金属材料的强度水平

金属材料的强度水平金属物理研究指出：金属材料的理论强度，大约为其弹性模数E的1/5。铁基合金的弹性模数为200000MPa，所以它的理论强度应达到40000MPa的水平。但是目前实际使用的金属材料的强度水平高的是上千MPa，一般的则只有几百MPa。与理论强度相比，要低两个数量级。金属材料的实际强度之所以低，其主要原因在于金属材料是由多晶体组成，并且在晶体中存在着诸如位错、空穴、间隙原子等缺陷所致。晶体缺陷的存在，对金属材料的机械性能、物理性能、化学性能都有显著的影响。从理论上讲，提高金属材料的强度有两个方向：一是消除晶体缺陷，如制作晶须。晶须被认为是无缺陷的完整晶体，其强度可以接近理论强度。这一方面的工作，由于宇宙航行的需要，如碳晶须，硼晶须等已在使用。人们所能制造的晶须是很小的，如果大了，晶体中的缺陷就多了。小晶须可以用粘结剂粘结成复合材料。宇宙航行方面要求材料有很高的强度，高的弹性模数，重量又要轻，尽管用晶须制成的复合材料成本高，但可以满足宇航上对高强度的要求。对一般工业来说，我们提高强度所走的是另一个方向、另一条道路，这就是利用晶体缺陷。实际上我们的合金化、热处理，包括弥散强化、时效、冷变形强化等都是利用晶体缺陷以提高金属材料的强度的。在国外，对某些材料的位错密度已被列入有关的规范之中。当前，一般使用的金属材料的强度水平是：高强度冷拉高碳钢丝——5000MPa；某些具有贝氏体稳定区的合金钢，经低温形变热处理，然后再经冷变形时效（可制成棒材、板材），其强度可达——4000MPa；基体钢——3000MPa；高镍马氏体时效钢，低中合金的超高强度钢（如30CrMnSiNi，40CrNiMo等等），其强度水平可达——2500MPa；低碳马氏体、下贝氏体、中碳钢经淬火+低中温回火，其强度水平可达——2000MPa。球墨铸铁等温淬火后，强度水平可达1000MPa；90-2球墨铸铁正火状态，强度水平可达900MPa；40MnB的强度水平可达2000MPa；合金低碳马氏体的强度水平最高可达1800MPa；中碳钢经高频淬火后，疲劳强度可达600MPa；弹簧钢淬火+中温回火后进行喷丸处理，疲劳强度可达700MPa；中碳钢淬火+低温回火后进行滚压强化，疲劳强度可达800MPa。由上述可知，金属材料的强度水平不仅可以提高，而且也有提高强度的充分手段。现在的问题是，我们必须打消在提高金属材料使用强度水平上，存在的顾虑。主要顾虑是：强度提高了，材料的塑性和冲击韧性降低，是否能保证机件安全可靠？这是一个严肃的科学问题，必须认真对待。经过科学工作者的长期研究，已经圆满地解决了这个难题。从而，为进一步发挥金属材料的潜在性能，奠定了可靠基础。参考文献：1、西安交通大学周惠久教授〈材料强度研究及应用〉；2、上海材料所、西安交大主编〈金属材料强度〉。