材基中強化機制有哪些，對於一種材料，怎麼區分它適用哪種強化機制？

材料科學基礎教科書上往往都會講到最常見的四種強化方式，

細晶強化、固溶強化、加工硬化和析出強化

。

在說強化機理之前，必須明白一點，即對於金屬材料而言，其變形方式是依靠位錯來實現的。所謂的強化，即使得位錯運動變難，也就是阻礙位錯運動才能達到強化的效果。因此所謂的強化，就是使用不同的手段來阻礙位錯的運動。

細晶強化

，即透過某些手段將材料的晶粒細化，從而達到強化材料的效果。細晶強化的作用機理是大量的高角晶界對位錯滑移的阻礙作用，即位錯在切應力作用下滑移至晶界區域後無法直接越過晶界，只能在晶界處積聚（pile up），最後隨著外加應力增大，在相鄰晶粒內部開動位錯源，從而使得變形繼續。這裡需要增大外加應力才能達到此效果，即材料強度提高了。注意小角晶界對位錯的阻礙作用並不顯著，因而難以提供顯著的強化作用。

晶界阻礙位錯運動，圖片來源［1］

細晶強化可用經驗性公式來表達晶粒尺寸與材料強度之間的關係，即著名的Hall-Petch公式：

Hall-Petch公式，圖片來源［1］

固溶強化

，是指向基體材料中加入固溶元素，從而提高材料強度的方式。固溶強化的機理一般認為是雜質原子/固溶原子對位錯運動的阻礙作用。典型的固溶強化例子為鋼。鋼是指含碳量為0。0218wt%—2。11wt%的鐵碳合金，即碳溶於鐵中形成的固溶體。

這裡的固溶原子對位錯運動的阻礙，可以理解為固溶原子的引入，帶來材料內部應變場的改變，並作用於位錯產生的效果。例如，若固溶原子尺寸小於基體原子，則引入一個固溶原子會對其周圍的基體原子產生拉應變；而位錯半原子面上方原子承受的為壓應變，這樣為了降低材料內部總的應變場，比基體原子小的固溶原子就會進入到位錯半原子面的上方。如此一來，既降低系統總的應變，一旦位錯運動，將會增加系統的總應變能，也就意味必須對系統做功，即施加力；第二，位錯開動以後，固溶原子會對位錯產生一個拖拽作用，again，增加了位錯運動的阻力，因而起到了強化材料的作用。

溶質原子進入位錯，圖片來源［1］

加工硬化

，即透過對材料進行冷變形而達到強化的目的。最常見的例如鐵絲擰幾下之後會變得比之前更硬。這是由於材料變形後在內部產生大量的同號位錯，這些同號位錯之間會相互排斥，從而使得後續位錯更難產生（即形核）和運動（即滑移），因此必須施加更大的外加力才能使材料繼續變形，這就是所謂的加工硬化。

析出強化

，有時也叫彌散強化，即透過熱處理工藝，在材料內部析出產生大量彌散析出相，這些細小的彌散析出相對位錯運動具有明顯的阻礙作用，從而起到強化材料的作用。析出強化在鋁合金中應用十分廣泛。

析出相阻礙位錯運動，圖片來源［2］

值得注意與說明的是，

第一，以上四種強化機制未必是單獨存在，在有的材料裡面可能會有多種強化機制並存的情況，例如鋼裡面會同時使用固溶強化、析出強化、加工硬化，共同提高材料強度。

第二，在其基礎上還能夠演化出一些其他的強化方法。例如在材料裡面大量引入孿晶界，高密度的孿晶界同樣可使得材料強度得到強化，甚至不損失塑性，成為一種備受矚目的強化方式［3］。

第三，每種強化方式都具有一定的侷限性。例如，細晶強化並不能無限強化材料，當材料的晶粒尺寸在奈米尺度時，繼續使晶粒尺寸減小並不能強化材料。

參考資料

［1］ Callister Jr W D， Rethwisch D G。 Fundamentals of materials science and engineering： an integrated approach［M］。 John Wiley & Sons， 2012。

［2］ 潘金生， 仝健民， 田民波。 材料科學基礎。修訂版［M］。 2011。

［3］ Lu L， Chen X， Huang X， et al。 Revealing the maximum strength in nanotwinned copper［J］。 Science， 2009， 323（5914）： 607-610。

有哪些材料科學上的事實，沒有一定材料學知識的人不會相信？ - AlwaysYang的回答

有哪些材料科學上的事實，沒有一定材料學知識的人不會相信？