2.2.4 金属强化原理
提高金属强度的基本原理是增加位错运动阻力。固溶体中的溶质原子、晶界和亚晶界、位错、第二相等均可以增加位错运动阻力起到强化作用。
对单晶体来说，当作用在位错上的切应力满足τb≥τm时，位错开始运动，开始发生塑性变形，对应的宏观应力是屈服强度。以此为根据，提高单晶体屈服强度的途径有三个：一是选用高结合能的材料制成单晶体提高τm；二是选择合适的加载方向使cosϕcosλ最小；三是制成理想晶体避免晶体中存在位错，如制备成细纤维即晶须。
实际中用的主要是多晶体，多晶体中无法避免位错的存在，所以提高材料强度的思路只能是增大位错运动的阻力。位错运动阻力除在单晶体塑性变形中介绍的晶格阻力τm外，还有来自晶界、亚晶界、位错、点缺陷、第二相等的阻力。提高位错运动阻力的方法很多，但从原理上可归结为以下四种：固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化。
2.2.4.1 固溶强化
当合金为单相固溶体时，随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。溶质原子使晶格发生畸变（图2-24），其周围的应力场阻碍位错运动从而使强度提高；溶质原子偏聚在位错周围，对位错产生钉扎作用，也使强度提高。
图2-25是Cu-Ni合金的力学性能与成分的关系。Cu-Ni合金属于无限互溶体，无论成分如何变化，只形成面心立方晶格的固溶体。从Cu一侧看，随Cu中Ni含量的增大，抗拉强度、硬度提高，而延伸率降低。从Ni一侧看，随Ni中Cu含量的增大，抗拉强度、硬度提高，而延伸率降低。概括起来，随溶质原子含量的增大，固溶体的强度、硬度提高，而塑性降低。固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体，间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的强化效果大。在置换固溶体中，影响固溶强化效果的因素有：①强度与溶质原子的浓度正相关，浓度越高，强度越高，见图2-24；②溶质原子与溶剂金属的原子尺寸差越大，强化效果（相关系数）越大，如图2-24中的Be、Sn、Al、Ni、Zn的强化效果依次减小；③溶质原子与溶剂原子的电负性差越大，则强化效果越大，如图2-24中的Si。概括起来一句话——溶质与溶剂原子的差别越大则强化效果越大，但饱和溶解度越小。间隙固溶体的固溶强化效果虽然非常大，但是，只有少数原子（C、N、P、H等）能形成间隙固溶体，最常见的是钢中的原子C和N，其他原子都形成置换固溶体。图2-26是合金元素对铁素体硬度的影响。P的强化效果虽然非常大，但它显著降低钢的韧性，是要尽量降低其含量的元素。其他几个元素都是钢中常加的合金元素。
图2-24 合金元素对铜屈服强度影响
（1psi=6894.76Pa）
图2-25 Cu-Ni合金的力学性能与成分的关系
图2-26 铁素体硬度与溶质原子含量的关系
2.2.4.2 细晶强化
通过细化晶粒能同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性，称细晶强化。详细内容见2.2.3节的介绍。
2.2.4.3 位错强化
位错通过两种机制产生强化作用：一是位错缠结形成亚晶界产生强化作用，详细内容见2.2.3节的介绍；二是割阶机制。如图2-27（a）所示，在滑移面Ⅰ上运动的某一位错b1与穿过此滑移面上的另一位错b2交割，位错交割的结果使位错b2产生弯折，生成位错折线，
如图2-27（b）所示，折线增加位错线的长度，形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，增加位错运动阻力，产生强化。无论哪种强化机制，强化作用随位错密度提高而增大。
图2-27 位错强化的割阶机制
2.2.4.4 第二相强化
当分析组织和性能时，有时“相”指的是“组织”概念，如双相钢指组织由铁素体（F）加马氏体（M）组成的钢，双相不锈钢指组织是F+A（奥氏体）的不锈钢，F+P又称双相组织。
对固溶体而言，除了通过提高溶质原子浓度即固溶强化、细化晶粒和亚晶粒（细晶强化）和位错密度（位错强化）来提高强度外，还可以在固溶体内增加细小粒状第二相提高强度。
当固溶体基体上分布有第二相粒子时，位错运动受到粒子阻碍而弯曲，需要增大应力才能通过粒子，在粒子周围留下一个位错环，如图2-28（a）所示，图2-28（b）是透射电镜下观察到的位错绕过粒子的照片。由于第二相粒子的存在增加的切应力阻力是：
（2-8）
式中，G是剪切弹性模量；b是位错的模；s是粒子间的平均距离。
图2-28 位错绕过第二相粒子
如果第二相粒子可以变形，则位错可能切过第二相粒子，如图2-29所示。位错切过粒子，增加了新的表面，需要吸收额外能量，增加了位错运动阻力，起到了强化作用。
图2-29 位错切过第二相粒子照片
第二相粒子能起到强化作用，那么如何形成第二相粒子呢？有两种方法：一是将金属粉末与化合物颗粒如WC等混合，然后经过压实烧结而成，用这种粉末冶金法得到的第二相强化方法称为弥散强化；二是通过固溶处理或淬火得到过饱和固溶体，然后经过时效或回火得到第二相粒子，称其为时效强化、沉淀硬化等。固溶强化和时效强化是提高有色金属材料的主要方法，而淬火和回火则是提高钢铁材料强度最常用的方法。
知识巩固2-5
1.纯金属的强度最低。当合金为单相固溶体时，随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降。（ ）
2.当溶质原子的含量相同时，间隙固溶体比置换固溶体具有更大的固溶强化效果。（ ）
3. Si、Mn、Ni等合金元素代替Fe原子形成铁素体（也称为合金铁素体），其强度提高，并且合金元素越多，其强度越高。（ ）
4.通过细化晶粒，不仅能提高强度，还能提高塑性和韧性。（ ）
5.位错密度越高，则强度越高。（ ）
6.把一段铁丝进行反复弯折，弯折处强度提高，塑性降低，逐渐产生裂纹，导致最终断裂。（ ）
7.位错可以绕过细小的第二相颗粒，这些细小的第二相不能提高强度。（ ）
8.位错可以切过细小的第二相颗粒，这些细小的第二相不能提高强度。（ ）
9.如果能在铁素体内生成一些细小的碳化物第二相，则可以提高其强度。（ ）
10.通过形成固溶体、细化晶粒、提高位错密度、增加硬质的第二相都能提高强度。（ ）