固溶體的強化作用

1、金屬學與熱處理之固溶強化固溶體的強化作用雖然純金屬在實際工業(yè)生產上得到了一定的應用，但是由于其強度一般都很低，如鐵的抗拉強度約為 200MPa,而鋁的抗拉強度還不到100MPa,顯然都不 符合用作工業(yè)的結構材料。近年來，為了適應多方面的要求，各種新材料、新工 藝不斷出現，但是就目前來說，新材料的制造方法比較復雜，制備成本較高，市 場應用不是特別廣泛，所以，在今后很長一段時間之內，用的較多的仍然是一些 傳統(tǒng)材料。目前應用的金屬材料大多數是合金，新材料的廣泛應用還有一段時間。 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，固溶強化作為最基本的強化手段已被廣泛 地利用于生產中。當溶質元素

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：強度、 硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率逐漸升高，導電性逐漸下降，磁 矯頑力升高等。例如銅鍥合金，其性能如圖一。通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現象稱為周 溶強化。固溶強化的產生是由于溶質原子溶入后， 要引起溶劑金屬的品格產生畸 變，進而使位錯移動時所受到的阻力增大的緣故。 固溶強化是材料的一種主要的 強化途徑。實踐證明，適當掌握固溶體中的溶質含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、 硬度的同時，使其仍然保持相當好的塑性 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%數據結果如圖一。 若將銅通過其他途徑（例如冷變形時的加 工硬化）獲得同樣的強化效果，其塑性將 接近完全喪失。十分明顯，固溶強化是一 種極為優(yōu)異的強化方式，因而在金屬材料 的生產和研究中得到了極為廣泛的應用，甥頁Cli61 卜Ni圖Cu-Ni合金相圖及性能第1頁共9金屬學與熱處理之固溶強化幾乎所有對綜合力學性能要求較高（強度、韌性和塑性之間有較好的配合）的結 構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化 所達到的最高強度指標仍然有限，常常不能滿足

4、人們對于結構材料的要求， 因而 不得不在固溶強化的基礎上再補充進行其他強化處理。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，固溶強化的作用只是其強化途徑的一種，因此有一定的 局限性；而對于非鐵金屬材料來說，固溶強化是行之有效的重要強化手段。工業(yè) 上使用的金屬材料，其大多數是以固溶體為基體的，有的甚至完全由固溶體組成。固溶強化及其變化規(guī)律也是對金屬材料進行強化處理的方法之一，這將影響到對新材料的設計和現

5、有材料性能潛力的發(fā)揮。因而從總結歸納分析現有資料， 從而揭示形成固溶體及固溶強化的本質規(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。固溶體指的是一 定結晶構造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結構及對稱性等。但微 觀結構上如結點的形狀、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之間的置換的化學現 象，過程稱為類質同像或固溶體。晶體結晶時，具晶體結構中一種位置被兩種或 兩種以上的不同元素（或基團）而形成

6、混合晶體的現象，而固溶體是反映形成這 種混合晶體的結構。分類按溶質原子在晶格中的位置關系可以分為置換固溶體、間隙固溶體和缺位第2頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化固溶體（其位置關系如圖二所示）。置換固溶體：溶質原子占據溶劑品格中的結點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當溶劑和溶質原子直徑相差不大，一般在 15%以內時，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：晶體結構、原子尺寸、化學親和力（電負性）、原子價因素。間隙固溶體：溶質原子分布于溶劑

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， 而溶質是直徑很小的碳、氫等非金 屬元素。其形成條件是溶質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 動的阻力，使滑移難以進行，

8、從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融 入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬強度和硬度提高的現象稱為固溶強化。固溶強化機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 位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。融入 固溶體中的溶質原子造成晶格畸變， 在溶質原子濃度適當時，可提高材料的強度 和硬度，但是其韌性和塑性卻有所下降。第3頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化令金元景（玨嶙于1圖三：合金元素對丫 -Fe屈服強度的影響產生固溶強化的主要原因有二：一是固溶體中溶質與溶劑的原子半徑差，所引起的彈性畸變，與 管位錯之間產生的彈性交互作用，對號在滑移面上

9、運動著的位借有阻礙,作用；二是在位錯線上偏聚的溶質 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屈服強度的影響。 3.強化機理金屬塑性變形機理固溶強化的作用主要在于增大金屬塑性變形的抗力，當金屬所受的應力大于超過其彈性極限后，金屬就會要產生塑性變形。在常溫和低溫的環(huán)境中，金屬產 生塑性變形的主要方式是通過滑移的方式進行的，有的是通過學生等其它方式進 行。當應力超過晶體的彈性極限后，晶體中就會產生層片之間的相對滑移，大量 的層片間滑動的累積就構成晶體的宏觀塑性變形。固溶強化機制固溶體的強化作用表現在以下兩方面，一是作為晶體的點缺陷，與位錯發(fā)生 彈性交互作用、化學交互作

10、用、電化學交互作用，以影響位錯運動。溶質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，使溶質原子在固溶體中聚集于位錯線附近， 形成溶質氣團。一些固溶合金在拉伸實驗時出現的上、下屈服極限點現象和和時 效回復效應，都是合金中存在溶質氣團。柯式氣團在正刃型位錯線的上半部分品格愛擠壓而處于壓應力狀態(tài)，線的下半部分晶格受拉而處于拉應力狀態(tài)。比溶劑原子大的置換原子及間隙原子往往擴散到位借第4頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化線的下方受拉應力的部分，比溶劑原子小的置換原子擴散到線的上方受壓應力的 部分。這樣，偏聚于位錯周圍的溶質原子好像形成了一個溶質原子“氣團”，稱 為“柯式氣團”。如圖四。柯式

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

12、相近時，柯式氣團才產生拖曳作用。鈴木氣團鈴木氣團層錯與溶質原子發(fā)生交互作用，使層錯附近溶質原子濃度不同于基 質內溶質原子濃度，這種現象稱為鈴木效應。當溶質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。鈴木氣團形成的根本原因在于層錯處 溶質原子的能量不同于處在基質中的能量?；瘜W交互作用和電化學交互作用溶質原子還可與位錯發(fā)生化學交互作用和電化學交互作用。大量的塑性變形，往往要借助于位錯的交滑移進行。而位錯進行交滑移時， 在通過束集轉移到新、舊滑移面的交線之后，要在新滑移面上滑移，還需要先分 解為擴展位錯。由于溶質原子分布在滑移面上，在滑移面的某些區(qū)域或層錯面上第5頁共9頁金屬學與

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

14、質原子與位錯間的電化學作用維持的靜電平衡系統(tǒng)。位錯要發(fā)生運動，就必須增加外力打破這種平衡。因此它也是固溶強化的重要機制。有序強化機制A、B兩種原子形成有序固溶體（超2構）時，強度比純溶劑金屬的強度高。因 為相對于同樣晶體形式的純溶劑，它的單位位錯的柏氏矢量更大，位錯組態(tài)更為 復雜。因此位錯運動的阻力也會相應增大。當無序固溶體轉變?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化為有序固溶體，即發(fā)生長程有序化轉變， 卻會使合金的強度降低。因為，在無序固溶體中，溶質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動產生的阻力， 比形

15、成有序固溶體對位 錯運動造成的阻力更大。而無序固溶體中只有在很小范圍內發(fā)生有序化，即形成短程有序結構時，才能對固溶體起到強化作用。這種短程有序結構的點陣周期和 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 系上運動，通過這些有序結構時，會遇到很大阻力，從而使材料得到強化。影響因素溶質原子的原子分數越高，強化作用越大，強化作用更為顯著。間隙型溶質原子比置換原子具有較大的固溶強化作用，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化效果如圖五所

16、示。第6頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化溶質原子與基體金屬的價電子數目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶 體的屈服強度隨其增加而提高。溶質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，強化效果就越好，如果加入 過多太大或太小的溶質原子，就會越過溶解度，這就會造成另一種強化機制 彌散強化機制。4.應用舉例硅在鐵素體中的固溶強化作用在固態(tài)的鑄鐵中，硅幾乎全部固溶于奧氏體和鐵素體，不進入碳化物。硅原 子與鐵原子可以結合成具有強共價鍵的含硅鐵素體，不僅促進鐵素體形成，而且使鐵素體強化的作用很強。為了解硅強化鐵素體

17、的能力，避免石墨形態(tài)和其他合金元素的影響，20世紀 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，以比較硅對力學性能的影響，結果見表一。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性能力學硅含量（）全珠光體碳第7頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化性能微量0.822.283.40鋼抗拉強度MPa280-290315540645840伸長率()6055.050.021.010.0硬度HBW7588124150200由表1可見，硅強化鐵素體的作用很明顯。硅含量的提高后，抗拉強度和硬 度都隨之提高。但是，硅固溶強

18、化的鐵素體，抗拉強度和硬度的值仍明顯地低 于珠光體。在鑄鐵中，利用硅的固溶強化作用，可以減少或不用銅、鍥、錫、鑰、 銘等提高強度的合金元素，是相當有益的。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度、屈服強度和伸長率方面有良好的特性，而且在沖擊韌性，疲勞特性等力學性能方面都有優(yōu)越表現。 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、促進鐵素體的作用，而且固溶于鐵素體的硅能使鐵素體強化。在脆性轉變溫度以上，硅固溶強化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)球墨鑄鐵屈服強度硅固溶強化球墨鑄鐵，疲勞極限優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。鐵的屈服強度比常規(guī)球墨鑄鐵要高得圖六表示了幾種球墨鑄鐵抗拉強 度和屈服強度的關系。由圖可見，在 抗拉強度相同的條件下，高硅球墨鑄多，硅的固溶強化作用使球墨鑄鐵的 屈服強度大為提高。5.結束語固溶強化是強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。更為重要的是，在相同的條件下，它具有具第8頁共9頁金屬學與熱處理之固溶強化它金屬所達不到的優(yōu)越的機械力學性能，因此它在我們日常的生產生活中得到了 極為廣泛地應用。雖說在如今的時代，為了適應多方面的要求，各種新材料、新 工藝不斷出現，新的材料越來越多，并且