固溶强化

材料科学现象

固溶强化，是指纯金属经过适当的合金化后，强度、硬度提高的现象。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。

应用实例

1．微量Ag对铜合金性能的影响

Cu-Ag合金是典型的固溶强化型合金，在共晶温度(779℃)时银在铜中的溶解度可达8%。银分布在固溶体中，从而提高铜的强度和硬度，产生显著的固溶强化效应。一般说来，铜中加入合金元素，溶质原子溶入晶格后会引起晶体点阵畸变，这种畸变的晶格点阵对运动电子的散射作用也相应加剧。因此，固溶强化对铜的导电性和强度的效应是矛盾的。但银与可固溶于铜的其他元素不同，含银量少时，铜的电导率和热导率的下降不多，对塑性的影响也甚微，并显著提高铜的再结晶温度、蠕变强度和抗高温热低周疲劳。在相关文献中有介绍：在铜中加入0.2%-1%银后，导电率仍保持在100%IACS，形变强化后强度可达到400MPa以上：Cu-0.085%Ag经冷加工后，强度可达到420MPa，导电率为100%IACS，Cu-10%Ag经适当处理后，强度可达到1000MPa，导电率可达80%IACS。

2. 微量元素对Pt或Pt-Rh合金高温强度的影响

微量或少量元素对 Pt 和 Pt-Rh 合金的高温强度有明显的影响，溶质W、Mo、Ir、Ru、Os、Re 等内聚能很高，它们对Pt、Pd的强化效果很好，所有过渡族元素及Cu、Ag和Au在Pt中也有相当高的固溶度，特别是周期表中Pt附近的元素与Pt形成连续固溶体。在不甚高的温度范围内，这些元素对Pt均有不同程度的固溶强化作用。

3. V-4Cr-4Ti合金的氢致硬化

钒合金具有较强的吸氢能力，合金元素Ti能显著提高合金的吸氢量，在发生氢脆断裂的临界氢含量下，达到氢致脆性断裂之前，钒合金的氢致硬化是一种典型的固溶强化。这是因为H在合金中是非常容易扩散的，其可以与位错发生交互作用，从而提高合金的强度，并使合金的塑性降低。H引起合金的固溶强化，是使合金的晶粒强度升高。而金属Ti是一种很好的吸气剂，在钒合金中，由于Ti对七种的间隙杂质原子C，N，O和H等具有很强的吸附作用，它能减低它们在合金中的扩散系数，会降低合金中H与位错的交互作用，使合金具有相对优良的抗氢脆性能。

4. Al-Zn-(Cu)合金的固溶强化效应

经过均匀化处理的Al-Zn-2Cu合金，固溶处理后形成单相固溶体。如再对其进行阶梯退火，得到的组织为在Al基固溶体上弥散分布着细小的Zn相，其是由α-Al 和β-Zn 相组成。可见Al-Zn-2Cu合金在固溶处理后的阶梯退火过程中，在发生失稳分解后，已经通过不连续沉淀形成了两相平衡组织。该合金铸态组织是由α-Al 和β-Zn 相组成的两相枝晶组织。阶梯退火所得到的平衡态组织较铸态组织更细小，但其硬度远远低于铸态组织的硬度。

由此可见，在Al-Zn-2Cu合金中与固溶强化效应相比，析出强化效应相对较弱，随着溶质原子的析出，所产生的析出强化效应要小于所损失的固溶强化效应，造成合金的强度下降。Al-Zn-(Cu)合金的硬度主要取决于固溶强化效应。

5．钴基高温合金

钴基合金中含有大量降低层错能的钴、钨、铬等元素，因此其层错能较低，在合金中形成大量的堆垛层错和孪晶，阻碍了位错的移动，特别是合金中的扩展位错宽度的增加，使位错的攀移变得极为困难，从而提高了合金的高温强度。但是如果钨含量过高的话会使析出相数量增加，晶粒发生细化，合金的高温拉伸强度反而会下降。过量的钨还会形成大量的析出相，会削弱钨的固溶化作用，同时大量的析出相还会使合金的冷加工变得非常困难。

原理

在合金中当溶质原子以固溶形式溶入基体中，使合金发生强化，称为固溶强化.固溶强化又可按溶质原子在基体中的分布状况分成均匀强化和非均匀强化，前者指溶质原子混乱分布于基体中时的强化作用，后者指溶质原子优先分布在晶体缺陷附近，或作有序排列时的强化。

置换式或间隙式溶质原子对位错的运动，起着原子尺度障碍物的作用，结果产生的强化效果取决于溶质原子和位错间的相互作用，以及在单位面积滑移面上溶质原子的数目.决定其相互作用的程度的主要因素是相对原子尺寸大小，相对原子价及溶质和溶剂间某些化学和物理学上的差别.这些因素的作用可以分为弹性的，电子的及化学的效应对位错运动的影响。

弹性相互作用取决于三个因素：(Ⅰ)溶质原子与基体原子间的尺寸相差越大，弹性畸变也越大，(2)如果溶质原子造成点阵的正方畸变(如碳在α-Fe中间隙)，则弹性相互作用特别有效，(3)溶质原子可能使局部的切变模量μ的数值明显地不相同，位错可以被溶质吸引(如果μ降低时)或者被溶质排斥(如果μ升高时)。

最初Mott-Nabarro对均匀强化作理论研究时，曾得出了临界切应力τc与溶质原子浓度的平方根成正比的关系：

其中Fm为溶质原子沿滑移方向作用在位错线上的最大阻力，c为溶质原子浓度，b为Burgers矢量，μ为切变模量.以后Fleischer和Felthan等人也作了均匀强化的理论处理工作。

由于合金中的价电子趋向由位错应力场中的受压区移向受拉区，电子效应就发生作用.基体原子的原子价愈高，引起的局部电偶极子也愈大. 基体原子与溶质原子间相互作用的程度，主要取决于它们之间原子价的差别。

影响因素

（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。

（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。

（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区