金屬材料的強韌化1)

馬 彥 袁福平

(中國科學院力學研究所，北京100190)

(中國科學院大學工程科學學院，北京100049)

材料是人類文明進步的基石，從石器時代到青銅器時代、鐵器時代，再至現(xiàn)在所處的新材料時代，人類文明的每一次進步都離不開新材料的發(fā)明和使用。自人們發(fā)現(xiàn) “百煉成鋼” 的奧秘開始，金屬材料就因其獨特而優(yōu)異的性能，成為各種材料中使用最廣泛、頻繁的材料之一。在交通運輸、建筑結構、武器裝備等領域，金屬材料都發(fā)揮著不可替代的作用。2019 年，我國的年鋼鐵生產總量超過世界總產量的一半以上，鋼鐵工業(yè)也穩(wěn)居我國國民生產總值的支柱產業(yè)地位。

金屬的強度與韌性是其作為結構材料使用時最重要的兩個力學性能指標。通常，材料的強度與韌性之間存在相互制約的關系，即強度高的材料韌性差，韌性好的材料強度低，這種倒置關系已經成為材料發(fā)展的一個重要的瓶頸問題[1]。為了滿足結構減重、安全設計及節(jié)約資源等目的，合理地提高金屬材料的強度與塑性，即“強韌化”設計顯得尤為重要。“國家自然科學基金 ‘十三五’ 發(fā)展規(guī)劃” 將 “高性能輕質金屬材料的制備加工和性能調控” 列為優(yōu)先發(fā)展的領域之一。歷史上一些重大的事故大多也與金屬材料的力學行為密切聯(lián)系：“泰坦尼克號” 的沉沒與金屬材料低溫 “韌脆轉變” 相關、“911” 世貿大樓的坍塌與金屬高溫軟化相關?？梢?，在一些極端的使用環(huán)境中，金屬材料的強度和韌性對結構的承載力與安全性尤為重要。

大多數(shù)金屬都是晶體，在微觀世界里由一個個原子按照特定規(guī)則排列成晶胞，再通過晶胞的周期性重復組成大小、方向不同的晶粒，單個晶粒的尺寸從幾納米到幾十微米，甚至到厘米量級不等；宏觀上再由這些晶粒堆疊成實際物質[2-3]。生活中常見金屬的晶體結構主要有三類(如圖1)：面心立方結構(face cantered cubic,FCC)、體心立方結構(body centered cubic, BCC) 和密排六方結構(hexagonal close packed, HCP)。事實上，由原子完美排列形成的理想晶體是不存在的。理想晶體變形時所需的理論剪切應力約為幾十吉帕 (σCu= 30 GPa)，而實際晶體在幾十至幾百兆帕的應力下就開始變形兩者相差 3 個數(shù)量級。這兩者的巨大差距最初由Orowan，Taylor 和 Polanyi 在 1934 年分別獨立提出的“刃位錯”概念加以解釋，隨后通過透射電子顯微鏡直接觀察到位錯而證實[2]。實際的晶體中含有大量的點缺陷 (空位)、線缺陷 (位錯)、面缺陷 (晶界、相界) 等，刃位錯即是一種線缺陷?！叭毕荨?一詞雖帶有負面意思，但對于晶體材料來說，它很大程度上決定材料的性能，如強度、導電率和擴散系數(shù)等。實際上，晶體材料發(fā)生塑性變形，主要通過材料內部位錯的滑移及位錯的交互作用進行。這也使得材料學家可以通過設計調控缺陷的種類、大小和密度等手段提高材料的特定性能。

圖1 三種常見的金屬晶體結構

金屬材料的傳統(tǒng)強化手段有四種(圖2)：固溶強化、析出強化、細晶強化和相變強化，皆與晶體中的缺陷相關[3-4]：

(1) 固溶強化

固溶強化是目前金屬材料領域使用最廣泛、也是最成熟的一種強化方式。通常，在純金屬中加入少量其他金屬，形成溶質原子熔入溶劑晶格而仍保持溶劑類型的合金相就稱為固溶體。如最常見到的錳鋼、鋁合金、鈦合金等，都是通過溶質原子替換原本溶劑原子而產生強化作用。比如錳鋼中，鐵原子為溶劑，錳原子為溶質，由于鐵與錳原子半徑、電負性等均不同，就在晶體局部造成較大的晶格畸變等物理和化學上的變化。這些局部位置的變化對位錯的滑移運動有阻礙作用，從而起到金屬強化的作用。通過晶格位置的替換形成的固溶體叫做置換固溶體。溶質原子同樣可以溶解到溶劑原子組成的間隙里，稱為間隙固溶體。例如，C 或 N 原子溶解至 Fe 中，會占據(jù)Fe 晶胞中的八面體間隙或四面體間隙。處于間隙中的原子會在原本的晶體結構中產生很大的應力場，這些應力場會與位錯的應力場產生交互影響，從而釘扎或拖拽位錯，發(fā)揮強化作用。

圖2 四種傳統(tǒng)的強化方式示意圖

(2) 析出強化

析出強化指由于某一元素達到極限溶解度或與母相化學性質不同，而在母相中沉淀析出另外一種尺寸較小的新相，有時也稱為沉淀強化或第二相強化。新形成的第二相顆粒破壞了母相中的對稱性，形成較大的錯配應力場，因此第二相顆粒在母相中可以充當位錯的 “釘扎點”，當位錯 “繞過” 或者 “切過”第二相顆粒時，需要達到一個臨界切應力。這個切應力與第二相顆粒的大小和密度有關。Gladman[5]通過將第二相比喻成不可變形體，計算位錯繞過所需的臨界切應力為：?τ=Gb/d,式中d為第二相顆粒的間距，b為位錯滑移的柏氏矢量?？梢?，當?shù)诙囝w粒間距越小時，所需的臨界切應力越大，強化效果越好。

(3) 相變強化

相變強化是指通過對原金屬進行一定的熱處理(如淬火) 或化學處理 (如輻照)，而使原金屬由一種晶體結構轉變成另一種晶體結構的方式，起到強化效果。最常見的便是“馬氏體相變”，由法國科學家Osmond 在1879 年通過光學顯微鏡發(fā)現(xiàn)鋼的這種組織，為紀念德國冶金學家Martens，所以就把這種相命名為 “馬氏體相”。例如，低碳鋼在 920?C 左右進行淬火處理就可以由原先易變形的鐵素體相變成板條狀馬氏體相。馬氏體相是一種硬度極高的組織，最主要的原因是間隙原子(如C)在馬氏體相中溶解引起的固溶強化效果，其次因為細化的晶粒、高密度孿晶和高密度位錯阻止了位錯的滑移，所以馬氏體相很難發(fā)生大的塑性變形?！稘h書》中記載，“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”，其中的科學道理便是來源于此。

(4) 細晶強化

如前所述，金屬材料微觀上都是由大量的晶粒堆疊而成。1651 年，Hall[6]和 Petch[7]經過大量的實驗得出多晶體的屈服應力與晶粒尺寸的經驗關系：σ=σ0+kd?1/2，式中σ0為晶體中位錯運動的摩擦阻力，與材料種類相關；k為常數(shù)，需通過實驗求得；d代表晶粒尺寸。由此可見，當減小晶粒尺寸時，由于晶界與位錯的交互作用的影響，晶體的屈服強度會大幅地提高。細晶強化也是工業(yè)界常用的一種金屬強化手段。通常熔煉后的金屬材料要經過鍛造、軋制、高壓扭轉、擠壓等嚴重塑性變形(severe plastic deformation, SPD), 使晶粒細化，達到提高材料強度的目的。當然，最新的研究表明，當晶粒尺寸細化至10 nm 以下時，由于熱穩(wěn)定性等因素的影響，材料反而會出現(xiàn)軟化[8]。

上述介紹的四種金屬傳統(tǒng)強化手段，大多以犧牲塑性為代價，從而提高材料的強度。材料科學家們從自然界中獲取靈感設計出一些新穎的微觀結構，如堅硬的貝殼由表及里，細胞由小到大；再如堅韌的竹子則是一種層片結構。由此出發(fā)，將金屬材料設計成梯度結構、層片結構，均被證實能夠有效地提高材料的性能。與傳統(tǒng)材料的均勻結構相比，這些擁有新型的微觀結構特征的材料被稱為“異構材料”。目前，學術界研究的熱點主要集中在：梯度結構[9-10]、層片結構[11-12]、雙相結構[13]、雙峰結構[14]、多級結構[15]及納米孿晶結構[16]等異構材料。簡單來說，這些異構材料共同的特點是在完整結構中都存在“軟區(qū)”和“硬區(qū)” 的結構單元，這些力學性能不同的區(qū)域在發(fā)生塑性變形時，在界面處會產生較大的應變梯度，軟相和硬相之間會產生較大的長程背應力[17]，從而由于應變梯度效應和背應力硬化來提高強度和塑性。

材料是一個既古老又充滿挑戰(zhàn)的學科。金屬材料的 “強韌化” 一直都是材料領域關注的難點和熱點問題?！爱悩嫴牧稀?的提出，以及目前以等原子比或近等原子比設計而成的“高熵合金”，都是金屬材料發(fā)展歷程中具有“里程碑”意義的新材料。這些新材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，不僅滿足人們日益增長的對特殊性能材料的追求，同時在節(jié)約社會資源、保障國家安全等方面發(fā)揮著重要的作用。金屬材料的 “強韌化” 領域也存在很多科學問題亟待解決，這也使得材料科學與其他學科的交叉融合勢在必行。