固溶强化

在冶金学中，固溶强化是一种可用于提高纯金属强度的合金化。 该技术的工作原理是将一种元素（合金元素）的原子添加到另一种元素（贱金属）的晶格中，形成固溶体。 由于合金元素，晶格中的局部不均匀性通过应力场阻碍位错运动而使塑性变形更加困难。 相反，超过溶解度极限的合金化可以形成第二相，通过其他机制（例如金属间化合物的沉淀）导致强化。

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上没有变化。

当溶质原子大到足以取代其晶格位置中的溶剂原子时，就会发生替代固溶强化。 一些合金元素仅可少量溶解，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 Hume-Rothery 规则为 15%）并且在其纯态下采用相同的晶体结构时，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%）以适应溶剂原子之间的间隙位置时，就会形成间隙固溶体。 原子挤进间隙位置，导致溶剂原子的键压缩并因此变形（这个原理可以用鲍林规则来解释）。 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。

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的屈服应力增加，这意味着材料的强度增加。 该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，从而吸引或排斥附近的位错。 这被称为规模效应。 通过释放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的能量状态。 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，替代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，溶质原子引起四方畸变，产生可以与刃位错、螺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上方还是下方。 例如，考虑一个边缘位错在其滑移面上方遇到一个较小的溶质原子。 在这种情况下，相互作用能为负，导致位错被溶质吸引。 这是由于位于位错核心上方的压缩体积减少了位错能量。 如果溶质原子位于滑移面下方，位错将被溶质排斥。 然而，刃型位错和较小溶质之间的总相互作用能是负的，因为位错在具有吸引能量的位点花费更多时间。 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。

溶质原子的弹性模量也可以决定强化的程度。 对于弹性模量低于溶剂弹性模量的“软”溶质，因模量失配引起的相互作用能 (Umodulus) 为负，这增强了尺寸相互作用能 (Usize)。 相反，U 模量对于“硬”溶质为正，这导致总相互作用能低于软原子。 即使当位错接近溶质时，在两种情况下相互作用力都是负的（有吸引力的）。