材料強度學固溶強化

1、材 料 強 度 學 固溶強化,Defects and Strengthening Mechanisms,Strain Hardening Introduces Line Defects Varied Strengths Grain Size Refining Surface Defects Varied Strengths,Exceed Solubility Limit,固溶體 Solid Solution(SS),液體溶液,？,固體溶液,合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。,固溶體：,溶劑：原晶體 溶質(zhì)：外來原子,固溶體、化合物、機械混合物的區(qū)分,

2、固溶體、化合物、機械混合物的區(qū)分,固溶體、化合物、機械混合物的區(qū)分,固溶體的分類,1、按雜質(zhì)原子在固溶體中的位置分類 （1）取代（置換）型固溶體：雜質(zhì)原子進入原晶體中正常格點的位置。絕大部分固溶體是這種類型。 例如：MgO和CoO都是NaCl結(jié)構(gòu) 離子半徑：Mg2+: 0.066nm; Co2+: 0.072nm MgO中的Mg2+位置可無限地被Co2+占據(jù)，生成MgxCo1-xO(x=01),（2）填隙型固溶體：雜質(zhì)原子進入溶劑晶格中的間隙位置,2、按雜質(zhì)原子在晶體中的溶解度劃分 （1）無限固溶體：溶質(zhì)和溶劑兩種晶體可以按任意比例無限制地相互溶解，又稱為連續(xù)固溶體或完全互溶固溶體。 如: M

3、gONiOMgxCo1-xO (x=01) PbTiO3+PbZrO3 Pb(ZrxTi1-x)O3 (x=01),（2）有限固溶體：雜質(zhì)原子在固溶體中的溶解度是有限的，也稱不連續(xù)固溶體或部分互溶固溶體。 如何兩種晶體結(jié)構(gòu)不同或相互取代的離子半徑差別較大，就會生成有限固溶體。,形成固溶體的基本條件（取代固溶體）,離子大小、離子電荷以及晶體結(jié)構(gòu)都要在合適的范圍內(nèi)。,一、離子尺寸的影響,相互取代的離子半徑的差值一般要在一個范圍內(nèi)，才能形成固溶體，但這個范圍還沒有定式。 金屬：一般離子半徑相差不超過15 非金屬：通常較大的離子可以部分地被較小的離子取代，但用較大的離子取代較小的離子要困難得多。,二、

4、晶體結(jié)構(gòu)的影響： 1、要形成無限固溶體，兩個物相要有等結(jié)構(gòu)。但有相同的結(jié)構(gòu)不一定能形成無限固溶體。 2、形成有限固溶體，兩物相結(jié)構(gòu)不一定相同。,三、離子電荷的影響 1、形成無限固溶體，相互取代的離子必須帶同樣的電荷： Al2O3Cr2O3, PbTiO3PbZrO3, MgOCoO 2、如果互相取代的離子的電荷不同，為保持電中性，則會產(chǎn)生空位或填隙子。 如：Al2O3在MgO中有一定的溶解度，Al3+進入MgO中占據(jù)Mg2+位,在TiO2-x中，為保持電中性，Ti4+Ti3+,許多金屬都能夠形成填隙固溶體，填隙子主要是小尺寸的原子，如H、C、B、N等。,面心立方的Pd吸藏大量的H，H就是以填隙

5、子的形式存在的：PdH6,C填入面心立方的-Fe的八面體間隙形成鋼。,形成固溶體的基本條件（填隙固溶體）,e.g.,固溶體的特點,固溶體是一個均勻的相。它不同于溶劑（原始晶體），也不同于機械混合物，更不同于化合物。,A和B形成：,化合物,固溶體,A和B的比例確定 結(jié)構(gòu)完全不同于A或B的結(jié)構(gòu) 性質(zhì)確定不變,A和B的比例有一定范圍 結(jié)構(gòu)與原始晶體一致 性質(zhì)隨組成的變化而變化,固溶強化溶質(zhì)原子和位錯的交互作用. 交互作用的性質(zhì)有彈性的、化學的、電性的和幾何的。 主要內(nèi)容溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用。 各種氣團溶質(zhì)原子偏聚到位錯線周圍。 柯氏（Cottrell)氣團；史氏(Snock)氣團；鈴木（Su

6、zuki)氣團,固溶強化,位錯的彈性性質(zhì),晶體中有位錯存在時，位錯線及其周圍的晶格產(chǎn)生嚴重畸變，畸變處的晶體原子偏離平衡位置，能量增高。位錯線及其周圍區(qū)域產(chǎn)生彈性應變和應力場。,位錯的應力場,從材料力學知識，我們已知固體中任一點的應力狀態(tài)可用下圖所示的9個應力分量來表示：,單元體各面上的應力描述,第一個腳標i：與作用面垂直的軸向，標志作用面垂直于哪個晶向。 第二個腳標j：與作用力平行的軸向，標志著應力的方向。,要準確地對晶體中位錯周圍的彈性應力場進行定量計算是復雜而困難的，為簡化起見，通常采用彈性連續(xù)介質(zhì)模型來進行計算。 該模型作了以下假設： 晶體是完全彈性體，服從虎克定律，即不存在塑性變形；

7、 晶體是各向同性的； 晶體中沒有空隙，由連續(xù)介質(zhì)組成。因此晶體中的應力應變是連續(xù)的，可用連續(xù)函數(shù)表示。,假設與實際情況不一樣，但是除了對嚴重畸變的位錯中心不適用外，對大部分存在彈性變形的區(qū)域還是合適的。,彈性連續(xù)介質(zhì)模型,1、螺位錯的應力場,力學模型：取外半徑為R，內(nèi)半徑為r0的各向同性材料的圓柱體，圓柱中心線作為z軸坐標，將圓柱沿xoz面切開，使切面沿z軸方向相對位移b，再把切面粘起來，這樣在圓柱體內(nèi)就產(chǎn)生了螺位錯的彈性應力場。,采用柱坐標：,G 材料的剪切模量 b 位錯的柏氏矢量 r 距位錯線中心的距離（半徑） t zz方向上的切應力,由于圓柱只在z軸方向有位移，在xy方向都沒有位移，所以

8、其他分量都為0：,rr= = zz= r= r= rz= zr=0,螺位錯的應力場的特點： 只有切應力，沒有正應力分量； 切應力對稱分布：在包含位錯線的任何徑向平面上切應力相等，與角無關(guān)。因螺位錯的結(jié)構(gòu)是對稱的。,采用直角坐標：,正應力 切（剪）應力,2、刃位錯的應力場,力學模型：取外半徑為R，內(nèi)半徑為r0的各向同性材料的圓柱體，圓柱中心線作為z軸坐標，將圓柱沿xoz面切開，使切面沿徑向方向相對位移b，再把切面粘起來，這樣在圓柱體內(nèi)就產(chǎn)生了刃位錯的彈性應力場。刃位錯的應力場比螺位錯復雜。,采用柱坐標：,為泊松比； G為切變模量。,采用直角坐標：,刃型位錯的應力場的特點： 正應力分量和切應力分量

9、同時存在，各分量與Z無關(guān)； 以滑移面為分界面，有半原子平面的一側(cè)為壓應力(xx0)； 在滑移面上(y=0)，沒有正應力，此時切應力最大； 在半原子面上或與滑移面成45度角的晶面上，無切應力。,位錯與溶質(zhì)原子的交互作用：,在晶體中，點缺陷會引起晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應力，形成應力場點缺陷的應力場與位錯的應力場會發(fā)生交互作用，其結(jié)果是通過點缺陷運動而使點缺陷相位錯形成特定的分布，從而使體系的自由能達到較低狀態(tài)這種點缺陷和位錯的特定分布對晶體的力學性能有顯著的影響,彈性畸變,球形畸變，溶質(zhì)原子與位錯的正應力場起作用：,位錯中正應力分量的平均值：,R0的原子被R的取代原子取代,代入刃型位錯正應力場,柱坐標：

10、,r ：點缺陷與位錯間的距離,晶體中存在缺陷時，克服位錯應力所做的功， 即點缺陷與位錯的交互作用能：,如果交互作用能為負值，W0，則表示位錯和溶質(zhì)原子相互排斥。 交互作用能W r-1,即距離位錯中心越近，|W|越大。但是r不能小于位錯寬度，否則無意義。 如果0，表示溶入的溶質(zhì)原子引起體積膨脹，使交互作用能增加，表示溶質(zhì)原子和位錯相互排斥。對于正刃型位錯而言，點缺陷所處的位置不同情況不一 樣。若0,即溶質(zhì)原子位于正刃型位錯上方，則W0，位錯和溶質(zhì)原子相互排斥。若0,溶質(zhì)原子位于位錯上方的受壓縮部分，W0，即意味 著在刃型位錯壓縮區(qū)將吸引比溶質(zhì)原子尺寸小的溶質(zhì)原子。,溶質(zhì)原子與位錯交互作用的結(jié)果

11、（1）Cottrell 氣團 間隙原子在位錯周圍的（張應力區(qū)）偏聚。 （2）Snoek 氣團 間隙原子在體心立方金屬中的不對稱畸變與螺型位錯發(fā)生交互作用而使間隙原子在晶胞內(nèi)呈有序排列，且使螺型位錯的彈性能降低。 （3）Suzuki 氣團 面心立方金屬中，溶質(zhì)由于化學的交互作用（非彈性交互作用）而在層錯區(qū)中的偏聚，使層錯能降低。,“柯氏氣團”的概念最早由Cottrell提出。間隙式或者置換式溶質(zhì)原子在刃型位錯彈性交互作用時，交互能為負的情況下，溶質(zhì)在基體中不會形成均 勻分布（當然是指在位錯應力場范圍內(nèi)），它們要偏聚到位錯周圍，形成所謂“柯氏氣團”。此時，位錯如果要運動就必須從氣團中掙脫出來或者拖

12、著氣團一起運 動。于是產(chǎn)生了較強的固溶強化效應。,柯氏氣團,“史氏氣團”即“Snoek氣團”。當間隙溶質(zhì)原子在體心立方晶體中產(chǎn)生非對稱畸變時，它既和刃型位錯也和螺 型位錯發(fā)生交互作用。C、N原子和Fe中的螺型位錯交互作用形成的氣團，即為“史氏氣團”?！笆肥蠚鈭F”比“柯氏氣團”容易在鋼鐵材料中形成，但它的 運動阻力和“柯氏氣團”差不多。實際上，我們通常說的C（N）原子在Fe中形成氣團，即包括這兩種形式。只是從與位錯的交互作用分析，我們將它們?nèi)藶?地分開了。氣團理論由Cotrell提出，既包括了柯氏氣團，也包括史氏氣團。,史氏氣團,史氏氣團體心立方金屬中的間隙溶質(zhì)原子與螺位錯的彈性交互作用。 體心

13、立方金屬中的間隙溶質(zhì)原子在基體中產(chǎn)生非對稱的畸變。 在螺位錯的切應力作用下，間隙溶質(zhì)原子沿位錯線分布以降低應變能。 與柯氏氣團比較，史氏氣團形成很容易，不需要溶質(zhì)原子的長程擴散，也不需要溶質(zhì)原子的富集，只是通過碳原子在晶胞內(nèi)的簡單跳動，擴散距離只是點陣常數(shù)的一半。 史氏氣團對位錯的運動阻力和柯氏氣團得差不多。,“鈴木氣團”與“柯氏氣團”有所不同。在面心立方金屬中，全位錯帶 常可以分解為兩個肖克萊位錯，中間夾以層錯區(qū)。在層錯區(qū)原子的錯排構(gòu)成兩個原子層厚的hcp結(jié)構(gòu)。溶質(zhì)原子在基體中與在層錯中的分布是不同的。溶質(zhì)原子在 層錯區(qū)的偏聚可以降低層錯能。如果擴展位錯從富集溶質(zhì)的層錯中運動出來，將使系統(tǒng)自

14、由能升高，外力必須克服阻力作功。溶質(zhì)原子在層錯中的偏聚即稱為“鈴木 氣團”?！扳從練鈭F”是首先由Suzuki（鈴木）提出來的。因為鈴木氣團不像柯氏氣團那樣產(chǎn)生點陣畸變，因此鈴木氣團不屬于彈性交互作用，而被認為是一 種化學的交互作用。鈴木氣團的阻力比較小，只有柯氏氣團的1/10。,鈴木氣團,上下屈服點： 在低碳鋼的應力-應變曲線中出現(xiàn)了明顯的屈服點（稱為上屈服點）后，應力突然下降到一個較低的值（下屈服點），此后試樣繼續(xù)伸長，而應力保持不變，即發(fā)生屈服伸長。產(chǎn)生一定伸長后，應力又隨應變連續(xù)上升。,上、下屈服點與應變失效現(xiàn)象,應變失效,當預塑性變形后卸掉載荷，但又立即重新加載，變形將沿“b”曲線進行

15、，此時將不再出現(xiàn)“a”中的屈服現(xiàn)象；但在“a”之后，不是立即加載，而是在室溫停留較長時間或進行加熱（稱為時效），此時再重新加載，試樣將沿“c”曲線變形，上、下屈服點又會出現(xiàn)，而且屈服點還有所提高，這個現(xiàn)象稱為應變時效。,屈服與應變失效 （1）屈服現(xiàn)象的Cottrell 氣團解釋 1948年由Cottrell首先在低碳鋼中提出：碳氮原子與位錯交互作用所形成的Cottrell氣團釘扎位錯，需提高外力才能使位錯運動（形成上屈服點），一旦位錯開始運動以后，位錯“脫釘”，塑性變形所需的應力由迅速下降（形成下屈服點），金屬屈服而形成屈服平臺，屈服伸長結(jié)束后，試樣進入均勻塑性變形階段。 但在不形成柯氏氣團的

16、晶體中， 也出現(xiàn)屈服降落。,（2）Gliman-Johnston 位錯動力學理論 從位錯運動速率與應力的關(guān)系，尋求屈服的普遍 解釋，其要點（假設條件）是： A：變形前可動位錯的密度小（大量位錯被釘扎） B：變形后位錯能快速產(chǎn)生與增殖 C：位錯運動速率對應力不敏感 該理論可對Cottrell理論作一個補充與完善。,（3）低碳鋼的動態(tài)應變時效 Portevin 和 Le Chatelier 首先在低碳鋼中發(fā)現(xiàn)：隨著變形溫度的升高，明顯的屈服降落逐漸消失，取而代之的是應力應變曲線出現(xiàn)鋸齒形，以后在銅、鋁等合金中也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。 Cottrell 氣團可以很好地解釋動態(tài)應變失效 變形溫度升高溶質(zhì)的擴

17、散速度快（既容易擴散到位錯附近形成氣團，也容易在位錯的運動過程中掙脫氣團）形成“釘扎與脫釘”的平衡）產(chǎn)生鋸齒形,假如溶質(zhì)原子不是偏聚到位錯周圍，或者不是作有序分布，也就不形成上述的幾種氣團，而是以單個原子或原子團的形式無規(guī)則地在基體中分布，位錯在基體中運動，也會產(chǎn)生交互作用。此時引起均勻固溶強化。,非溶質(zhì)氣團強化模型- 均勻固溶強化,如果溶質(zhì)原子不偏聚在位錯周圍，不形成前述氣團，而是以單個原子或原子群的形式存在（如合金中的GP區(qū)），在基體中不規(guī)則的分布，位錯與溶質(zhì)原子間的交互作用又如何呢？ （1）Mott-Nabarro 理論 從溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸差別來計算固溶強化效應。認為均勻固溶強化主要是由溶質(zhì)與基體原子的失配度產(chǎn)生的內(nèi)應力場造成。位錯線在運動時是可彎曲的，彎曲的程度反映了溶質(zhì)原子作用的強弱。而且溶質(zhì)原子間距的每一段都對位錯運動構(gòu)成阻力。 （2）Fleischer 理論 同時考慮原子尺寸和彈性模量的影響。,固溶強化舉例 （1）馬氏體強化 馬氏體碳在體心立方鐵素體中的過飽和固溶體 固溶強化是馬氏體強化的主要原因，間隙式碳原 子的固溶可使屈服強度提高數(shù)百MPa。而碳在面 心立方奧氏體中的強化很弱，原因是碳在其中正 八面體中的固溶只能使奧氏