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实心溶液加强 编辑

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实心溶液加强

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根据合金元素的大小,可以形成置换固溶体或间隙固溶体。在这两种情况下,原子都被可视化为刚性球体,其中整体晶体结构基本不变。Hume-Rothery规则和Pauling规则总结了晶体几何学对原子溶解度预测的基本原理。

当溶质原子大到足以取代溶剂原子的晶格位置时,就会发生取代固溶强化。一些合金元素仅以少量溶解,而一些溶剂和溶质对在整个二元组合物范围内形成溶液。通常,当溶剂和溶质原子的原子大小相似(根据休谟-罗瑟里规则为15%)并采用相同的纯晶体结构时,溶解度会更高。完全混溶的二元系统的例子是Cu-Ni和Ag-Au面心立方(FCC)二元系统,以及Mo-W体心立方(BCC)二元系统。

当溶质原子足够小(半径高达母原子半径的57%)以适合溶剂原子之间的间隙位点时,就会形成间隙固溶体。原子挤入间隙位置,导致溶剂原子的键压缩并因此变形(这个基本原理可以用鲍林规则解释)。通常用于形成间隙固溶体的元素包括H、Li、Na、N、C和O。铁(钢)中的碳是间隙固溶体的一个例子。

机制

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材料的强度取决于其晶格中位错传播的难易程度。这些位错根据其特性在材料内产生应力场。当引入溶质原子时,会形成与位错相互作用的局部应力场,阻碍它们的运动并导致材料屈服应力的增加,这意味着材料强度的增加。这种增益是晶格畸变和模量效应的结果。

当溶质和溶剂原子的大小不同时,会产生局部应力场,可以吸引或排斥其附近的位错。这被称为尺寸效应。通过减轻晶格中的拉伸或压缩应变,溶质尺寸不匹配可以使位错处于较低能量状态。在替代固溶体中,这些应力场是球对称的,这意味着它们没有剪切应力分量。因此,置换溶质原子不与螺旋位错的剪切应力场特征相互作用。相反,在间隙固溶体中,溶质原子会导致四方位错,产生可与边缘位错、螺旋位错和混合位错相互作用的剪切场。位错对溶质原子的吸引或排斥取决于原子是位于滑移面之上还是之下。边缘位错在其滑移面上方遇到较小的溶质原子。在这种情况下,相互作用能是负的,导致位错被溶质吸引。这是由于位错核心上方的压缩体积降低了位错能。如果溶质原子位于滑移面下方,则位错将被溶质排斥。然而,边缘位错和较小溶质之间的整体相互作用能是负的,因为位错在具有吸引能量的位点上花费了更多时间。对于尺寸大于溶剂原子的溶质原子也是如此。因此,由尺寸效应决定的相互作用能通常是负的。

弹性模量溶质原子的大小也可以决定强化的程度。对于弹性模量低于溶剂的“软”溶质,由于模量不匹配而产生的相互作用能(Umodulus)为负,从而增强了尺寸相互作用能(Usize)。相反,Umodulus对“硬”溶质是正的,这导致总相互作用能低于软原子。即使当位错接近溶质时,在这两种情况下相互作用力都是负的(有吸引力的)。将位错从最低能态(即溶质原子)撕裂所需的xxx力(Fmax)对于软溶质来说大于硬溶质。结果,由于通过结合尺寸和模量效应的协同强化,软溶质将比硬质溶质更强化晶体。

实心溶液加强

对于大多数晶体材料,弹性相互作用效应(即尺寸和模量效应)主导固溶强化。然而,其他效应,包括电荷和堆垛层错效应,也可能起作用。对于静电相互作用决定键强度的离子固体,电荷效应也很重要。例如,将二价离子添加到单价材料中可以增强溶质和包含位错的带电基质原子之间的静电相互作用。然而,这种强化程度低于弹性强化效果。对于含有较高密度层错的材料,溶质原子可能与层错相互作用,要么吸引,要么排斥。这降低了堆垛层错能量,导致排斥部分位错,从而使材料更坚固。

表面渗碳或表面硬化是固溶强化的一个例子,其中固溶碳原子的密度在靠近钢表面的地方增加,从而导致整个材料中的碳原子梯度。这为钢的表面提供了卓越的机械性能,而不必为部件使用成本更高的材料。

影响

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为了通过固溶强化实现显着的材料强化,应与剪切模量较高的溶质进行合金化,从而增加材料的局部剪切模量。此外,还应与不同平衡晶格常数的元素进行合金化。晶格参数的差异越大,合金化引入的局部应力场越高。与具有较高剪切模量或具有非常不同晶格参数的元素进行合金化将分别增加刚度并引入局部应力场。在任何一种情况下,位错传播都会在这些位置受到阻碍,从而阻碍塑性并随着溶质浓度成比例地增加屈服强度。

然而,不应添加太多溶质以沉淀新相。如果溶质浓度达到二元系统相图给出的某个临界点,就会发生这种情况。因此,该临界浓度限制了使用给定材料可以实现的固溶强化量。


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