固溶體的強(qiáng)化作用

1、金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化固溶體的強(qiáng)化作用雖然純金屬在實際工業(yè)生產(chǎn)上得到了一定的應(yīng)用，但是由于其強(qiáng)度一般都很低，如鐵的抗拉強(qiáng)度約為 200MPa,而鋁的抗拉強(qiáng)度還不到100MPa,顯然都不 符合用作工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料。近年來，為了適應(yīng)多方面的要求，各種新材料、新工 藝不斷出現(xiàn)，但是就目前來說，新材料的制造方法比較復(fù)雜，制備成本較高，市 場應(yīng)用不是特別廣泛，所以，在今后很長一段時間之內(nèi)，用的較多的仍然是一些 傳統(tǒng)材料。目前應(yīng)用的金屬材料大多數(shù)是合金，新材料的廣泛應(yīng)用還有一段時間。 所以，對其研究仍有重大意義。固溶體是幾乎所有合金的基體相，固溶強(qiáng)化作為最基本的強(qiáng)化手段已被廣泛 地利用于生產(chǎn)中。當(dāng)溶質(zhì)元素

2、的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。 隨著溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，具一般規(guī)律情況是：強(qiáng)度、 硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率逐漸升高，導(dǎo)電性逐漸下降，磁 矯頑力升高等。例如銅鍥合金，其性能如圖一。通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為周 溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的產(chǎn)生是由于溶質(zhì)原子溶入后， 要引起溶劑金屬的品格產(chǎn)生畸 變，進(jìn)而使位錯移動時所受到的阻力增大的緣故。 固溶強(qiáng)化是材料的一種主要的 強(qiáng)化途徑。實踐證明，適當(dāng)掌握固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、 硬度的同時，使其仍然保持相當(dāng)好的塑性 和韌性。例如，向銅中加入19%

3、B,可使 合金的（rb由220MPa升高至380 - 400MPa,硬度由HB44升高至HB70,而 塑性仍然保持甲=50%數(shù)據(jù)結(jié)果如圖一。 若將銅通過其他途徑（例如冷變形時的加 工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效果，其塑性將 接近完全喪失。十分明顯，固溶強(qiáng)化是一 種極為優(yōu)異的強(qiáng)化方式，因而在金屬材料 的生產(chǎn)和研究中得到了極為廣泛的應(yīng)用，甥頁Cli61 卜Ni圖Cu-Ni合金相圖及性能第1頁共9金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化幾乎所有對綜合力學(xué)性能要求較高（強(qiáng)度、韌性和塑性之間有較好的配合）的結(jié) 構(gòu)材料都是以固溶體作為最主要最基本的相組成物的。 可是通過單純的固溶強(qiáng)化 所達(dá)到的最高強(qiáng)度指標(biāo)仍然有限，常常不能滿足

4、人們對于結(jié)構(gòu)材料的要求， 因而 不得不在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上再補(bǔ)充進(jìn)行其他強(qiáng)化處理。在塑性韌性方面，如延伸率、斷面收縮率和沖擊功等，固溶體要比組成它的 兩個純金屬的平均值低，但比一般化合物要高得多。因此，綜合起來，固溶體比純金屬和化合物具有較為優(yōu)越的綜合機(jī)械性能，因此，各種金屬材料總是以固溶體為其基體相。對于鋼鐵材料來說，固溶強(qiáng)化的作用只是其強(qiáng)化途徑的一種，因此有一定的 局限性；而對于非鐵金屬材料來說，固溶強(qiáng)化是行之有效的重要強(qiáng)化手段。工業(yè) 上使用的金屬材料，其大多數(shù)是以固溶體為基體的，有的甚至完全由固溶體組成。固溶強(qiáng)化及其變化規(guī)律也是對金屬材料進(jìn)行強(qiáng)化處理的方法之一，這將影響到對新材料的設(shè)計和現(xiàn)

5、有材料性能潛力的發(fā)揮。因而從總結(jié)歸納分析現(xiàn)有資料， 從而揭示形成固溶體及固溶強(qiáng)化的本質(zhì)規(guī)律，不論在理論和實踐上都有其重要意 義。.固溶體定義定義所謂固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑品格中而仍保持溶劑類型的合金相。這種相稱為固溶體，這種組元稱為溶劑，其它的組元即為溶質(zhì)。固溶體指的是一 定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結(jié)構(gòu)及對稱性等。但微 觀結(jié)構(gòu)上如結(jié)點的形狀、大小可能隨成分的變化而改變。如自然界輝石就是一個 多種成分的固溶體。自然界礦物中廣泛存在的離子或離子團(tuán)之間的置換的化學(xué)現(xiàn) 象，過程稱為類質(zhì)同像或固溶體。晶體結(jié)晶時，具晶體結(jié)構(gòu)中一種位置被兩種或 兩種以上的不同元素（或基團(tuán)）而形成

6、混合晶體的現(xiàn)象，而固溶體是反映形成這 種混合晶體的結(jié)構(gòu)。分類按溶質(zhì)原子在晶格中的位置關(guān)系可以分為置換固溶體、間隙固溶體和缺位第2頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化固溶體（其位置關(guān)系如圖二所示）。置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑品格中的結(jié)點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大，一般在 15%以內(nèi)時，易于形成置換固 溶體。銅鍥二元合金即形成置換固溶體，鍥原子可在銅品格的任意位置替代銅原 子。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異。影 響固溶體溶解度的因素有很多，主要取決于：晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、化學(xué)親和力（電負(fù)性）、原子價因素。間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑

7、品格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬， 而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金 屬元素。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比必須小于 0.59。如鐵碳合 金中，鐵和碳所形成的固溶體一一鐵素體和奧氏體，皆為間隙固溶體。按固溶度來分類，可分為有限固溶體和無限固溶體。大多數(shù)固溶體都屬此類。而無限固溶體只可能是置換固溶體，Cu-Ni AgAu、Ti-Zr、Mg-Cd等合金系都可形成無限固溶體。按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相 對分布來分，可分為無序固溶體 和有序固溶體。.固溶強(qiáng)化定義合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變， 晶格畸變增大位錯運(yùn) 動的阻力，使滑移難以進(jìn)行，

8、從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。這種通過融 入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化機(jī)理合金元素固溶于基體金屬后，造成一定程度上的晶格畸變，晶格畸變增大了 位錯運(yùn)動的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。融入 固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變， 在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時，可提高材料的強(qiáng)度 和硬度，但是其韌性和塑性卻有所下降。第3頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化令金元景（玨嶙于1圖三：合金元素對丫 -Fe屈服強(qiáng)度的影響產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的主要原因有二：一是固溶體中溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差，所引起的彈性畸變，與 管位錯之間產(chǎn)生的彈性交互作用，對號在滑移面上

9、運(yùn)動著的位借有阻礙,作用；二是在位錯線上偏聚的溶質(zhì) 原子對位錯的釘扎作用。如圖三表示了不同形式的固 溶的合金元素對丫 -Fe屈服強(qiáng)度的影響。 3.強(qiáng)化機(jī)理金屬塑性變形機(jī)理固溶強(qiáng)化的作用主要在于增大金屬塑性變形的抗力，當(dāng)金屬所受的應(yīng)力大于超過其彈性極限后，金屬就會要產(chǎn)生塑性變形。在常溫和低溫的環(huán)境中，金屬產(chǎn) 生塑性變形的主要方式是通過滑移的方式進(jìn)行的，有的是通過學(xué)生等其它方式進(jìn) 行。當(dāng)應(yīng)力超過晶體的彈性極限后，晶體中就會產(chǎn)生層片之間的相對滑移，大量 的層片間滑動的累積就構(gòu)成晶體的宏觀塑性變形。固溶強(qiáng)化機(jī)制固溶體的強(qiáng)化作用表現(xiàn)在以下兩方面，一是作為晶體的點缺陷，與位錯發(fā)生 彈性交互作用、化學(xué)交互作

10、用、電化學(xué)交互作用，以影響位錯運(yùn)動。溶質(zhì)原子與位錯的交互作用彈性交互作用由于點缺陷與位錯的交互作用，使溶質(zhì)原子在固溶體中聚集于位錯線附近， 形成溶質(zhì)氣團(tuán)。一些固溶合金在拉伸實驗時出現(xiàn)的上、下屈服極限點現(xiàn)象和和時 效回復(fù)效應(yīng)，都是合金中存在溶質(zhì)氣團(tuán)?？率綒鈭F(tuán)在正刃型位錯線的上半部分品格愛擠壓而處于壓應(yīng)力狀態(tài)，線的下半部分晶格受拉而處于拉應(yīng)力狀態(tài)。比溶劑原子大的置換原子及間隙原子往往擴(kuò)散到位借第4頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化線的下方受拉應(yīng)力的部分，比溶劑原子小的置換原子擴(kuò)散到線的上方受壓應(yīng)力的 部分。這樣，偏聚于位錯周圍的溶質(zhì)原子好像形成了一個溶質(zhì)原子“氣團(tuán)”，稱 為“柯式氣團(tuán)”。如圖四?？率?/p>

11、氣團(tuán)的形成，減小了晶格畸變，降低了溶質(zhì)原子 與位錯的彈性交互作用能，使位錯處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，減少了可動位錯數(shù)目。這 就是柯式氣團(tuán)對位錯束縛或釘扎作用。 由于氣團(tuán)對位錯的釘扎，使位錯處于低能 穩(wěn)定狀態(tài)，若使線運(yùn)動，脫離氣團(tuán)的釘扎，就需要更大的外力，一旦所加外力達(dá) 到所需極限，位錯便擺脫氣團(tuán)的束縛開始發(fā)生滑移。 從而增加了固溶體合金的塑 性變形抗力。圖四：溶質(zhì)原子在位錯附近的分布如上所述為柯式氣團(tuán)的釘扎作用。除了柯式氣團(tuán)對位錯的釘扎作用之外，柯 式氣團(tuán)對位錯還有拖曳作用，當(dāng)位錯運(yùn)動較慢時，可以看作是它們拖著柯式氣團(tuán) 五起運(yùn)動，氣團(tuán)對位錯表現(xiàn)出拖曳作用。一般只在高溫下、原子的擴(kuò)散速率與位 錯運(yùn)動速度

12、相近時，柯式氣團(tuán)才產(chǎn)生拖曳作用。鈴木氣團(tuán)鈴木氣團(tuán)層錯與溶質(zhì)原子發(fā)生交互作用，使層錯附近溶質(zhì)原子濃度不同于基 質(zhì)內(nèi)溶質(zhì)原子濃度，這種現(xiàn)象稱為鈴木效應(yīng)。當(dāng)溶質(zhì)原子偏聚在層錯附近，使其 濃度大于基體中濃度時，即形成鈴木氣團(tuán)。鈴木氣團(tuán)形成的根本原因在于層錯處 溶質(zhì)原子的能量不同于處在基質(zhì)中的能量?；瘜W(xué)交互作用和電化學(xué)交互作用溶質(zhì)原子還可與位錯發(fā)生化學(xué)交互作用和電化學(xué)交互作用。大量的塑性變形，往往要借助于位錯的交滑移進(jìn)行。而位錯進(jìn)行交滑移時， 在通過束集轉(zhuǎn)移到新、舊滑移面的交線之后，要在新滑移面上滑移，還需要先分 解為擴(kuò)展位錯。由于溶質(zhì)原子分布在滑移面上，在滑移面的某些區(qū)域或?qū)渝e面上第5頁共9頁金屬學(xué)與

13、熱處理之固溶強(qiáng)化發(fā)生偏聚，會提高這些區(qū)域的層錯能，使位錯擴(kuò)展困難，并使擴(kuò)展位錯難以滑移。 從而增加了變形的阻力，提高了材料的屬服強(qiáng)度。這是溶質(zhì)原子化學(xué)交互作用的 結(jié)果。另外，溶質(zhì)原子分布在位錯線上，在位錯周圍的彈性應(yīng)力場作用下，會發(fā)生 極化。即溶質(zhì)中的自由電子會從壓應(yīng)力區(qū)流向張應(yīng)力區(qū)， 而正離子則不能隨著電 子移動。電子流動的結(jié)展打破了正離子與自由電子間的電價平衡，使壓應(yīng)力區(qū)的自由電子濃度相應(yīng)降低，正價離子的濃度相應(yīng)增加，而成為正電極。相反，張應(yīng) 力區(qū)的自由電子的濃度增加，正價離子濃度相應(yīng)減少，而成為負(fù)電極。為了維持 靜電價平衡，固溶體中高價溶質(zhì)的正離子，通過擴(kuò)散富集到張應(yīng)力這里來構(gòu)成了 靠溶

14、質(zhì)原子與位錯間的電化學(xué)作用維持的靜電平衡系統(tǒng)。位錯要發(fā)生運(yùn)動，就必須增加外力打破這種平衡。因此它也是固溶強(qiáng)化的重要機(jī)制。有序強(qiáng)化機(jī)制A、B兩種原子形成有序固溶體（超2構(gòu)）時，強(qiáng)度比純?nèi)軇┙饘俚膹?qiáng)度高。因 為相對于同樣晶體形式的純?nèi)軇?，它的單位位錯的柏氏矢量更大，位錯組態(tài)更為 復(fù)雜。因此位錯運(yùn)動的阻力也會相應(yīng)增大。當(dāng)無序固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w時， 性能發(fā)生突變：硬度及脆性顯著增加，而塑性和電阻明顯降低。但是由同樣成分的無序固溶體轉(zhuǎn)化為有序固溶體，即發(fā)生長程有序化轉(zhuǎn)變， 卻會使合金的強(qiáng)度降低。因為，在無序固溶體中，溶質(zhì)原子以間隙或置換的方式 無序分布時，與位錯的交互作用對位錯運(yùn)動產(chǎn)生的阻力， 比形

15、成有序固溶體對位 錯運(yùn)動造成的阻力更大。而無序固溶體中只有在很小范圍內(nèi)發(fā)生有序化，即形成短程有序結(jié)構(gòu)時，才能對固溶體起到強(qiáng)化作用。這種短程有序結(jié)構(gòu)的點陣周期和 對稱性，與無序固溶體基體點陣的周期、 對稱性都不一樣。位錯在固溶體的滑移 系上運(yùn)動，通過這些有序結(jié)構(gòu)時，會遇到很大阻力，從而使材料得到強(qiáng)化。影響因素溶質(zhì)原子的原子分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用越大，強(qiáng)化作用更為顯著。間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強(qiáng)化作用，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強(qiáng)化作用大于面立方晶體的， 但間隙原子的固溶度有限，故實際強(qiáng)化作用效果也有限。不同形式的合金元 素造成的點陣畸變及強(qiáng)化效果如圖五所

16、示。第6頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)目相差越大，固溶強(qiáng)化效果越明顯，即固溶 體的屈服強(qiáng)度隨其增加而提高。溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，原始晶粒受到的干擾就越大，位錯滑 移就越困難，強(qiáng)化作用也越大。合金元素的含量。加入的合金元素的含量越多，強(qiáng)化效果就越好，如果加入 過多太大或太小的溶質(zhì)原子，就會越過溶解度，這就會造成另一種強(qiáng)化機(jī)制 彌散強(qiáng)化機(jī)制。4.應(yīng)用舉例硅在鐵素體中的固溶強(qiáng)化作用在固態(tài)的鑄鐵中，硅幾乎全部固溶于奧氏體和鐵素體，不進(jìn)入碳化物。硅原 子與鐵原子可以結(jié)合成具有強(qiáng)共價鍵的含硅鐵素體，不僅促進(jìn)鐵素體形成，而且使鐵素體強(qiáng)化的作用很強(qiáng)。為了解硅強(qiáng)化鐵素體

17、的能力，避免石墨形態(tài)和其他合金元素的影響，20世紀(jì) 50年代，國外有人在碳含量為 0.1%、不含其他合金元素的鋼中，加入不同量的 硅，以比較硅對力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表一。表一中還列出了組織為全部珠光 體、不含其他合金元素的碳鋼的性能，以供對比。表一：不同硅含量鐵素體力學(xué)性能力學(xué)硅含量（）全珠光體碳第7頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化性能微量0.822.283.40鋼抗拉強(qiáng)度MPa280-290315540645840伸長率()6055.050.021.010.0硬度HBW7588124150200由表1可見，硅強(qiáng)化鐵素體的作用很明顯。硅含量的提高后，抗拉強(qiáng)度和硬 度都隨之提高。但是，硅固溶強(qiáng)

18、化的鐵素體，抗拉強(qiáng)度和硬度的值仍明顯地低 于珠光體。在鑄鐵中，利用硅的固溶強(qiáng)化作用，可以減少或不用銅、鍥、錫、鑰、 銘等提高強(qiáng)度的合金元素，是相當(dāng)有益的。硅固溶于鑄鐵中的作用溶入一些特殊材料，不僅使合金在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率方面有良好的特性，而且在沖擊韌性，疲勞特性等力學(xué)性能方面都有優(yōu)越表現(xiàn)。 如硅固溶于 鑄鐵中的作用。在球墨鑄鐵中，硅固溶于鐵素體，有抑制珠光體、促進(jìn)鐵素體的作用，而且固溶于鐵素體的硅能使鐵素體強(qiáng)化。在脆性轉(zhuǎn)變溫度以上，硅固溶強(qiáng)化TtJi的球墨鑄鐵的沖擊韌度優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。40050()屈就里思仃二“心圖六：高硅球墨鑄鐵和常規(guī)球墨鑄鐵屈服強(qiáng)度硅固溶強(qiáng)化球墨鑄鐵，疲勞極限優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。鐵的屈服強(qiáng)度比常規(guī)球墨鑄鐵要高得圖六表示了幾種球墨鑄鐵抗拉強(qiáng) 度和屈服強(qiáng)度的關(guān)系。由圖可見，在 抗拉強(qiáng)度相同的條件下，高硅球墨鑄多，硅的固溶強(qiáng)化作用使球墨鑄鐵的 屈服強(qiáng)度大為提高。5.結(jié)束語固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的重要方法之一。固溶體金屬因其工藝相對來說，比較 簡單，并且成本也在適合的范圍內(nèi)。更為重要的是，在相同的條件下，它具有具第8頁共9頁金屬學(xué)與熱處理之固溶強(qiáng)化它金屬所達(dá)不到的優(yōu)越的機(jī)械力學(xué)性能，因此它在我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中得到了 極為廣泛地應(yīng)用。雖說在如今的時代，為了適應(yīng)多方面的要求，各種新材料、新 工藝不斷出現(xiàn)，新的材料越來越多，并且