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固溶強化（材料科學學科中的現(xiàn)象）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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固溶強化

材料科學學科中的現(xiàn)象

合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高的現(xiàn)象。這種通過融入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。

基本信息

中文名	固溶強化
別名	零維強化
外文名	Solid solution strengthening
方法	合金元素固溶于基體金屬
目的	使合金固溶體的強度與硬度增加
學科	材料科學

收起

原理

Solid solution strengthening

融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。在溶質原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

影響因素

（1）溶質原子的原子分數越高，強化作用也越大，特別是當原子分數很低時，強化作用更為顯著。

（2）溶質原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。

（3）間隙型溶質原子比置換原子具有較大的固溶強化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限。

（4）溶質原子與基體金屬的價電子數目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶體的屈服強度隨著價電子濃度的增加而提高。

程度

固溶強化的程度主要取決于兩個因素：1. 原始原子和添加原子之間的尺寸差別。尺寸差別越大，原始晶體結構受到的干擾就越大，位錯滑移就越困難。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，強化效果越大。如果加入過多太大或太小的原子，就會超過溶解度。這就涉及到另一種強化機制，分散相強化。3.間隙型溶質原子比置換型原子具有更大的固溶強化效果。4.溶質原子與基體金屬的價電子數相差越大，固溶強化作用越顯著。

效果

1. 屈服強度、拉伸強度和硬度都要強于純金屬

2. 絕大部分情況下，延展性低于純金屬

3. 導電性比純金屬低很多

4. 抗蠕變，或者在高溫下的強度損失，通過固溶強化可以得到改善

應用實例

1．微量Ag對銅合金性能的影響

Cu-Ag合金是典型的固溶強化型合金，在共晶溫度(779℃)時銀在銅中的溶解度可達8%。銀分布在固溶體中，從而提高銅的強度和硬度，產生顯著的固溶強化效應。一般說來，銅中加入合金元素，溶質原子溶入晶格后會引起晶體點陣畸變，這種畸變的晶格點陣對運動電子的散射作用也相應加劇。因此，固溶強化對銅的導電性和強度的效應是矛盾的。但銀與可固溶于銅的其他元素不同，含銀量少時，銅的電導率和熱導率的下降不多，對塑性的影響也甚微，并顯著提高銅的再結晶溫度、蠕變強度和抗高溫熱低周疲勞。在相關文獻中有介紹：在銅中加入0.2%-1%銀后，導電率仍保持在100%IACS，形變強化后強度可達到400MPa以上：Cu-0.085%Ag經冷加工后，強度可達到420MPa，導電率為100%IACS，Cu-10%Ag經適當處理后，強度可達到1000MPa，導電率可達80%IACS。

2. 微量元素對Pt或Pt-Rh合金高溫強度的影響

微量或少量元素對 Pt 和 Pt-Rh 合金的高溫強度有明顯的影響，溶質W、Mo、Ir、Ru、Os、Re 等內聚能很高，它們對Pt、Pd的強化效果很好，所有過渡族元素及Cu、Ag和Au在Pt中也有相當高的固溶度，特別是周期表中Pt附近的元素與Pt形成連續(xù)固溶體。在不甚高的溫度范圍內，這些元素對Pt均有不同程度的固溶強化作用。

3. V-4Cr-4Ti合金的氫致硬化

釩合金具有較強的吸氫能力，合金元素Ti能顯著提高合金的吸氫量，在發(fā)生氫脆斷裂的臨界氫含量下，達到氫致脆性斷裂之前，釩合金的氫致硬化是一種典型的固溶強化。這是因為H在合金中是非常容易擴散的，其可以與位錯發(fā)生交互作用，從而提高合金的強度，并使合金的塑性降低。H引起合金的固溶強化，使合金的晶粒強度升高。而金屬Ti是一種很好的吸氣劑，在釩合金中，由于Ti對其中中間隙雜質原子C，N，O和H等具有很強的吸附作用，它能減低它們在合金中的擴散系數，會降低合金中H與位錯的交互作用，使合金具有相對優(yōu)良的抗氫脆性能。

4. Al-Zn-(Cu)合金的固溶強化效應

經過均勻化處理的Al-Zn-2Cu合金，固溶處理后形成單相固溶體。如再對其進行階梯退火，得到的組織為在Al基固溶體上彌散分布著細小的Zn相，其是由α-Al 和β-Zn 相組成?？梢夾l-Zn-2Cu合金在固溶處理后的階梯退火過程中，在發(fā)生失穩(wěn)分解后，已經通過不連續(xù)沉淀形成了兩相平衡組織。該合金鑄態(tài)組織是由α-Al 和β-Zn 相組成的兩相枝晶組織。階梯退火所得到的平衡態(tài)組織較鑄態(tài)組織更細小，但其硬度遠遠低于鑄態(tài)組織的硬度。由此可見，在Al-Zn-2Cu合金中與固溶強化效應相比，析出強化效應相對較弱，隨著溶質原子的析出，所產生的析出強化效應要小于所損失的固溶強化效應，造成合金的強度下降。Al-Zn-(Cu)合金的硬度主要取決于固溶強化效應。

5．鈷基高溫合金

鈷基合金中含有大量降低層錯能的鈷、鎢、鉻等元素，因此其層錯能較低，在合金中形成大量的堆垛層錯和孿晶，阻礙了位錯的移動，特別是合金中的擴展位錯寬度的增加，使位錯的攀移變得極為困難，從而提高了合金的高溫強度。但是如果鎢含量過高的話會使析出相數量增加，晶粒發(fā)生細化，合金的高溫拉伸強度反而會下降。過量的鎢還會形成大量的析出相，會削弱鎢的固溶化作用，同時大量的析出相還會使合金的冷加工變得非常困難。

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