固溶強化
編輯在冶金學中,固溶強化是一種可用于提高純金屬強度的合金化。 該技術的工作原理是將一種元素(合金元素)的原子添加到另一種元素(賤金屬)的晶格中,形成固溶體。 由于合金元素,晶格中的局部不均勻性通過應力場阻礙位錯運動而使塑性變形更加困難。 相反,超過溶解度極限的合金化可以形成第二相,通過其他機制(例如金屬間化合物的沉淀)導致強化。
類型
編輯根據合金元素的大小,可以形成置換固溶體或間隙固溶體。 在這兩種情況下,原子都被可視化為剛性球體,其中整體晶體結構基本上沒有變化。
當溶質原子大到足以取代其晶格位置中的溶劑原子時,就會發生替代固溶強化。 一些合金元素僅可少量溶解,而一些溶劑和溶質對在整個二元組合物范圍內形成溶液。 通常,當溶劑和溶質原子的原子大小相似(根據 Hume-Rothery 規則為 15%)并且在其純態下采用相同的晶體結構時,溶解度會更高。 完全混溶的二元系統的例子是 Cu-Ni 和 Ag-Au 面心立方 (FCC) 二元系統,以及 Mo-W 體心立方 (BCC) 二元系統。
當溶質原子足夠小(半徑高達母原子半徑的 57%)以適應溶劑原子之間的間隙位置時,就會形成間隙固溶體。 原子擠進間隙位置,導致溶劑原子的鍵壓縮并因此變形(這個原理可以用鮑林規則來解釋)。 通常用于形成間隙固溶體的元素包括H、Li、Na、N、C和O。鐵(鋼)中的碳是間隙固溶體的一個例子。
機制
編輯材料的強度取決于其晶格中位錯傳播的難易程度。 這些位錯根據其特性在材料內產生應力場。 當引入溶質原子時,會形成與位錯相互作用的局部應力場,阻礙它們的運動并導致材料的屈服應力增加,這意味著材料的強度增加。 該增益是晶格畸變和模量效應的結果。
當溶質和溶劑原子的大小不同時,會產生局部應力場,從而吸引或排斥附近的位錯。 這被稱為規模效應。 通過釋放晶格中的拉伸或壓縮應變,溶質尺寸不匹配可以使位錯處于較低的能量狀態。 在替代固溶體中,這些應力場是球對稱的,這意味著它們沒有剪切應力分量。 因此,替代溶質原子不與螺旋位錯的剪切應力場特征相互作用。 相反,在間隙固溶體中,溶質原子引起四方畸變,產生可以與刃位錯、螺位錯和混合位錯相互作用的剪切場。 位錯對溶質原子的吸引或排斥取決于原子是位于滑移面上方還是下方。 例如,考慮一個邊緣位錯在其滑移面上方遇到一個較小的溶質原子。 在這種情況下,相互作用能為負,導致位錯被溶質吸引。 這是由于位于位錯核心上方的壓縮體積減少了位錯能量。 如果溶質原子位于滑移面下方,位錯將被溶質排斥。 然而,刃型位錯和較小溶質之間的總相互作用能是負的,因為位錯在具有吸引能量的位點花費更多時間。 對于尺寸大于溶劑原子的溶質原子也是如此。 因此,由尺寸效應決定的相互作用能通常是負的。
溶質原子的彈性模量也可以決定強化的程度。 對于彈性模量低于溶劑彈性模量的“軟”溶質,因模量失配引起的相互作用能 (Umodulus) 為負,這增強了尺寸相互作用能 (Usize)。 相反,U 模量對于“硬”溶質為正,這導致總相互作用能低于軟原子。 即使當位錯接近溶質時,在兩種情況下相互作用力都是負的(有吸引力的)。
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