對(duì)工程材料來(lái)說(shuō)，一般是通過(guò)綜合的強(qiáng)化效應(yīng)以達(dá)到較好的綜合性能。具體方法有固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化、細(xì)化晶粒強(qiáng)化、擇優(yōu)取向強(qiáng)化、復(fù)相強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等，這些方法往往是共存的。這是一篇發(fā)表在《金屬功能材料》上的金屬材料與工程學(xué)術(shù)論文。

　　《金屬功能材料》系由中國(guó)金屬學(xué)會(huì)功能材料分會(huì)與鋼鐵研究總院合辦的專業(yè)技術(shù)刊物，報(bào)道內(nèi)容以永磁、金屬軟磁、貯氫合金和電池、形狀記憶合金及其它高科技金屬功能材料、生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備等的最新科研成果及發(fā)展動(dòng)向?yàn)橹鳎�并刊登大量�?guó)內(nèi)外相關(guān)信息及市場(chǎng)動(dòng)態(tài)。主要欄目有綜合述評(píng)，試驗(yàn)研究，環(huán)球信息，簡(jiǎn)訊，工藝設(shè)備，理化測(cè)試和行業(yè)動(dòng)態(tài)等。

　　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(qiáng)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(guò)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(qiáng)化方式的分類

　　(一)結(jié)晶強(qiáng)化

　　結(jié)晶強(qiáng)化就是通過(guò)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)化晶粒可以使金屬組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(qiáng)化。同時(shí)也改善了韌性，這是其它強(qiáng)化機(jī)制不可能做到的。

　　2、提純強(qiáng)化。在澆注過(guò)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(duì)金屬材料的性能有很大的影響。在損壞的構(gòu)件中，常可發(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(qiáng)化

　　金屬材料經(jīng)塑性變形后，其強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化。變形過(guò)程中，位錯(cuò)密度升高，導(dǎo)致形變細(xì)胞的形成和不斷細(xì)化，對(duì)位錯(cuò)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(qiáng)變化的主要原因。

　　(三)固溶強(qiáng)化

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

　　固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是由于溶質(zhì)原子造成了點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場(chǎng)將與錯(cuò)位應(yīng)力場(chǎng)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(cuò)位運(yùn)動(dòng)。

　　(四)相變強(qiáng)化

　　合金化的金屬材料，通過(guò)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(qiáng)化，稱為相變強(qiáng)化.相變強(qiáng)化可以分為兩類：

　　1、沉淀強(qiáng)化(或稱彌散強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)低合金熱強(qiáng)鋼高溫強(qiáng)化最有效的是體心立方晶系的碳化物。

　　2、馬氏體強(qiáng)化。金屬材料經(jīng)過(guò)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(qiáng)化。但是，馬氏體強(qiáng)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(qiáng)化方法。

　　(五)晶界強(qiáng)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(shí)，晶界阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因而晶界強(qiáng)度高于晶粒本身;但在高溫時(shí)，沿晶界的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)擴(kuò)散速度大得多，晶界強(qiáng)度顯著降低。因此強(qiáng)化晶界對(duì)提高鋼的熱強(qiáng)性是很有效的。硼對(duì)晶界的強(qiáng)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(kuò)散過(guò)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(guò)程;此外，它們還有利于碳化物相的穩(wěn)定。

　　(六)綜合強(qiáng)化

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

　　1、固溶強(qiáng)化十形變強(qiáng)化，常用于固溶體系合金的強(qiáng)化。

　　2、結(jié)晶強(qiáng)化+沉淀強(qiáng)化，用于鑄件強(qiáng)化。

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

　　4、固溶強(qiáng)化+沉淀強(qiáng)化。對(duì)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(shí)還采用硼的強(qiáng)化晶界作用，進(jìn)一步提高材料的高溫強(qiáng)度。

　　(七)熱處理

　　退火：產(chǎn)品加熱到一定溫度并保溫到一定時(shí)間后以一定的冷卻速度冷卻到室溫。通過(guò)原子擴(kuò)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(qiáng)度會(huì)降低。

　　1、鑄錠均勻化退火：在高溫下長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)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(qiáng)度。

　　從金屬材料的強(qiáng)化途徑來(lái)看，金屬材料的強(qiáng)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(qiáng)度，并制得無(wú)缺陷的完整晶體;另一強(qiáng)化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷，如位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、異類原子、晶界等，這些缺陷阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)明顯地提高金屬?gòu)?qiáng)度。事實(shí)證明，這是提高金屬?gòu)?qiáng)度最有效的途徑。