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1、1,固溶强化机制,2,固溶强化机制,固溶强化：由于溶质原子的存在而使材料强度升高的现象，强化作用主要源于弹性交互作用和化学交互作用。本章主要内容建立固溶强化的模型（描述溶质原子与位错的多种交互作用）物理模型错配球模型等,3,5.1 固溶体的概念及其分类,一.概念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。前者称溶质原子，后者称溶剂原子。,4,5.1固溶强化机制,二、分类置换固溶体/间隙固溶体有限固溶体/无限固溶体有序（均匀）固溶体/无序（非均匀）固溶体,5,5.1固溶强化机制,6,5.1固溶强化机制,原子分布是有序还是无序主要取决于溶质及溶剂原子间的结合能。A：溶剂 B：溶质，用
2、U表示原子间的结合能。令：实际固溶体中或多或少存在着偏聚及有序分布。,7,5.2 错配球模型,简介：用以描述溶质原子弹性畸变引起的的应力应变场。溶质原子：球；溶剂原子或晶格间隙：孔球与孔皆为连续弹性介质,8,5.2 错配球模型,两者搭配时球受压，产生体积变化孔受拉，体积变化基体体积变化,9,5.2 错配球模型,一、无限大基体中错配球的应力应变场1.位移场 球孔搭配在基体中产生球对称的应变。仅有径向位移无切向位移。,10,5.2 错配球模型,2.应变场 由弹性力学，应变场为；且体积应变e=0：V0为晶体的体积。应变场特点：只有正应变没有切应变。体积应变等于零。,11,5.2 错配球模型,3.应力
3、场 由胡克定律求出错配球效应在基体中引起的应力场；将 代入得平均正应力为：即：错配球在无限大基体中不引起压力场。,12,5.2 错配球模型,二、球内的应力应变场球变形的特点：均匀体积收缩。只有径向位移，与半径成正比位移场：应变场：,13,5.2 错配球模型,应力场：特点：位移场与半径成反比 应力应变分量为常数 静水压力与体应变不为零,14,15,5.2 错配球模型,2.基体中产生的应力场由错配所引起的应力场和边界条件引起的像应力场两部分组成。,16,5.2 错配球模型,3.位移和体积变化类似方法可求出有限大基体中总的径向位移：,17,5.2 错配球模型,总结：错配球的形成在有限大基体中引起两种
4、变化：（1）表面处的体积变化（2）水静压力场有限大基体中错配球应力应变场的特点是：（1）位移，应力，应变都是内场与像场之和（2）P=常数，是均匀场（3）,18,5.2 错配球模型,四.已知溶质原子的体积 v球 和溶剂原子的体积 v孔的情况下，两者的错配体积为,19,5.2 错配球模型,五.错配球模型的适用性1.有限大基体中的错配球模型适用于置换式溶质原子以及面心立方中间隙式溶质原子。2.一个圆球置于椭圆孔隙之中的模型同时有正应力、切应力；正应变和切应变。适合于体心立方间隙原子的固溶强化。,20,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,一.置换式溶质原子的错配球效应由于溶质与溶剂原子的差异引
5、起错配效应，得到球形对称的应力应变场。可用正交点力组表征。,21,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,错配体积：错配度：错配度与基体体积变化的关系,22,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,二.溶质原子间的弹性交互作用两个置换原子分别看作两个错配球，讨论两者之间的弹性交互作用。,23,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,预备知识：错配球在有限大基体中产生的应变能等于附加外力产生体积变化所做的功。也称交互作用能。其数值等于外部压力与系统体积变化的乘积。正应力与体积变化发生交互作用：切应力与切应变发生交互作用：,24,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,根据交互作用
6、能的情况可以判断交互作用类型,25,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,由A原子造成的晶体外部体积变化，为B原子也是错配球，其应力场在晶体表面引起外压力。,26,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,由A、B两原子间形成的弹性交互作用能为即：置换式的溶质原子之间的弹性交互作用能与两原子间的距离无关。且无组态作用力：结论：两置换溶质原子之间有交互作用能无交互作用力，其分布表现出偏聚和无序分布两种趋势。,27,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,三.溶质原子与刃型位错的弹性交互作用A：溶质原子，错配球，晶体表面产生体积变化B：刃型位错，应力源内部产生压力场,28,5.3 置换
7、式溶质原子与位错的弹性交互作用,A与B的弹性交互作用能为,29,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,讨论;1.弹性交互作用能具有长程性质将这种由于位错与溶质原子的交互作用而形成的在刃型位错附近的溶质原子偏聚现象，称为Cottrell气团。.,30,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,Cottrell气团（1）特点1）溶质原子尺寸和位错线的符号对其分布状态有影响。2）溶质原子分布与距离的关系：与位错越近，溶质原子浓度越高3）露点（Cottrell气团存在的临界温度）：温度过高会使气团分解。,31,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,Cottrell气团阻碍位错运动的机制（
8、1）钉扎机制由于位错与溶质原子间的弹性交互作用，使溶质原子偏聚于位错线附近。有外力作用时位错的运动会改变溶质原子的平衡位置，系统能量升高，位错运动受阻。位错运动较快时，摆脱Cottrell气团钉扎的临界切应力为：,32,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,Cottrell气团阻碍位错运动的机制（2）拖曳机制位错运动较慢时，可以拖着Cottrell气团一起运动，气团对位错表现出拖曳作用。一般只在高温下、原子的扩散速率与位错运动速度相近时才产生。,33,5.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用,四.溶质原子与螺型形位错的弹性交互作用A：溶质原子，错配球，晶体表面产生体积变化B：螺型位错，
9、仅有切应力场，PB=0交互作用能：一般认为置换式溶质原子与螺位错之间无弹性交互作用。,34,5.4 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.FCC结构间隙原子的错配效应四面体间隙：八面体间隙：错配球特点：1）原子占据八面体间隙，产生球对称的应力应变场；2）间隙原子与刃型位错的交互作用更强，偏聚到半原子面的下方。,35,5.4 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2.BCC结构间隙原子的错配效应四面体间隙：八面体间隙：错配球特点：1）原子占据八面体间隙，产生非对称的应力应变场；2）既有正应力也有切应力，正应力产生非均匀的内压应力
10、场:,36,5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,二.中碳原子与螺位错的交互作用Snoek气团因为两者的应力应变场都是既有切应力又有切应变，故产生弹性交互作用使碳原子在螺位错附近偏聚，降低系统能量。该偏聚的特点为;(1)C原子较少时，于八面体间隙中随机分布(2)C原子较多时，在外力作用下占据单胞中某一轴向上的八面体间隙有序化。Snoek效应：指 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（或叫应力诱发有序化现象）。,37,5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,Snoek气团:螺位错与碳原子发生弹性交互作用而使得位错线附近碳原子局部有序分布的组态叫Snoek气团。Snoek气团
11、的特点：(1)短程扩散可以形成，形成速度快。(2)在位错运动中形成，是动态的有序分布。(3)气团与位错的交互作用与柯氏气团一样强烈。,38,5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,柯氏气团与Snoek气团是否都需要长程扩散和溶质偏聚:(1)两种位错与溶质原子的交互作用都具有长程性。(2)柯氏气团的形成需要溶质原子的长程扩散。(3)Snoek气团的形成可以有长程扩散也可以没有长程扩散。a.有序化不一定要有碳原子浓度的变化，仅需应力诱发。b.位错运动时也不可能发生碳原子的长程扩散。但短程扩散可在位错应力场作用下实现，达到局部有序化。,39,5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,三.中碳原子与
12、刃位错的交互作用刃型位错:同时有正应力（变）和切应力（变）碳原子：同时有正应力（变）和切应力（变）故两者间的交互作用强烈：碳原子的正应变场与刃位错的正应力场作用Cottrell气团碳原子的切应变场与螺位错的切应力场作用Snoek气团强烈的气团作用是碳原子固溶强化、应变时效、物理屈服等的主要原因。,40,5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用,溶质原子与位错弹性交互作用的特点;间隙式原子的作用置换式原子的作用溶质原子与溶剂原子的半径差越大越好。,41,5.5 溶质原子与位错的化学交互作用,一.铃木（Suzuki）.气团1.定义 是指层错区对溶质原子有化学吸附作用，使层错区溶质原子浓度与基体不同
13、，这种溶质原子分布的特殊组态称铃木气团。2.形成机制 层错区内相当于形成了新的相，欲达到新母相的平衡，要求化学势相同。造成层错区与非层错区的溶质浓度不同。,42,5.5 溶质原子与位错的化学交互作用,二.铃木（Suzuki）.气团对位错的阻碍作用可利用虚功原理求解。分别分析层错区领先位错与后续位错一起运动时的外力做功与引起的能量变化，据此确定阻碍作用。铃木气团对位错的阻碍作用比Cottrell气团低约一个数量级。,43,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,位错与有序分布的溶质原子间交互作用会产生强化效应，该效应通过溶质原子几何位置的变化而表现出来，称几何交互作用。,44,5.6
14、溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,一.基本概念1.长程有序及短程有序 用序参量表示有序化的程度长程有序：短程有序：,45,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,2.反相畴界（APB）两个有序畴块之间的界面，称为反相畴界。晶体的有序度越高，反相畴界越少,46,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,3.有序-无序转变温度Tc升温到Tc附近时，结构由有序转变为短程有序，继续升温，将得到无序结构。在Tc附近改变淬火温度，可以获得不同的有序化程度，得到不同的反相畴界的数量。可以用于材料强化设计。,47,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,4.超点阵位错指在两
15、个全位错之间夹着一片反相畴界所形成的位错组态。有序结构中的运动位错总是以超点阵位错的形式存在，以成对的方式运动。全位错也可能分解为扩展位错。,48,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,出现超点阵位错的原因是两个同号位错相继穿过滑移面时不会留下反相畴界。,49,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,二、短程有序强化位错切过短程有序区时破坏了短程有序结构，由于异类原子对数目改变，系统能量升高，外力附加做功，使强度升高。,50,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,三、长程有序强化机理反相畴界作用1.超点阵位错穿过APB时在主滑移面上形成两原子长台阶APB,51
16、,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,2.台阶对位错运动造成强烈阻碍。领先位错通过APB台阶时，使其消除，超点阵位错解体，领先位错与后续位错分别在断开的两APB处受阻。可见适当降低有序度，增加APB数量，可以达到更好的有序强化效果。可通过调整淬火温度实现。,52,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,四、有序强化的特点1.起始流变应力较低与溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用相比，超点阵位错运动不需克服气团的钉扎，也不会引起系统能量变化，易于开动。,53,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,2.加工硬化率高原因：(1)超点阵位错不容易产生交滑移（中
17、间有APB），平面滑移时易在晶界处塞积。(2)若产生交滑移会造成更大的滑移阻力。,54,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,交滑移通常仅在某些合金（FCC）以及高温下产生Cu3Au有序合金中，111面APB能最高，100面APB能最低。故APB易于在后者上形成。超点阵滑移在(111)面上进行时，领先位错交滑移到(100)上，降低APB能。领先位错又交滑移到(111)面，这时，两个位错都难于继续前进。相当于(111)面超点阵位错解体，各自继续滑移时定会产生新的APB。故超点阵位错一旦交滑移就会立刻硬化。,55,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,3.有序合金温度-强度
18、变化的反常效应针对上述超点阵位错APB在不同晶面上有差异的情况，从易滑移面到非易滑移面的交滑移需要较大的热激活。温度越高，交滑移数量增加，滑移障碍也增加。即有序合金强度提高。当温度接近 Tc 时，材料开始向无序转变，位错运动变为单个位错的形式。变形阻力下降，材料强度降低。,56,5.6 溶质原子与位错的几何交互作用（有序强化）,提高长程有序合金强度的有效措施：适当降低合金的长程有序度，引入适量的反相畴界。在 Tc 附近淬火可以使长程有序程度降低，调整淬火温度可得到不同的长程有序化程度，得到不同的APB数量。,57,5.7 均匀固溶强化,前提：溶质原子随机分布，在位错运动过程中保持不动。可以将其看作是质点障碍。均匀固溶强化的表达式：C溶质原子浓度 稀固溶体：n=1/2 浓固溶体：n=1 一般情况：n=2/3,58,5.8 固溶强化的特点,一.对塑性的影响提高强度的同时，加工硬化率不变，故均匀延伸率下降，但对局部塑性变形无影响。总体效果：是材料的塑性下降。,59,5.8 固溶强化的特点,二、使材料产生不稳定流变（锯齿流变现象）是溶质原子反复钉扎位错的结果,
