固溶強化

固溶強化，是指純金屬經過適當的合金化後，強度、硬度提高的現象。其原因可歸結於溶質原子和位錯的互動作用，這些作用起源於溶質引發的局部點陣畸變。固溶體可分為無序固溶體和有序固溶體，其強化機理也不相同。

合金元素固溶於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象。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。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象稱為固溶強化。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。

基本介紹

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

套用實例

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，溶質原子溶入晶格後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。但銀與可固溶於銅的其他元素不同，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，並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%銀後，導電率仍保持在100%IACS，形變強化後強度可達到400MPa以上：Cu-0.085%Ag經冷加工後，強度可達到420MPa，導電率為100%IACS，Cu-10%Ag經適當處理後，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形成連續固溶體。在不甚高的溫度範圍內，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，其可以與位錯發生互動作用，從而提高合金的強度，並使合金的塑性降低。H引起合金的固溶強化，是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，由於Ti對七種的間隙雜質原子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係數，會降低合金中H與位錯的互動作用，使合金具有相對優良的抗氫脆性能。

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，固溶處理後形成單相固溶體。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。可見Al-Zn-2Cu合金在固溶處理後的階梯退火過程中，在發生失穩分解後，已經通過不連續沉澱形成了兩相平衡組織。該合金鑄態組織是由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組織較鑄態組織更細小，但其硬度遠遠低於鑄態組織的硬度。
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於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於固溶強化效應。

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。

原理

在合金中當溶質原子以固溶形式溶入基體中，使合金髮生強化，稱為固溶強化.固溶強化又可按溶質原子在基體中的分布狀況分成均勻強化和非均勻強化，前者指溶質原子混亂分布於基體中時的強化作用，後者指溶質原子優先分布在晶體缺陷附近，或作有序排列時的強化。

置換式或間隙式溶質原子對位錯的運動，起著原子尺度障礙物的作用，結果產生的強化效果取決於溶質原子和位錯間的相互作用，以及在單位面積滑移面上溶質原子的數目.決定其相互作用的程度的主要因素是相對原子尺寸大小，相對原子價及溶質和溶劑間某些化學和物理學上的差別.這些因素的作用可以分為彈性的，電子的及化學的效應對位錯運動的影響。

彈性相互作用取決於三個因素：(Ⅰ)溶質原子與基體原子間的尺寸相差越大，彈性畸變也越大，(2)如果溶質原子造成點陣的正方畸變(如碳在α-Fe中間隙)，則彈性相互作用特別有效，(3)溶質原子可能使局部的切變模量μ的數值明顯地不相同，位錯可以被溶質吸引(如果μ降低時)或者被溶質排斥(如果μ升高時)。

最初Mott-Nabarro對均勻強化作理論研究時，曾得出了臨界切應力τc與溶質原子濃度的平方根成正比的關係：

其中F_m為溶質原子沿滑移方向作用在位錯線上的最大阻力，c為溶質原子濃度，b為Burgers矢量，μ為切變模量.以後Fleischer和Felthan等人也作了均勻強化的理論處理工作。

由於合金中的價電子趨向由位錯應力場中的受壓區移向受拉區，電子效應就發生作用.基體原子的原子價愈高，引起的局部電偶極子也愈大. 基體原子與溶質原子間相互作用的程度，主要取決於它們之間原子價的差別。

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，且由於間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大於面心立方晶體的；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。