材料强度学_固溶强化

1、材 料 强 度 学 固溶强化固溶体固溶体Solid Solution(SS)液体溶液液体溶液？固体溶液固体溶液合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。固溶体：固溶体：溶剂：溶剂：原晶体原晶体溶质：溶质：外来原子外来原子固溶体固溶体、化合物、机械混合物的区分、化合物、机械混合物的区分固溶体固溶体、化合物、机械混合物的区分、化合物、机械混合物的区分固溶体固溶体、化合物、机械混合物的区分、化合物、机械混合物的区分固溶体的分类固溶体的分类1 1、按杂质原子在固溶体中的位置分类、按杂质

2、原子在固溶体中的位置分类（1 1）取代（置换）型固溶体：杂质原子进入原晶体中正常格点的）取代（置换）型固溶体：杂质原子进入原晶体中正常格点的位置。绝大部分固溶体是这种类型。位置。绝大部分固溶体是这种类型。例如：例如：MgOMgO和和CoOCoO都是都是NaClNaCl结构结构 离子半径离子半径：MgMg2+2+: 0.066nm; Co: 0.066nm; Co2+2+: 0.072nm: 0.072nm MgOMgO中的中的MgMg2+2+位置可无限地被位置可无限地被CoCo2+2+占据，生成占据，生成MgMgx xCoCo1-x1-xO(x=0O(x=01)1)（2 2）填隙型固溶体：杂质

3、原子进入溶剂晶格中的间隙位置）填隙型固溶体：杂质原子进入溶剂晶格中的间隙位置2 2、按杂质原子在晶体中的溶解度划分、按杂质原子在晶体中的溶解度划分（1 1）无限固溶体：溶质和溶剂两种晶体可以按任意比例无限）无限固溶体：溶质和溶剂两种晶体可以按任意比例无限制地相互溶解，又称为连续固溶体或完全互溶固溶体。制地相互溶解，又称为连续固溶体或完全互溶固溶体。如如: : MgOMgONiONiOMgMgx xCoCo1-x1-xO (x=0O (x=01)1) PbTiO PbTiO3 3+PbZrO+PbZrO3 3 PbPb(Zr(Zrx xTiTi1-x1-x)O)O3 3 (x=0 (x=01)1

4、)（2 2）有限固溶体：杂质原子在固溶体中的溶解度是有限的，）有限固溶体：杂质原子在固溶体中的溶解度是有限的，也称不连续固溶体或部分互溶固溶体。也称不连续固溶体或部分互溶固溶体。如何两种晶体结构不同或相互取代的离子半径差别较大，就如何两种晶体结构不同或相互取代的离子半径差别较大，就会生成有限固溶体。会生成有限固溶体。形成固溶体的基本条件（取代固溶体）形成固溶体的基本条件（取代固溶体）离子大小、离子电荷以及晶体结构都要在合适的范围内。离子大小、离子电荷以及晶体结构都要在合适的范围内。一、离子尺寸的影响一、离子尺寸的影响相互取代的离子半径的差值一般要在一个范围内，相互取代的离子半径的差值一般要在一

5、个范围内，才能形成固溶体，但这个范围还没有定式。才能形成固溶体，但这个范围还没有定式。金属：一般离子半径相差不超过金属：一般离子半径相差不超过1515非金属：通常较大的离子可以部分地被较小的离子非金属：通常较大的离子可以部分地被较小的离子取代，但用较大的离子取代较小的离子要困难得多。取代，但用较大的离子取代较小的离子要困难得多。二、晶体结构的影响：二、晶体结构的影响：1 1、要形成、要形成无限无限固溶体，两个物相要有等结构。但固溶体，两个物相要有等结构。但有相同的结构不一定能形成无限固溶体。有相同的结构不一定能形成无限固溶体。2 2、形成、形成有限有限固溶体，两物相结构固溶体，两物相结构不一定

6、不一定相同。相同。三、离子电荷的影响三、离子电荷的影响1 1、形成、形成无限固溶体无限固溶体，相互取代的离子必须带，相互取代的离子必须带同样的电荷同样的电荷：AlAl2 2O O3 3CrCr2 2O O3 3, PbTiO, PbTiO3 3PbZrOPbZrO3 3, , MgOCoOMgOCoO 2 2、如果互相取代的离子的、如果互相取代的离子的电荷不同电荷不同，为保持电中性，则，为保持电中性，则会产生会产生空位空位或或填隙子填隙子。 如：如：AlAl2 2O O3 3在在MgOMgO中有一定的溶解度，中有一定的溶解度，AlAl3+3+进入进入MgOMgO中占据中占据MgMg2+2+位位

7、 在在TiOTiO2-x2-x中，为保持电中性，中，为保持电中性，TiTi4+4+TiTi3+3+许多金属都能够形成填隙固溶体，填隙子主要是小许多金属都能够形成填隙固溶体，填隙子主要是小尺寸的原子，如尺寸的原子，如H H、C C、B B、N N等。等。面心立方的面心立方的PdPd吸藏大量的吸藏大量的H H，H H就是以填隙子的就是以填隙子的形式存在的：形式存在的：PdHPdH6 6C C填入面心立方的填入面心立方的 -Fe-Fe的八面体间隙形成钢。的八面体间隙形成钢。形成固溶体的基本条件（填隙固溶体）形成固溶体的基本条件（填隙固溶体）e.g.固溶体的特点固溶体的特点 固溶体是一个均匀的相。它不

8、同于溶剂（原始晶固溶体是一个均匀的相。它不同于溶剂（原始晶体），也不同于机械混合物，更不同于化合物。体），也不同于机械混合物，更不同于化合物。A A和和B B形成：形成：化合物化合物固溶体固溶体A A和和B B的比例确定的比例确定结构完全不同于结构完全不同于A A或或B B的结构的结构性质确定不变性质确定不变A A和和B B的比例有一定范围的比例有一定范围结构与原始晶体一致结构与原始晶体一致性质随组成的变化而变化性质随组成的变化而变化 固溶强化固溶强化溶质原子和位错的交互作用溶质原子和位错的交互作用. . 交互作用的性质交互作用的性质有弹性的、化学的、电性的和几有弹性的、化学的、电性的和几何的

9、。何的。 主要内容主要内容溶质原子与位错的弹性交互作用溶质原子与位错的弹性交互作用。 各种气团各种气团溶质原子偏聚到位错线周围。溶质原子偏聚到位错线周围。 柯氏（柯氏（Cottrell)Cottrell)气团；史氏气团；史氏( (SnockSnock) )气团；铃木气团；铃木（Suzuki)Suzuki)气团气团 固溶强化固溶强化位错的弹性性质位错的弹性性质晶体中有位错存在时，位错线及其周围的晶格产生严重晶体中有位错存在时，位错线及其周围的晶格产生严重畸变，畸变处的晶体原子偏离平衡位置，能量增高。位畸变，畸变处的晶体原子偏离平衡位置，能量增高。位错线及其周围区域产生弹性应变和应力场。错线及其周

10、围区域产生弹性应变和应力场。位错的应力场位错的应力场 从材料力学知识，我们已知固体中任一点的应力从材料力学知识，我们已知固体中任一点的应力状态可用下图所示的状态可用下图所示的9 9个应力分量来表示：个应力分量来表示：单元体各面上的应力描述单元体各面上的应力描述第一个脚标第一个脚标i：与作用面垂直的轴向，标志作用面垂直于哪个晶向。：与作用面垂直的轴向，标志作用面垂直于哪个晶向。第二个脚标第二个脚标j：与作用力平行的轴向，标志着应力的方向。：与作用力平行的轴向，标志着应力的方向。 要准确地对晶体中位错周围的弹性应力场进行定量计算是要准确地对晶体中位错周围的弹性应力场进行定量计算是复杂而困难的，为简

11、化起见，通常采用弹性连续介质模型来复杂而困难的，为简化起见，通常采用弹性连续介质模型来进行计算。进行计算。该模型作了以下该模型作了以下假设假设：a)a) 晶体是完全弹性体，服从虎克定律，即不存在塑性变形；晶体是完全弹性体，服从虎克定律，即不存在塑性变形；b)b) 晶体是各向同性的；晶体是各向同性的；c)c) 晶体中没有空隙，由连续介质组成。因此晶体中的应力应晶体中没有空隙，由连续介质组成。因此晶体中的应力应变是连续的，可用连续函数表示。变是连续的，可用连续函数表示。假设与实际情况不一样，但是除了对严重畸变的位错中心不适用外，对大部分存假设与实际情况不一样，但是除了对严重畸变的位错中心不适用外，

12、对大部分存在弹性变形的区域还是合适的。在弹性变形的区域还是合适的。弹性连续介质模型弹性连续介质模型1 1、螺位错的应力场、螺位错的应力场 力学模型：力学模型：取外半径为取外半径为R，内半径为，内半径为r0的各向同性材料的圆的各向同性材料的圆柱体，圆柱中心线作为柱体，圆柱中心线作为z轴坐标，将圆柱沿轴坐标，将圆柱沿xoz面切开，使切面面切开，使切面沿沿z轴方向相对位移轴方向相对位移b，再把切面粘起来，这样在圆柱体内就，再把切面粘起来，这样在圆柱体内就产生了螺位错的弹性应力场。产生了螺位错的弹性应力场。采用柱坐标：采用柱坐标：rGbz2G 材料的剪切模量材料的剪切模量b 位错的柏氏矢量位错的柏氏矢

13、量r 距位错线中心的距离（半径）距位错线中心的距离（半径） zz方向上的切应力方向上的切应力 由于圆柱只在由于圆柱只在z轴方向有位移，在轴方向有位移，在xy方向都没有位移，所以其他分量都为方向都没有位移，所以其他分量都为0：rr= = zz= r= r= rz= zr=0 xyzr螺位错的应力场的螺位错的应力场的特点特点：1. 只有切应力，没有正应力分量；只有切应力，没有正应力分量；2. 切应力对称分布：在包含位错线的任何径向平面上切应力切应力对称分布：在包含位错线的任何径向平面上切应力相等，与相等，与 角无关。因螺位错的结构是对称的。角无关。因螺位错的结构是对称的。采用直角坐标：采用直角坐标

14、：22222200yxxGbyxyGbzyyzzxxzyxxyzzyyxx正应力正应力切（剪）应力切（剪）应力2 2、刃位错的应力场、刃位错的应力场 力学模型：力学模型：取外半径为取外半径为R，内半径为，内半径为r0的各向同性材料的圆的各向同性材料的圆柱体，圆柱中心线作为柱体，圆柱中心线作为z轴坐标，将圆柱沿轴坐标，将圆柱沿xoz面切开，使切面面切开，使切面沿径向方向相对位移沿径向方向相对位移b，再把切面粘起来，这样在圆柱体内就，再把切面粘起来，这样在圆柱体内就产生了刃位错的弹性应力场。产生了刃位错的弹性应力场。刃位错的应力场比螺位错复杂。刃位错的应力场比螺位错复杂。sin0rbrrsin20

15、rbzzcos0rbrr0rrzrrz采用柱坐标：采用柱坐标：)1 (20G)1 (20)()()()()()()3(0222220222220222220Gyxyxbxyxyxbyyxyxbyzyyzzxxzxyyyxxzzyyxx为泊松比；为泊松比；G G为切变模量。为切变模量。采用直角坐标：采用直角坐标：刃型位错的应力场的刃型位错的应力场的特点特点：1. 正应力分量和切应力分量同时存在，各分量与正应力分量和切应力分量同时存在，各分量与Z无关；无关；2. 以滑移面为分界面，有半原子平面的一侧为压应力以滑移面为分界面，有半原子平面的一侧为压应力(xx0)；3. 在滑移面上在滑移面上(y=0)

16、，没有正应力，此时切应力最大；，没有正应力，此时切应力最大；4. 在半原子面上或与滑移面成在半原子面上或与滑移面成45度角的晶面上，无切应力。度角的晶面上，无切应力。位错与溶质原子的交互作用：位错与溶质原子的交互作用：在晶体中，点缺陷会引起晶格畸变，产生内应力，形成应力场点在晶体中，点缺陷会引起晶格畸变，产生内应力，形成应力场点缺陷的应力场与位错的应力场会发生交互作用，其结果是通过点缺缺陷的应力场与位错的应力场会发生交互作用，其结果是通过点缺陷运动而使点缺陷相位错形成特定的分布，从而使体系的自由能达陷运动而使点缺陷相位错形成特定的分布，从而使体系的自由能达到较低状态这种点缺陷和位错的特定分布对

17、晶体的力学性能有显到较低状态这种点缺陷和位错的特定分布对晶体的力学性能有显著的影响著的影响 弹性畸变弹性畸变304 RV RRR)(0球形畸变，溶质原子与位错的球形畸变，溶质原子与位错的正应力场正应力场起作用：起作用：位错中正应力分量的平均值：位错中正应力分量的平均值：3)(zzyyxxPR0的原子被的原子被R的的取代原子取代取代原子取代代入刃型位错正应力场代入刃型位错正应力场221131yxyGbvvP柱坐标：柱坐标：rGbvvPsin1131r ：点缺陷与位错间的距离：点缺陷与位错间的距离晶体中存在缺陷时，克服位错应力所做的功，晶体中存在缺陷时，克服位错应力所做的功，即即点缺陷与位错的交互

18、作用能：点缺陷与位错的交互作用能：rGbRvvVPWsin1134301.1. 如果交互作用能为负值，如果交互作用能为负值，W0W0W0，则表示位错和溶质原子相互排斥。，则表示位错和溶质原子相互排斥。2.2. 交互作用能交互作用能W rW r-1-1, ,即距离位错中心越近，即距离位错中心越近，|W|W|越大。但是越大。但是r r不能小于位错宽不能小于位错宽度，否则无意义。度，否则无意义。3.3. 如果如果00，表示溶入的溶质原子引起体积膨胀，使交互作用能增加，表示溶，表示溶入的溶质原子引起体积膨胀，使交互作用能增加，表示溶质原子和位错相互排斥。对于正刃型位错而言，点缺陷所处的位置不同情况质原

19、子和位错相互排斥。对于正刃型位错而言，点缺陷所处的位置不同情况不一不一 样。若样。若0,0,即溶质原子位于正刃型位错上方，则即溶质原子位于正刃型位错上方，则W0W0，位错和溶质，位错和溶质原子相互排斥。若原子相互排斥。若22，即溶质原子位于正，即溶质原子位于正 刃型位错下方，刃型位错下方，W0W0，位错，位错和溶质原子相互吸引。所以，对于半径大的置换溶质原子，一定是位于位错和溶质原子相互吸引。所以，对于半径大的置换溶质原子，一定是位于位错受膨胀部分才比较稳定。受膨胀部分才比较稳定。4.4. 如果如果 00,0,溶质原子位于位错上方的受压缩部分，溶质原子位于位错上方的受压缩部分，W0W0，即意味

20、，即意味 着在刃型位错着在刃型位错压缩区将吸引比溶质原子尺寸小的溶质原子。压缩区将吸引比溶质原子尺寸小的溶质原子。rGbRvvVPWsin113430溶质原子与位错交互作用的结果溶质原子与位错交互作用的结果（1）Cottrell 气团气团间隙原子在位错周围的（张应力区）偏聚。间隙原子在位错周围的（张应力区）偏聚。（2）Snoek 气团气团间隙原子在体心立方金属中的不对称畸变与螺型位间隙原子在体心立方金属中的不对称畸变与螺型位错发生交互作用而使间隙原子在晶胞内呈有序排列，错发生交互作用而使间隙原子在晶胞内呈有序排列，且使螺型位错的弹性能降低。且使螺型位错的弹性能降低。（3）Suzuki 气团气团

21、面心立方金属中，溶质由于化学的交互作用（非弹面心立方金属中，溶质由于化学的交互作用（非弹性交互作用）而在层错区中的偏聚，使层错能降低。性交互作用）而在层错区中的偏聚，使层错能降低。“柯氏气团柯氏气团”的概念最早由的概念最早由CottrellCottrell提出。间隙式或者置提出。间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能为负的换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能为负的情况下，溶质在基体中不会形成均情况下，溶质在基体中不会形成均 匀分布（当然是指在匀分布（当然是指在位错应力场范围内），它们要偏聚到位错周围，形成所谓位错应力场范围内），它们要偏聚到位错周围，形成所谓“柯氏气团

22、柯氏气团”。此时，位错如果要运动就必须从气团中挣。此时，位错如果要运动就必须从气团中挣脱出来或者拖着气团一起运脱出来或者拖着气团一起运 动。于是产生了较强的固溶动。于是产生了较强的固溶强化效应。强化效应。柯氏气团柯氏气团“史氏气团史氏气团”即即“Snoek气团气团”。当间隙溶质原。当间隙溶质原子在体心立方晶体中产生子在体心立方晶体中产生非对称畸变时非对称畸变时，它既和，它既和刃型位错也和刃型位错也和螺螺 型位错型位错发生交互作用。发生交互作用。C、N原原子和子和Fe中的螺型位错交互作用形成的气团，中的螺型位错交互作用形成的气团，即为即为“史氏气团史氏气团”。“史氏气团史氏气团”比比“柯氏气团柯

23、氏气团”容易在钢铁材料中形成，但它的容易在钢铁材料中形成，但它的 运动阻力和运动阻力和“柯柯氏气团氏气团”差不多。实际上，我们通常说的差不多。实际上，我们通常说的C（N）原子在原子在Fe中形成气团，即包括这两种形式。中形成气团，即包括这两种形式。只是从与位错的交互作用分析，我们将它们人为只是从与位错的交互作用分析，我们将它们人为 地分开了。气团理论由地分开了。气团理论由Cotrell提出，既包括了柯提出，既包括了柯氏气团，也包括史氏气团。氏气团，也包括史氏气团。史氏气团史氏气团史氏气团史氏气团体心立方金属中的间隙溶质原子与螺位错的弹体心立方金属中的间隙溶质原子与螺位错的弹性交互作用。性交互作用

24、。体心立方金属中的间隙溶质原子在基体中产生非对称的畸变。体心立方金属中的间隙溶质原子在基体中产生非对称的畸变。 在螺位错的切应力作用下，间隙溶质原子沿位错线分布以降在螺位错的切应力作用下，间隙溶质原子沿位错线分布以降低应变能。低应变能。 与柯氏气团比较，史氏气团形成很容易，不需要溶质原子的与柯氏气团比较，史氏气团形成很容易，不需要溶质原子的长程扩散，也不需要溶质原子的富集，只是通过碳原子在晶胞内长程扩散，也不需要溶质原子的富集，只是通过碳原子在晶胞内的简单跳动，扩散距离只是点阵常数的一半。的简单跳动，扩散距离只是点阵常数的一半。 史氏气团对位错的运动阻力和柯氏气团得差不多。史氏气团对位错的运动

25、阻力和柯氏气团得差不多。“铃木气团铃木气团”与与“柯氏气团柯氏气团”有所不同。在面心立方金有所不同。在面心立方金属中，全位错带属中，全位错带 常可以分解为两个肖克莱位错，中间常可以分解为两个肖克莱位错，中间夹以夹以层错区层错区。在层错区原子的错排构成两个原子层厚的。在层错区原子的错排构成两个原子层厚的hcp结构。结构。溶质原子在基体中与在层错中的分布是不同溶质原子在基体中与在层错中的分布是不同的。的。溶质原子在溶质原子在 层错区的偏聚可以降低层错能。如果层错区的偏聚可以降低层错能。如果扩展位错从富集溶质的层错中运动出来，将使系统自由扩展位错从富集溶质的层错中运动出来，将使系统自由能升高，外力必

26、须克服阻力作功。能升高，外力必须克服阻力作功。溶质原子在层错中的溶质原子在层错中的偏聚即称为偏聚即称为“铃木铃木 气团气团”。“铃木气团铃木气团”是首先由是首先由Suzuki（铃木）提出来的。因为铃木气团不像柯氏气团（铃木）提出来的。因为铃木气团不像柯氏气团那样产生点阵畸变，因此铃木气团不属于弹性交互作用，那样产生点阵畸变，因此铃木气团不属于弹性交互作用，而被认为是一而被认为是一 种种化学的交互作用化学的交互作用。铃木气团的阻力比。铃木气团的阻力比较小，只有柯氏气团的较小，只有柯氏气团的1/10。铃木气团铃木气团上下屈服点：上下屈服点：在低碳钢的应力在低碳钢的应力- -应变曲线中出现了明显的屈

27、服点（称为上屈服应变曲线中出现了明显的屈服点（称为上屈服点）后，应力突然下降到一个较低的值（下屈服点），此后试样点）后，应力突然下降到一个较低的值（下屈服点），此后试样继续伸长，而应力继续伸长，而应力保持不变，即发生屈服伸长。产生一定伸长后，保持不变，即发生屈服伸长。产生一定伸长后，应力又随应变连续上升。应力又随应变连续上升。上、下屈服点与应变失效现象上、下屈服点与应变失效现象应变失效应变失效当预塑性变形后卸掉载荷，当预塑性变形后卸掉载荷，但又立即重新加载，变形将但又立即重新加载，变形将沿沿“b”b”曲线进行，此时将不曲线进行，此时将不再出现再出现“a”a”中的屈服现象；中的屈服现象；但在但在

28、“a”a”之后，不是立即加之后，不是立即加载，而是在室温停留较长时载，而是在室温停留较长时间或进行加热（称为时效），间或进行加热（称为时效），此时再重新加载，试样将沿此时再重新加载，试样将沿“c”c”曲线变形，上、下屈服曲线变形，上、下屈服点又会出现，而且屈服点还点又会出现，而且屈服点还有所提高，这个现象称为应有所提高，这个现象称为应变时效。变时效。屈服与应变失效屈服与应变失效（1）屈服现象的）屈服现象的Cottrell 气团解释气团解释1948年由年由Cottrell首先在低碳钢中提出：碳氮原子与位首先在低碳钢中提出：碳氮原子与位错交互作用所形成的错交互作用所形成的Cottrell气团钉扎位

29、错，需提高外气团钉扎位错，需提高外力才能使位错运动（形成上屈服点），一旦位错开始力才能使位错运动（形成上屈服点），一旦位错开始运动以后，位错运动以后，位错“脱钉脱钉”，塑性变形所需的应力由迅，塑性变形所需的应力由迅速下降（形成下屈服点），金属屈服而形成屈服平台，速下降（形成下屈服点），金属屈服而形成屈服平台，屈服伸长结束后，试样进入均匀塑性变形阶段。屈服伸长结束后，试样进入均匀塑性变形阶段。但在不形成柯氏气团的晶体中，但在不形成柯氏气团的晶体中，也出现屈服降落。也出现屈服降落。（2）Gliman-Johnston 位错动力学理论位错动力学理论从位错运动速率与应力的关系，寻求屈服的普遍从位错运动

30、速率与应力的关系，寻求屈服的普遍解释，其要点（假设条件）是：解释，其要点（假设条件）是：A：变形前可动位错的密度小（大量位错被钉扎）：变形前可动位错的密度小（大量位错被钉扎）B：变形后位错能快速产生与增殖：变形后位错能快速产生与增殖C：位错运动速率对应力不敏感：位错运动速率对应力不敏感该理论可对该理论可对Cottrell理论作一个补充与完善。理论作一个补充与完善。（3 3）低碳钢的动态应变时效）低碳钢的动态应变时效Portevin Portevin 和和 Le Chatelier Le Chatelier 首先在低碳钢中首先在低碳钢中发现：随着变形温度的升高，明显的屈服降发现：随着变形温度的升

31、高，明显的屈服降落逐渐消失，取而代之的是应力应变曲线落逐渐消失，取而代之的是应力应变曲线出现锯齿形，以后在铜、铝等合金中也发现出现锯齿形，以后在铜、铝等合金中也发现同样的现象。同样的现象。Cottrell Cottrell 气团可以很好地解释动态应变失效气团可以很好地解释动态应变失效变形温度升高溶质的扩散速度快（既容易变形温度升高溶质的扩散速度快（既容易扩散到位错附近形成气团，也容易在位错的扩散到位错附近形成气团，也容易在位错的运动过程中挣脱气团）形成运动过程中挣脱气团）形成“钉扎与脱钉钉扎与脱钉”的平衡）产生锯齿形的平衡）产生锯齿形假如溶质原子不是偏聚到位错周围，或者不是假如溶质原子不是偏聚到位错周围，或者不是作有序分布，也就不形成上述的几种气团，而作有序分布，也就不形成上述的几种气团，而是以单个原子或原子团的形式无规则地在基