

或者用简化的Pickering方程表达为

△σ_DIS＝1.2×10^-3ρ^0.5 （2-6）

式中 α——经验常数；

μ——切变模量（MPa）；(www.xing528.com)

b——柏氏矢量（cm）；

ρ——位错密度（位错线数目/cm²）。

析出强化增量可以用Ashby-Orowan模型表达为

式中 f——析出相体积分数；

——析出相的平均面截距直径。

最重要的是晶界强化增量的计算公式Hall-Petch公式（1953），即

式中 σ_y——材料在没有其他强化因素（固溶、位错、析出、相变）条件下的屈服强度；

K——晶界强化系数；

d——平均晶粒尺寸（mm）。

Hall-Petch公式的重要性在于晶界强化是所有强化方法中唯一可以同时提高屈服强度和低温韧性的强化途径。随着晶粒尺寸的减小，在屈服强度按照Hall-Petch规律增大的同时，材料的韧脆转变温度降低，如Helslop-Petch公式所示为

式中 T_TR——材料的韧脆转变温度（Ductile-Brittle Transition Temperature）；

A——由材料晶体结构和相结构决定的常数；

B——晶界韧化系数。

由此引起的细化强韧化导致了钢铁工业20世纪后半叶的一场技术革命，在全世界范围内建立起各种现代热轧形变热处理TMCP工艺线和机组，大幅度提高了低碳钢、低合金钢和微合金钢的屈服强度、低温韧性、焊接性和综合性能，包括热轧钢筋和棒线材。

但是，在20世纪70年代—90年代钢材细化强韧化技术在全球迅速发展的30多年间，钢材的强塑化技术发展却十分缓慢。