[科普中国]-辐照强化

辐照强化是指由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子，这时缺陷阻碍位错运动，从而产生强化效应。

概念辐照强化是指辐照表面发生的细晶强化、加工硬化和相变强化过程。

利用激光辐照对结构件进行处理，以提高结构的耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳断裂能力。对低碳钢、高碳钢的研究表明：激光淬火对小裂纹确实有效，能使含小裂纹的试件的疲劳寿命恢复至无裂纹试件的水平，且使无裂纹试件的疲劳强度和寿命也能明显地提高。激光淬火后裂纹仍然处于开裂状态，如果采用激光熔焊处理，可使小裂纹完全消除，大尺寸裂纹即不能完全焊合，也会使裂纹减小及钝化，对提高抗疲劳断裂能力仍非常有效。通过光导纤维将激光束弓l导到现场，不用拆卸有裂纹构件，凡能照射到的地方都可以进行辐照处理，排除隐患确保安全，如果是非外露裂纹，必须拆卸后处理，这对外场维护和修理非常适用。

激光用于对材料的辐照处理，能使其微观组织改变、晶粒细化、第二相等物质分布均匀、位错密度增加、延缓位错胞形成及降低位错胞尺寸变化速率、生成表面残余压应力从而使合金强化，不但适用于有相变的金属，也适用于无相变的金属。辐照强化效果和许多因素有关，除了材料和构件的化学成分、构件的儿何形状和尺寸、辐照的方式、工作介质、表面状态及涂层等因素外，主要与功率密度和辐照时间(或扫描速度)有关，这就是材料和构件的辐照参量筛选要完成的任务。1

过程为了说明辐照强化的物理实质，必须了解在形变过程中位错的产生、分布和运动与流变强度的关系。阶段Ⅰ的强化可以认为是通过形成位错偶使大量位错受到羁绊而阻滞，但是偶中正负号位错的长程应力场在很大程度上互相抵销，因而位错偶只提供很小的阻止位错运动的应力场，导致阶段Ⅰ的强化效应微弱。阶段Ⅱ的强化模型很多，如位错塞积群长程应力强化模型(1952)，位错林强化模型(1959)，位错割阶强化模型(1960)，网眼长度强化模型(1962)，流变应力统计强化模型(1966)以及高位错密度区强化模型(1967)等等，每一种模型都解释一部分实验现象，但也存在不少问题。其中以西格(A.See-ger)根据莫特(F.Mott)所提出的位错塞积群长程应力强化模型比较经典，可得出流变强度与位错密度的线性关系式，同时推算的结果和实验结果也比较符合。形变强化的第Ⅲ阶段应力-应变曲线呈抛物线形，亦即强化效应逐渐下降，这是因为在高形变量下出现大量交滑移及异号位错兼并的缘故。由于应力的提高，有些位错可能绕过障碍前进，这些都减少强化效应。也就是说，在阶段Ⅲ有动态回复出现。在多晶金属的加工硬化过程中，阶段Ⅱ强化起决定性作用。为了保持多晶体塑性变性的连续性和协调性，每个晶粒发生变形时，必须有五个以上的滑移系统同时开动；所以，在多晶体里实际上不存在象单晶那样的阶段Ⅰ单系滑移和强化。

总之，形变强化决定于位错运动受阻，因而强化效应与位错类型、数目、分布、固溶体的晶型、合金化情况、晶粒度和取向及沉淀颗粒大小、数量和分布等有关。温度和受力状态有时也是决定性的因素。

一般来说，退火单晶的位错密度为106cm-2，变形量很大的金属可在1012cm-2以上。层错能低的金属比层错能高的金属加工硬化更为显著。细晶粒、有淀淀相、高速形变和低温形变都表现出较高的形变强化效应。

沉淀强化与弥散强化过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中（时效）发生脱溶分解。时效过程往往是很复杂的，如铝合金在时效过程中先产生GP区，继而析出过渡相（θ"及θ'）,最后形成热力学稳定的平衡相(θ)。细小的沉淀物分散于基体之中,阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。为了提高金属，特别是粉末冶金材料的强度，往往人为地加入一些坚硬的细质点，弥散于基体中，称为弥散强化。从弥散质点引起强化这一点来说，沉淀强化与弥散强化并没有大区别。但是,前一情况是内生的沉淀相,后一情况为外加质点；而且，在时效前期，沉淀相和基体之间往往保持共格或半共格关系，在每个细小沉淀物附近存在着一个较大范围的应力场，与位错发生交互作用，产生十分显著的强化作用。如果时效温度提高或时间延长，则出现非共格产物，强化效应下降，以致于合金强度降低，称为“过时效”；最后产生平衡相。因为沉淀引起合金元素的贫化，此时合金材料的强度甚至低于固溶体状态。弥散强化时，外加的质点在高温使用过程中也会聚集、长大以减少颗粒的表面能，同样会引起软化。2

金属材料表面强流脉冲离子束辐照强化具有超高温、超高压和强磁场等特性的强流脉冲离子束(HIPIB)辐照各种工程材料，可在瞬间(脉冲宽度