固溶强化-2.ppt

* * 固溶强化 《材料强度学》课程内容之二 2008年5月4日 固溶强化 位错在固溶体合金中的运动受到溶质原子应力场的阻碍： 1）溶质原子的长程内应力场（固溶体中溶质原子统计均匀地分布在基体中） 2）溶质原子与位错的短程作用力（位错与溶质原子相遇时，位错克服溶质原子钉扎所需的力） 1 溶质原子与位错的交互作用 晶体中位错（线缺陷）应力场和溶质（间隙或置换）应力场产生弹性相互作用的结果是位错周围的弹性应变能降低，其数值等于其交互作用能。 计算表明，如果溶质原子引起的晶格畸变是球形对称的，则溶质原子只和刃型位错有交互作用（因为螺型位错的应力场只有切应力）。 位错与溶质原子的交互作用能为（短程）： W= 4(1+?)/3(1-?)?Gb?R3?y/(x2+y2 ) ?－泊松比， G－切变模量，b－柏氏矢量， ?－溶质与溶质原子的错配度， R－溶剂原子半径， R（1＋ ? ）－溶质原子半径， 位错位于座标原点（0，0） 因为稳定状态下W必须为负值，由式可见： A：置换固溶体中，比溶剂原子小的溶质原子（ ?为负值），被吸引到位错中受压缩的上半部分（y为正值）；反之，大的溶质原子（ ?为正值）被吸引到位错中受膨胀的下半部分（y为负值）； B：间隙溶质原子（因总是产生膨胀，故?为正值），总是被吸引到位错中受膨胀的下半部分（y为负值）。 计算表明：体心立方金属中间隙原子和位错 的弹性交互作用更强烈，而且间隙原子在体 心立方金属中所造成的非对称晶格畸变与刃 型位错和螺型位错都有交互作用，使得体心 立方金属中的屈服效应比面心立方金属更加 明显。 2 溶质原子与位错交互作用的结果 （1）Cottrell 气团 －间隙原子在位错周围的（张应力区）偏聚。 （2）Snoek 气团 －间隙原子在体心立方金属中的不对称畸变与螺型位错发生交互作用而使间隙原子在晶胞内呈有序排列，且使螺型位错的弹性能降低。 （3）Suzuki 气团 －面心立方金属中，溶质由于化学的交互作用（非弹性交互作用）而在层错区中的偏聚，使层错能降低。 3 屈服与应变失效 （1）屈服现象的Cottrell 气团解释 1948年由Cottrell首先在低碳钢中提出：碳氮原子与位错交互作用所形成的Cottrell气团钉扎位错，需提高外力才能使位错运动（形成上屈服点），一旦位错开始运动以后，位错“脱钉”，塑性变形所需的应力由迅速下降（形成下屈服点），金属屈服而形成屈服平台，屈服伸长结束后，试样进入均匀塑性变形阶段。 但在不形成柯氏气团的晶体中， 也出现屈服降落。 （2）Gliman-Johnston 位错动力学理论 从位错运动速率与应力的关系，寻求屈服的普遍 解释，其要点（假设条件）是： A：变形前可动位错的密度小（大量位错被钉扎） B：变形后位错能快速产生与增殖 C：位错运动速率对应力不敏感 该理论可对Cottrell理论作一个补充与完善。 （3）低碳钢的动态应变时效 Portevin 和 Le Chatelier 首先在低碳钢中发现：随着变形温度的升高，明显的屈服降落逐渐消失，取而代之的是应力－应变曲线出现锯齿形，以后在铜、铝等合金中也发现同样的现象。 Cottrell 气团可以很好地解释动态应变失效 变形温度升高－溶质的扩散速度快（既容易扩散到位错附近形成气团，也容易在位错的运动过程中挣脱气团）－形成“钉扎与脱钉”的平衡）－产生锯齿形 如果溶质原子不偏聚在位错周围，不形成前述气团，而是以单个原子或原子群的形式存在（如合金中的GP区），在基体中不规则的分布，位错与溶质原子间的交互作用由如何呢？ （1）Mott-Nabarro 理论 从溶质原子和溶剂原子的尺寸差别来计算固溶强化效应。 （2）Fleischer 理论 同时考虑原子尺寸和弹性模量的影响。 4 非溶质气团强化模型 5 L.Vigard 定律 固溶体的点阵常数与溶质原子的浓度呈线性关系。 a = a0(1+k)atom% 但有的合金呈正偏差（直线稍上凸），有的呈负偏差（直线稍下凹）。 溶质原子半径小于溶剂原子: k0 溶质原子半径大于溶剂原子: k0 对间歇式固溶体：k0 *