改善金属材料强度的方法研究
摘要本文结合金属材料学课程所学知识，就金属材料常见的强化理论展开分析和探讨。
关键词材料；金属；强度；位错
中图分类号tg14 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）82-0029-02
我们总希望金属材料在使用时具有优良的机械性能，即有足够的强度，又有良好的韧性，但通常材料的力学性能往往二者只能居其一。
要么强度高韧性差，要么是韧性好强度低，对于金属材料而言，它具有良好的塑性韧性，可拉伸得更长，但是强度不够，故提高金属材料的强度成为改善金属材料性能的关键。
1 金属材料的强化理论
金属材料的塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此任何阻碍位错运动的因素都可以成为改善金属材料强度的措施。
理想状况是完全消除金属内部的位错及其它缺陷，使其强度接近理论强度。
最新的研究成果表明：可以制造出没有位错的高强度金属晶须[1]，但其实际应用还有难度，因为这样获得的高强度很不稳定，对表面状况及操作效应均非常敏感，如果位错一旦产生，其强度就会明显下降，所以，在实际的生产中，我们还是通过在金属中引入大量的缺陷以阻碍位错的运动来改善金属材料的强度。
2 金属材料的强化手段及措施
2.1 细晶强化
细小的晶粒既可以提高材料的强度，又可以提高材料的塑性和韧性，这是因为晶粒越细小，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样的变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形的不均匀性便越小，相对来说引起应力集中也应越小，开裂的机会也就相应地减少了。
此外，晶粒越细，晶界的曲折越多，更不利于裂纹的传播，从而使其在断裂之前承受较大的变形，表现出了良好的塑性。
同时细晶粒金属中的裂纹不容易形成，在断裂时吸收了更多的能量，表现出了良好的韧性。
实际生产中通常通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒是提高金属材料力学性能的有效途径。
2.2 合金强化
实际使用的金属材料绝大多数是合金，合金元素的作用主要就是提高金属的强度和塑性，合金元素对金属力学性能的影响是多方面的。
1）固溶强化：
固溶强化是利用点缺陷对金属基体进行的强化，金属材料中存在有固溶原子时，固溶原子必然会引起周围晶格的畸变，在其周围产生一个应力场，由于固溶原子应力场与位错应力场相互作用的结果，溶质原子具有向位错偏聚而形成一个原子气团的倾向，这时位错的运动要么摆脱这种原子气团，要么拖带着原子气团一起运动，摆脱原子气团需增加一部分外力以克服它与位错间的相互吸引，如果拖带原子气团一起运动，外力也需增加一个附加量，所以，当位错上有原子偏聚时，位错运动的难度提高，金属得以强化。
固溶强
化的程度取决于以下几个因素：
（1）溶剂原子和溶质原子之间尺寸大小的差别。
差别越大，原始晶体结构受的干扰越大，位错滑移越难；（2）合金元素的溶入量的多少。
加入的合金元素量越多，强化效果越明显。
若加入过多太小或太大的原子，则会超过其溶解度。
这时会涉及到分散相强化机制；（3）间隙原子较置换原子具有更明显的固溶强化效果；（4）基体金属与溶质原子的价电子数相差越大，固溶强化作用越明显。
2）弥散强化：
2.3 形变强化
塑性变形后的金属材料内部的位错密度的增加，在运动过程中与其它位错相遇的机率增多，由于形变造成的位错组态的变化，形变位错林的形成，出现位错堆积和缠结现象，使得位错运动阻力增大，塑性变形抗力增加。
因此，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，即加工硬化。
该方法对于哪些不能用热处理强化的金属来说尤为适合，但形变强化也会给金属的进一步加工带来困难。
2.4 相变强化
相变强化是通过热处理或形变诱发，使材料全部或部分地由低弹性模量相转变为高弹性模量相而达到强化。
由于位错运动所需的外力总是正比于材料的弹性模量，所以当材料中产生大量高弹性模量的第二相后，位错在材料中的运动受到的平均阻力增大，因而整体材料的强度得到提高。
如钢中奥氏体淬火可以得到高硬度的马氏
体相，避免产生低强度的铁素体，从而提高材料的强度。
实践中也广泛采用形变诱发马氏体相变的方法，在材料中形成高硬度的马氏体来强化金属材料。
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。
2.5 高温强化
高温下金属材料的强化开始是通过使用高熔点或扩散激活能大的金属和合金来实现的，这是因为在一定温度下，熔点越高的金属自扩散越慢，它的回复和攀移的速率就越小，强度也愈高，此外，高温合金中存在的第二相粒子强烈的阻碍了位错的滑移和攀移，显著地提高了金属材料的强度。
另外，可以改善晶界的结构状态，以增加晶界强化作用，或者消除晶界以消除晶界在高温时的薄弱环节。
3 结论
总之，金属材料在不断地发展进程中，强化理论一直是研究的重点和热点，如上所列都是较为常见的、较为成熟的强化手段，一些新的强化理论的出现和研究是材料学科不断前进的动力和源泉，所有这些都有待进一步学习和应用。
参考文献
[1]冯瑞，师昌绪，等.材料科学导论[m].北京.化学工业出版社，2004，4：442-449.
[2]王昆林.材料工程基础[m].北京：清华大学出版社，2003，9：272-300.。