氧化物弥散强化合金

氧化物弥散强化合金 (ODS) 是由金属基体和分散在其中的小氧化物颗粒组成的合金。 它们具有高耐热性、强度和延展性。 镍合金是最常见的，但也包括铁铝合金。

应用包括高温涡轮叶片和热交换器管，而钢用于核应用。 ODS 材料用于航天器以保护飞行器，尤其是在重返大气层期间。 贵金属 ODS 合金，例如铂基合金，用于玻璃生产。

当谈到以高超音速重返大气层时，气体的特性会发生巨大变化。 会产生可对任何结构造成严重损坏的冲击波。 在这些速度和温度下，氧气变得具有侵略性。

氧化物弥散强化是基于材料晶格内氧化物颗粒的不相干性。 相干粒子具有从基质到粒子的连续晶格平面，而非相干粒子不具有这种连续性，因此两个晶格平面都在界面处终止。 这种界面不匹配会导致高界面能，从而阻碍位错。 相反，氧化物颗粒在基体中稳定，有助于防止蠕变。 颗粒稳定性意味着很小的尺寸变化、脆化、对性能的影响、稳定的颗粒间距和在高温下的一般抗变化性。

由于氧化物颗粒不连贯，位错只能通过攀爬来克服颗粒。 相反，如果粒子与晶格是半相干或相干的，位错可以简单地通过一种更有利的过程来切割粒子，这种过程需要更少的能量，称为位错滑移或通过粒子之间的 Orowan 弯曲，这两者都是非热机制。 位错攀升是一个扩散过程，它在能量上不太有利，并且主要发生在较高温度下，该温度提供足够的能量以通过原子的添加和去除前进。 由于粒子不连贯，仅靠滑行机制是不够的，更耗费精力的攀登过程占主导地位，这意味着更有效地阻止了位错。 爬升可以发生在粒子位错界面（局部爬升）或一次克服多个粒子（一般爬升）。 在局部攀升中，位于两个粒子之间的位错部分停留在滑移平面中，而位错的其余部分则沿着粒子表面攀升。 对于一般的爬升，位错都从滑翔面出来。 一般爬升需要较少的能量，因为该机制减少了位错线长度，从而减少了弹性应变能，因此是常见的爬升机制。 对于镍基合金中 γ' 体积分数为 0.4 至 0.6 的情况，局部爬升的阈值应力仅比一般爬升高约 1.25 至 1.40 倍。

错位不限于所有局部或所有一般爬升，因为采用了需要较少能量的路径。 合作攀升是一种更微妙的机制的例子，其中位错围绕一组粒子传播，而不是单独爬过每个粒子。 McLean 指出，由于滑行面中的片段之间的一些突然界面跳过了沿着粒子表面行进的片段，因此在爬过多个粒子时位错最为松弛。

不相干粒子的存在引入了阈值应力 (σt)，因为必须施加额外的应力才能使位错通过爬升移动经过氧化物。 通过爬升克服粒子后，位错可以保持在粒子-基体界面处，并具有称为界面钉扎的吸引现象，这需要额外的阈值应力才能使位错脱离该钉扎，必须克服该应力才能发生塑性变形。 这种分离现象是粒子与位错之间相互作用的结果，其中总弹性应变能降低。

Schroder 和 Arzt 解释说，所需的额外应力是由于当位错爬升并适应剪切牵引力时，应力场减少引起的松弛。 以下等式表示由于氧化物引入而导致的应变率和应力。

ODS 钢的蠕变性能取决于金属基体中氧化物颗粒的特性，特别是它们防止位错运动的能力以及颗粒的大小和分布。