第五章固溶强化

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1、第五章 固溶强化,目录,第一节 固溶体的概念及分类 第二节 错配球模型 第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用 第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用 第五节 溶质原子与位错的化学交互作用 第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用 第七节 均匀固溶强化 第八节 固溶强化的特点,第一节 固溶体的概念及分类,一.概念,固溶体是一种或多种元素的原子溶入另一种元素的晶格形成的单相晶体。,按溶质原子晶格占位划分； 按溶解度划分； 按溶质原子分布的均匀性划分。,是否形成均匀固溶体取决于两种原子之间的结合能：,二.分类,第二节 错配球模型,一、无限大基体中的错配球,1. 基体中的应力-应变场,(1)

2、位移场,(2)应变场,只有正应变场，没有切应变，且,基体中的体积应变为零，即,这种应变场被称作纯剪型应变场。,第二节 错配球模型,(3)应力场,1. 基体中的应力-应变场,正应力：,水静压力：,应力应变场的特点：,第二节 错配球模型,一、无限大基体中的错配球,2. 球内的应力-应变场,(1)位移场,(2)应变场,(3)应力场,第二节 错配球模型,一、无限大基体中的错配球,应力应变场的特点：,在孔与球表面上，球对孔表面的压应力与孔对球表面的压应力大小相等， 符号相反：,2. 球内的应力-应变场,第二节 错配球模型,一、无限大基体中的错配球,二、有限大基体中的错配球,1. 像场的概念,有限大基体的

3、特点：有自由表面存在。,球孔错配在表面处形成的压力为：,为保证自由表面边界条件， 需附加反向应力场， 即像场：,边界条件：,第二节 错配球模型,2. 基体中的应力应变场：,二、有限大基体中的错配球,第二节 错配球模型,3. 位移和体积变化,径向位移：,r=R时：,说明自由表面处会产生附加位移，并且引起体积变化：,B基体的体积弹性模量：,第二节 错配球模型,二、有限大基体中的错配球,因此，形成错配球后，有限大基体中引起两种变化： （1）表面处产生体积变化 （2）内部引起水静压力场,3. 位移和体积变化,有限大基体中错配球应力应变场的特点是： （1） 都是内场与像场之和； （2）P=常数，是均匀场

4、； （3） 。,第二节 错配球模型,二、有限大基体中的错配球,对于已知溶质原子体积和溶剂原子体积的情况下，可以求出两者错配体积：,进一步可以求出：,三、 和 的关系,B为球的体积弹性模量：,其中 为球的泊松比,第二节 错配球模型,1. 有限大基体中的错配球模型,因此该模型适合于：,应力应变场的特点： （1）会引起表面处体积应变： （2）有正应变，无切应变； （3） 有正应力，无切应力，且为均匀水静压力场：,2. 一个圆球置于椭球形孔隙之中的模型（弹性偶极子）,因此该模型适合于：体心立方间隙原子的固溶强化。,（1）既有正应变，又有切应变； （2）既有正应力，又有切应力； （3） 内压为非均匀水静

5、压力场：,第二节 错配球模型,（1) 置换式溶质原子固溶强化； （2）面心立方间隙式溶质原子固溶强化。,应力应变场的特点：,四、错配球模型的适用性,正应力与体积变化发生交互作用；,考虑溶质原子与位错的交互作用，应从以下角度出发：,切应力与切应变发生交互作用；,注：有附加外部压力的情况下，产生的体积变化需要外力做功，称为交互作用能。 这种交互作用能在数值上等于外部压力与系统体积变化的乘积：,第二节 错配球模型,四、错配球模型的适用性,3. 溶质原子与位错的交互作用,第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,一、与刃型位错的弹性交互作用,1. 交互作用能,将溶质原子A视作错配球，则固溶体表面体积

6、效应为 刃型位错B的应力场会产生水静压力PB。,交互作用能：,其中：,刃型位错的应力场：,第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,1. 交互作用能,交互作用的特点：,Cottrell气团 由于溶质原子与位错的交互作用，刃型位错线附近形成溶质原子偏聚现象。,(3)对于小溶质原子： ；对于正刃位错： 因此，在 ； 即溶质原子偏聚在位错线上方；,第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,一、与刃型位错的弹性交互作用,(1) ，因此具有长程性；,(2)对于大溶质原子： ；对于正刃位错： 因此，在 ； 即溶质原子偏聚在位错线下方；,1）溶质原子尺寸和位错符号对其分布有影响； 2）分布与距离的关系：

7、 ， 即与位错线越近，溶质原子浓度越高： 3）Cottrell气团存在临界温度（露点）：,1）钉扎作用： 2）拖拽作用：,第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,一、与刃型位错的弹性交互作用,（1）特点,（2）Cottrell气团阻碍位错运动的机制,2. Cottrell气团,螺型位错的应力场：仅有一个切应力分量,交互作用能：,但有可能存在次级交互作用，原因在于： （1）螺型位错分解，其部分位错可能产生刃型分量； （2）螺型位错线发生拐折，从而出现刃型分量。,所以，一般认为，置换式溶质原子与螺型位错之间无弹性交互作用。,第三节 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,二、与螺型位错的弹性交互作

8、用,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,一、间隙式溶质原子形成错配球的特点,1. 面心立方中间隙原子的错配效应,有两种间隙：,八面体间隙：rB0.414 rA； 四面体间隙：rB0.225 rA；,错配球特点： （1）溶质原子易于占据八面体间隙， 产生球对称应力应变场， 与置换式间隙原子效应相同； （2）与刃型位错交互作用更强， 而且总是偏聚到半原子面的下方。,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,2. 体心立方中间隙原子的错配效应,有两种间隙：,八面体间隙：rB0.15 rA； 四面体间隙：rB0.29 rA；,八面体间隙的特点：垂直于轴向rB小，水平于轴向rB大 （1）是一个

9、非均匀对称场，可视作椭球形孔； （2）加入圆球形错配球后与前面讲过的弹性偶极子一致。,由于八面体间隙对称性好， 溶质原子总是占据八面体间隙。,这种弹性偶极子的特点是： （1）有正应力，也有切应力； （2）正应力不是均匀场，是非均匀内压应力场：,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,一、间隙式溶质原子形成错配球的特点,1. -Fe中碳原子与螺型位错存在交互作用的原因,螺型位错有切应变分量： 错配球具有非对称性，所以切应变不为零：,交互作用会使碳原子在位错线附近产生偏聚： （1）碳原子少时，会在八面体间隙处随机分布； （2）碳原子多时，会在外力作用下发生有序化，即占据单胞中一个轴上的八面体间

10、隙。,所以，存在弹性交互作用，其作用结果会使系统能量降低。,Snoek现象（应力诱发有序化现象） -Fe中碳原子在外力作用下优先占据某一八面体间隙位置的现象。,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,二、-Fe中碳原子与螺型位错的交互作用,1）位错与溶质原子的作用都具有长程性； 2）Cottrell气团的形成需要长程扩散； 3）Snoek气团的形成既可以有长程扩散，也可一没有。,1）碳原子于螺型位错交互作用，导致碳原子在位错线附近偏聚； 2）有外力作用使某一轴向拉长，导致碳原子易于进入这个轴向间隙之中。,螺型位错与碳原子发生弹性交互作用，使螺型位错线附近碳原子局部有序分布的组态，称之为Sn

11、oek气团。,1）只需要短程扩散即可形成，因而所需时间很短； 2）是一种动态有序（即在位错运动中形成）； 3）与位错交互作用同Cottrell气团一样强烈。,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,二、-Fe中碳原子与螺型位错的交互作用,（1)Snoek效应产生的条件,（2）Snoek气团,Snoek气团的特点：,（3）Cottrell气团和Snoek气团的的对比,2. Snoek效应及Snoek气团,刃型位错：既有正应力（变），又有切应力（变）； 碳原子错配：既有正应变（力），又有切应变（力） ；,特点： 交互作用强烈（因为-Fe间隙很小，所以很大）； 形成气团（间隙的错配效应具有非对称

12、性）： 有正应变场，与刃型位错正应力场交互作用，形成Cottrell气团； 有切应变场，与刃型位错切应力场交互作用，形成Snoek气团。,正是由于-Fe中碳原子与位错的强烈交互作用，才导致了碳原子的强烈固溶强化效应，并且产生了物理屈服、形变时效等现象。,弹性交互作用的特点： 间隙式原子的作用大于置换式原子； 溶质原子与溶剂原子半径差越大约好。,第四节 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,三、-Fe中碳原子与刃型位错的交互作用,第五节 溶质原子与位错的化学交互作用,1. 定义：,固溶体层错区对溶质原子具有化学吸附或反吸附作用，使层错区的溶质原子浓度与基体不同。将这种溶质原子分布的组态称为Suzu

13、ki气团。,2. 形成机制,例如：面心立方中形成层错时，相当于形成一层密排六方结构。 由于两相的自由能不同，而要达到两相的平衡，要求其化学势相同。因此，造成层错区与非层错区溶质的溶解度不同。,层错的堆垛方式不同于基体，可以将其视为形成的新相。所以，可以把层错与基体看成两相。,一、Suzuki（铃木）气团,二、Suzuki气团对位错的阻碍作用,通过虚功原理，分别分析层错区领先位错与后续位错运动时，外力做功所引起的能量变化，从而确定阻碍作用（书中详解）。,Suzuki气团阻碍位错运动，但作用比Cottrell气团低一个数量级。,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,有序强化 位错与有序分布的溶

14、质原子之间的交互作用会产生强化效应。这种强化效应是通过溶质原子几何位置的变化表现出来的，所以称之为几何交互作用。,1. 长程有序和短程有序,长程有序：序参量,短程有序：序参量,一、基本概念,2. 反向畴界,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,两个全位错之间夹一片反向畴界所形成的位错组态称之为超点阵位错。,3. 有序无序临界转变温度TC,4.超点阵位错,超点阵位错位错存在的原因： 单个位错运动会在扫过区域留下反向畴界，增加系统能量；如果再有一个位错扫过滑移面，则又有可能使反向畴界消除。 所以，超点阵结构中，位错总是成对出现。,？超点阵位错与扩展位错有何差别？,第六节 溶质原子与位错之间的几

15、何交互作用,一、基本概念,二、有序强化（长程有序）机理,1. 超点阵位错穿过反向畴界,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,？如何更好地利用有序强化机制？,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,二、有序强化（长程有序）机理,2. 形成的台阶会强烈阻碍位错运动,1. 起始流变应力较低,（1）溶质原子与位错弹性交互作用和化学交互作用，造成位错不仅要克服点阵阻力，而且要克服气团的钉扎，故开动位错需要较大的外力；,（2）而对于有序强化效应，两个超点阵位错运动时，不会引起系统能量的变化，因此易于开动。,2.加工硬化率高,（1）超点阵位错是位错对，而且中间有APB，不容易产生交滑移； 超点阵位错沿

16、平面滑移时，易在晶界处产生位错塞积，使加工硬化率升高；,（2）由于交滑移造成加工硬化率升高（某些FCC有序合金和高温合金）,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,三、有序强化特点,例如，FCC有序合金中（如Ni3Al），各滑移面上的反向畴界能不同： 111面的反向畴界能： 200尔格/cm2； 100面的反向畴界能：10-20尔格/cm2； 所以，反向畴界趋于停留在100面上。,（1）fcc中两个螺位错构成的超点阵位错，其中两个螺位错已经扩展，每个中间夹着一片层错；,（2）由于（111）面上反向畴界能较高，领先位错束集并交滑移移到（100）面；,（3）领先位错又沿着（111）面扩展，于是超点阵中的两个位错都难于前进。,所以，超点阵位错一旦发生交滑移，就马上会产生加工硬化。,第六节 溶质原子与位错之间的几何交互作用,三、有序强化特点