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固溶強(qiáng)化（材料科學(xué)學(xué)科中的現(xiàn)象）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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固溶強(qiáng)化

材料科學(xué)學(xué)科中的現(xiàn)象

合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。這種通過(guò)融入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。

基本信息

中文名	固溶強(qiáng)化
別名	零維強(qiáng)化
外文名	Solid solution strengthening
方法	合金元素固溶于基體金屬
目的	使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加
學(xué)科	材料科學(xué)

收起

原理

Solid solution strengthening

融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)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。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

影響因素

（1）溶質(zhì)原子的原子分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用也越大，特別是當(dāng)原子分?jǐn)?shù)很低時(shí)，強(qiáng)化作用更為顯著。

（2）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大。

（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強(qiáng)化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點(diǎn)陣畸變屬非對(duì)稱性的，故其強(qiáng)化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實(shí)際強(qiáng)化效果也有限。

（4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)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)度隨著價(jià)電子濃度的增加而提高。

程度

固溶強(qiáng)化的程度主要取決于兩個(gè)因素：1. 原始原子和添加原子之間的尺寸差別。尺寸差別越大，原始晶體結(jié)構(gòu)受到的干擾就越大，位錯(cuò)滑移就越困難。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，強(qiáng)化效果越大。如果加入過(guò)多太大或太小的原子，就會(huì)超過(guò)溶解度。這就涉及到另一種強(qiáng)化機(jī)制，分散相強(qiáng)化。3.間隙型溶質(zhì)原子比置換型原子具有更大的固溶強(qiáng)化效果。4.溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。

效果

1. 屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和硬度都要強(qiáng)于純金屬

2. 絕大部分情況下，延展性低于純金屬

3. 導(dǎo)電性比純金屬低很多

4. 抗蠕變，或者在高溫下的強(qiáng)度損失，通過(guò)固溶強(qiáng)化可以得到改善

應(yīng)用實(shí)例

1．微量Ag對(duì)銅合金性能的影響

Cu-Ag合金是典型的固溶強(qiáng)化型合金，在共晶溫度(779℃)時(shí)銀在銅中的溶解度可達(dá)8%。銀分布在固溶體中，從而提高銅的強(qiáng)度和硬度，產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。一般說(shuō)來(lái)，銅中加入合金元素，溶質(zhì)原子溶入晶格后會(huì)引起晶體點(diǎn)陣畸變，這種畸變的晶格點(diǎn)陣對(duì)運(yùn)動(dòng)電子的散射作用也相應(yīng)加劇。因此，固溶強(qiáng)化對(duì)銅的導(dǎo)電性和強(qiáng)度的效應(yīng)是矛盾的。但銀與可固溶于銅的其他元素不同，含銀量少時(shí)，銅的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的下降不多，對(duì)塑性的影響也甚微，并顯著提高銅的再結(jié)晶溫度、蠕變強(qiáng)度和抗高溫?zé)?/span>低周疲勞。在相關(guān)文獻(xiàn)中有介紹：在銅中加入0.2%-1%銀后，導(dǎo)電率仍保持在100%IACS，形變強(qiáng)化后強(qiáng)度可達(dá)到400MPa以上：Cu-0.085%Ag經(jīng)冷加工后，強(qiáng)度可達(dá)到420MPa，導(dǎo)電率為100%IACS，Cu-10%Ag經(jīng)適當(dāng)處理后，強(qiáng)度可達(dá)到1000MPa，導(dǎo)電率可達(dá)80%IACS。

2. 微量元素對(duì)Pt或Pt-Rh合金高溫強(qiáng)度的影響

微量或少量元素對(duì) Pt 和 Pt-Rh 合金的高溫強(qiáng)度有明顯的影響，溶質(zhì)W、Mo、Ir、Ru、Os、Re 等內(nèi)聚能很高，它們對(duì)Pt、Pd的強(qiáng)化效果很好，所有過(guò)渡族元素及Cu、Ag和Au在Pt中也有相當(dāng)高的固溶度，特別是周期表中Pt附近的元素與Pt形成連續(xù)固溶體。在不甚高的溫度范圍內(nèi)，這些元素對(duì)Pt均有不同程度的固溶強(qiáng)化作用。

3. V-4Cr-4Ti合金的氫致硬化

釩合金具有較強(qiáng)的吸氫能力，合金元素Ti能顯著提高合金的吸氫量，在發(fā)生氫脆斷裂的臨界氫含量下，達(dá)到氫致脆性斷裂之前，釩合金的氫致硬化是一種典型的固溶強(qiáng)化。這是因?yàn)镠在合金中是非常容易擴(kuò)散的，其可以與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，從而提高合金的強(qiáng)度，并使合金的塑性降低。H引起合金的固溶強(qiáng)化，使合金的晶粒強(qiáng)度升高。而金屬Ti是一種很好的吸氣劑，在釩合金中，由于Ti對(duì)其中中間隙雜質(zhì)原子C，N，O和H等具有很強(qiáng)的吸附作用，它能減低它們?cè)诤辖鹬械臄U(kuò)散系數(shù)，會(huì)降低合金中H與位錯(cuò)的交互作用，使合金具有相對(duì)優(yōu)良的抗氫脆性能。

4. Al-Zn-(Cu)合金的固溶強(qiáng)化效應(yīng)

經(jīng)過(guò)均勻化處理的Al-Zn-2Cu合金，固溶處理后形成單相固溶體。如再對(duì)其進(jìn)行階梯退火，得到的組織為在Al基固溶體上彌散分布著細(xì)小的Zn相，其是由α-Al 和β-Zn 相組成。可見Al-Zn-2Cu合金在固溶處理后的階梯退火過(guò)程中，在發(fā)生失穩(wěn)分解后，已經(jīng)通過(guò)不連續(xù)沉淀形成了兩相平衡組織。該合金鑄態(tài)組織是由α-Al 和β-Zn 相組成的兩相枝晶組織。階梯退火所得到的平衡態(tài)組織較鑄態(tài)組織更細(xì)小，但其硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鑄態(tài)組織的硬度。由此可見，在Al-Zn-2Cu合金中與固溶強(qiáng)化效應(yīng)相比，析出強(qiáng)化效應(yīng)相對(duì)較弱，隨著溶質(zhì)原子的析出，所產(chǎn)生的析出強(qiáng)化效應(yīng)要小于所損失的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，造成合金的強(qiáng)度下降。Al-Zn-(Cu)合金的硬度主要取決于固溶強(qiáng)化效應(yīng)。

5．鈷基高溫合金

鈷基合金中含有大量降低層錯(cuò)能的鈷、鎢、鉻等元素，因此其層錯(cuò)能較低，在合金中形成大量的堆垛層錯(cuò)和孿晶，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，特別是合金中的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度的增加，使位錯(cuò)的攀移變得極為困難，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度。但是如果鎢含量過(guò)高的話會(huì)使析出相數(shù)量增加，晶粒發(fā)生細(xì)化，合金的高溫拉伸強(qiáng)度反而會(huì)下降。過(guò)量的鎢還會(huì)形成大量的析出相，會(huì)削弱鎢的固溶化作用，同時(shí)大量的析出相還會(huì)使合金的冷加工變得非常困難。

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