第五章-固溶强化

第五章固溶强化目录第一节固溶体的概念及分类第二节错配球模型第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用第五节溶质原子与位错的化学交互作用第六节溶质原子与位错之间的几何交互作用第七节均匀固溶强化第八节固溶强化的特点第一节固溶体的概念及分类一.概念固溶体是一种或多种元素的原子溶入另一种元素的晶格形成的单相晶体。1.按溶质原子晶格占位划分；2.按溶解度划分；3.按溶质原子分布的均匀性划分。是否形成均匀固溶体取决于两种原子之间的结合能：ABBBAAUUU)(21二.分类第二节错配球模型hrbrbrhr0rV一、无限大基体中的错配球hr0rrr2244rrurrr04233rrrrrrrrurru1.基体中的应力-应变场(1)位移场(2)应变场•只有正应变场，没有切应变，且rr21•基体中的体积应变为零，即0rre这种应变场被称作纯剪型应变场。第二节错配球模型(3)应力场1.基体中的应力-应变场33322rGrGrGrr0)(31rrP正应力：水静压力：应力—应变场的特点：.0,)3(;1,)2(;1)1(32Perrur第二节错配球模型一、无限大基体中的错配球2.球内的应力-应变场br0r0313errrur(1)位移场(2)应变场(3)应力场0000)(31))21(3)1(2;212()32(312BPBGBGBGeGrrrrrrrr第二节错配球模型一、无限大基体中的错配球应力—应变场的特点：).,3(0,)3(;31,)2();()1(3000rGBPePerururr在孔与球表面上，球对孔表面的压应力与孔对球表面的压应力大小相等，符号相反：2.球内的应力-应变场300000rGPrrmrrrrbrrbrrmrrrrbrr第二节错配球模型一、无限大基体中的错配球0;3rrrrRG0rrrr二、有限大基体中的错配球1.像场的概念有限大基体的特点：有自由表面存在。球孔错配在表面处形成的压力为：为保证自由表面边界条件，需附加反向应力场，即像场：32133GRGRGrrrrbrhr0r自由表面R边界条件：第二节错配球模型2.基体中的应力—应变场：;3213;3214;3212;0)(31;2;3333333333GRGeGRGrGRGrRGPRGrGRGrGrrrrrrrrrrrrrrrr二、有限大基体中的错配球第二节错配球模型3.位移和体积变化32432GrRGrur0)3241(42GGRur);341()3241()3241(444222BGVGGGGRRuRVr径向位移：r=R时：说明自由表面处会产生附加位移，并且引起体积变化：)21343831,212(;332BGGBGGBB—基体的体积弹性模量：第二节错配球模型二、有限大基体中的错配球因此，形成错配球后，有限大基体中引起两种变化：（1）表面处产生体积变化（2）内部引起水静压力场3.位移和体积变化;03RGP;V,,u有限大基体中错配球应力—应变场的特点是：（1）都是内场与像场之和；（2）P=常数，是均匀场；（3）。V第二节错配球模型二、有限大基体中的错配球)(mb对于已知溶质原子体积和溶剂原子体积的情况下，可以求出两者错配体积：进一步可以求出：三、和的关系V,);(34＋134＋1);31(43＋1);32(34＋1＝BGBGVGBBGB’为球的体积弹性模量：）21(3）1（2GB其中为球的泊松比第二节错配球模型1.有限大基体中的错配球模型因此该模型适合于：应力—应变场的特点：（1）会引起表面处体积应变：（2）有正应变，无切应变；（3）有正应力，无切应力，且为均匀水静压力场：;3RGP2.一个圆球置于椭球形孔隙之中的模型（弹性偶极子）因此该模型适合于：体心立方间隙原子的固溶强化。（1）既有正应变，又有切应变；（2）既有正应力，又有切应力；（3）内压为非均匀水静压力场：;r13P－第二节错配球模型（1)置换式溶质原子固溶强化；（2）面心立方间隙式溶质原子固溶强化。应力—应变场的特点：四、错配球模型的适用性正应力与体积变化发生交互作用；考虑溶质原子与位错的交互作用，应从以下角度出发：:21W:WfinfinijijVP切应力与切应变发生交互作用；注：有附加外部压力的情况下，产生的体积变化需要外力做功，称为交互作用能。这种交互作用能在数值上等于外部压力与系统体积变化的乘积：VPfinW相互排斥。相互吸引；无交互作用；:0W:0W:0Wfinfinfin第二节错配球模型四、错配球模型的适用性3.溶质原子与位错的交互作用第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用一、与刃型位错的弹性交互作用AVABXYZr1.交互作用能将溶质原子A视作错配球，则固溶体表面体积效应为刃型位错B的应力场会产生水静压力PB。；AV;sin)1(3)1();(;sin)1(2rrzzrrrGbPrGbB交互作用能：;sinWfinrA其中：;)1(3)1(AVGbA刃型位错的应力场：第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用1.交互作用能20交互作用的特点：Cottrell气团——由于溶质原子与位错的交互作用，刃型位错线附近形成溶质原子偏聚现象。r1Wfin(3)对于小溶质原子：；对于正刃位错：因此，在；即溶质原子偏聚在位错线上方；rAWsininf第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用一、与刃型位错的弹性交互作用;)1(3)1(AVGbA0AV0W，0fin0b(1)，因此具有长程性；(2)对于大溶质原子：；对于正刃位错：因此，在；即溶质原子偏聚在位错线下方；0AV0W，0fin0b1）溶质原子尺寸和位错符号对其分布有影响；2）分布与距离的关系：，即与位错线越近，溶质原子浓度越高：3）Cottrell气团存在临界温度（露点）：rW1inf；)exp(inf0kTWCC)；T(T，lgC10infCkWTC1）钉扎作用：2）拖拽作用：202rbAC第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用一、与刃型位错的弹性交互作用（1）特点（2）Cottrell气团阻碍位错运动的机制2.Cottrell气团螺型位错的应力场：仅有一个切应力分量——0)(31012zzrrzzrrBzPrGb；；交互作用能：0WfinVP但有可能存在次级交互作用，原因在于：（1）螺型位错分解，其部分位错可能产生刃型分量；（2）螺型位错线发生拐折，从而出现刃型分量。所以，一般认为，置换式溶质原子与螺型位错之间无弹性交互作用。第三节置换式溶质原子与位错的弹性交互作用二、与螺型位错的弹性交互作用第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用一、间隙式溶质原子形成错配球的特点1.面心立方中间隙原子的错配效应有两种间隙：八面体间隙：rB＝0.414rA；四面体间隙：rB＝0.225rA；错配球特点：（1）溶质原子易于占据八面体间隙，产生球对称应力－应变场，与置换式间隙原子效应相同；（2）与刃型位错交互作用更强，而且总是偏聚到半原子面的下方。第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用2.体心立方中间隙原子的错配效应有两种间隙：八面体间隙：rB＝0.15rA；四面体间隙：rB＝0.29rA；八面体间隙的特点：垂直于轴向rB小，水平于轴向rB大——（1）是一个非均匀对称场，可视作椭球形孔；（2）加入圆球形错配球后与前面讲过的弹性偶极子一致。由于八面体间隙对称性好，溶质原子总是占据八面体间隙。;r13P－这种弹性偶极子的特点是：（1）有正应力，也有切应力；（2）正应力不是均匀场，是非均匀内压应力场：第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用一、间隙式溶质原子形成错配球的特点1.α-Fe中碳原子与螺型位错存在交互作用的原因螺型位错有切应变分量：错配球具有非对称性，所以切应变不为零：交互作用会使碳原子在位错线附近产生偏聚：（1）碳原子少时，会在八面体间隙处随机分布；（2）碳原子多时，会在外力作用下发生有序化，即占据单胞中一个轴上的八面体间隙。；21WfinZZ；0Z；0Z所以，存在弹性交互作用，其作用结果会使系统能量降低。Snoek现象（应力诱发有序化现象）——α-Fe中碳原子在外力作用下优先占据某一八面体间隙位置的现象。第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用二、α-Fe中碳原子与螺型位错的交互作用1）位错与溶质原子的作用都具有长程性；2）Cottrell气团的形成需要长程扩散；3）Snoek气团的形成既可以有长程扩散，也可一没有。1）碳原子于螺型位错交互作用，导致碳原子在位错线附近偏聚；2）有外力作用使某一轴向拉长，导致碳原子易于进入这个轴向间隙之中。螺型位错与碳原子发生弹性交互作用，使螺型位错线附近碳原子局部有序分布的组态，称之为Snoek气团。1）只需要短程扩散即可形成，因而所需时间很短；2）是一种动态有序（即在位错运动中形成）；3）与位错交互作用同Cottrell气团一样强烈。第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用二、α-Fe中碳原子与螺型位错的交互作用（1)Snoek效应产生的条件（2）Snoek气团Snoek气团的特点：（3）Cottrell气团和Snoek气团的的对比2.Snoek效应及Snoek气团刃型位错：既有正应力（变），又有切应力（变）；碳原子错配：既有正应变（力），又有切应变（力）；特点：1.交互作用强烈（因为α-Fe间隙很小，所以δυ很大）；2.形成气团（间隙的错配效应具有非对称性）：有正应变场，与刃型位错正应力场交互作用，形成Cottrell气团；有切应变场，与刃型位错切应力场交互作用，形成Snoek气团。:21W:WfinfincijijAVP正是由于α-Fe中碳原子与位错的强烈交互作用，才导致了碳原子的强烈固溶强化效应，并且产生了物理屈服、形变时效等现象。弹性交互作用的特点：1.间隙式原子的作用大于置换式原子；2.溶质原子与溶剂原子半径差越大约好。第四节间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用三、α-Fe中碳原子与刃型位错的交互作用第五节溶质原子与位错的化学交互作用1.定义：固溶体层错区对溶质原子具有化学吸附或反吸附作用，使层错区的溶质原子浓度与基体不同。将这种溶质原子分布的组态称为Suzuki气团。2.形成机制例如：面心立方中形成层错时，相当于形成一层密排六方结构。由于两相的自由能不同，而要达到两相的平衡，要求其化学势相同。因此，造成层错区与非层错区溶质的溶解度不同。层错的堆