金属材料的强度和韧性及提高途径

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强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，例如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。

韧性是指金属材料在断裂前吸收塑性变形能量的能力，衡量含有裂纹的材料发生断裂所需的能量大小，如冲击韧性、断裂韧性等。材料越韧，引起裂纹扩展到断裂所需的能量就越多。

Fig. 1 Ultimate tensile strength vs. ductility map of HEAs relative to conventional alloys. SS, AHSS, and TRIP represent stainless steels, advanced high-strength steels, and transformation-induced plasticity, respectively （Progress in Materials Science 136 (2023) 101106）

Fig. 2. Ashby plot of fracture toughness vs. yield strength of HEAs in context with conventional alloys/metals. The dotted lines reflect the size of the process zone at the crack tip （Progress in Materials Science 136 (2023) 101106）

提高金属材料强度的方法：

固溶强化：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。影响因素包括溶质原子的原子分数、原子尺寸差异、类型（间隙型溶质原子比置换原子效果好）以及与基体金属的价电子数目相差等。

加工硬化（形变强化）：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。其原理是位错间发生交截、反应、增殖等，使位错运动阻力增大。可采用冷变形，如冷压、滚压、喷丸等方法。

细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高。原理是细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多晶粒内，塑性变形较均匀，应力集中较小，且晶界面积越大、越曲折，不利于裂纹扩展。方法有增加过冷度、变质处理、振动与搅拌，以及控制冷变形金属的变形度、退火温度等，还可在钢中加入合金元素抑制晶粒长大。

第二相强化：当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，产生显著的强化作用。分为不可变形微粒的强化作用（绕过机制）和可变形微粒的强化作用（切过机制）。弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。

相变强化：通过一定工艺使金属材料中的相或组织发生转变而产生强化效应，综合了固溶强化、沉淀强化、细晶强化等多种强化效应。例如钢的淬火热处理，淬火形成的马氏体是过饱和固溶体，有强烈的固溶强化效应，且马氏体中的位错密度较高，有位错强化效应，其束取向不同且细小，有细晶强化作用，将淬火马氏体再回火，可析出大量细小弥散分布的碳化物，产生第二相强化。

晶界强化：向钢中加入微量的表面活性元素，如硼和稀土元素等，产生内吸附现象浓集于晶界，可显著提高钢的蠕变极限和持久强度。晶界强化的本质在于晶界对位错运动的阻碍作用，晶粒越细小，晶界越多，阻碍作用越大，强化效果越好，同时还能改善钢的韧性。

提高金属材料韧性的方法：

成分和结构设计方面：

合金化：掺入不同元素或化合物调整材料组成和结构，如在钢铁中加入 C、Mn、Ni、Cr、Mo、V 等合金元素。

控制晶粒尺寸：通常晶粒尺寸越小，韧性越高。

界面设计：合理设计金属材料微观结构中的界面，如进行表面处理、添加复合相等。

加工和热处理方面：

冷变形加工：使金属材料组织和晶粒发生变化，从而提高韧性和塑性。

热处理：包括退火、正火、淬火等方法。例如，对于钢材，正火处理可提高其强度和韧性，同时减少脆性；制备纳米晶金属材料，由于其小尺寸和高界面密度，表现出卓越的力学特性和优良的韧性。

Fig. 3. Comparison of (a) elongation vs. tensile strength and (b) elongation vs. yield strength of HEAs in context with other conventional materials[. DPHL-dual-phase heterogeneous lamella.

同时提高强度和韧性的方法：

综合运用上述强化机制和方法，例如通过控制材料的成分和加工工艺来优化组织和性能，如控制合金元素的含量、选择合适的热处理工艺等；采用复合材料或多相材料的设计来实现强度和韧性的结合；利用表面处理或涂层技术提高材料的表面强度和韧性等。具体可根据实际需求和材料特性选择合适的方法。同时，需要注意的是强度和韧性往往存在一定的矛盾，在提高强度的同时要尽量避免韧性的过度降低。此外，不同的强化方法可能对不同的强度指标有不同的效果，需要根据具体情况进行选择和调整。