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什么是合金强化机制到底有哪些?

合金强化

合金强化是一个比较大而广泛的概念,大致上可理解为在金属中加入合金元素,并提高合金的强度;具体说是提高金属抵抗范性形变能力的有效和常用方法。

合金元素可以以多种形式存在于基体中:作为溶质原子在固溶体中无序分布,与溶剂原子组成有序结构,形成在结构与成分上与基体不同的弥散质点,并形成尺寸相当的复相混合物等;它们对位错运动的不同程度的阻碍作用是使合金获得高强度的直接原因。合金元素通过改变基体点阵类型,也能使基体晶粒细化,增大基体的淬透性,间接地提高合金的强度。
不同种类的合金强化过程,有不同形式的强化机制。
固溶强化
溶解在固溶体中的合金元素引起的强化称为固溶强化

最基本的情况是合金元素的原子无序地分布在基体中,构成均匀的单相固溶体。由于合金原子与位错之间存在着力学的、化学的以及电学的相互作用,而相互作用能又是位错与溶质原子相对位置的函数,因此滑移面上的位错就如同处在混乱分布的大大小小的能峰与能谷之间,构成了位错滑移的障碍,全部相互作用的统计效果决定着驱使位错运动所必须的应力。碳在钢的马氏体中的作用可以作为这种机制的一个例子。

若温度和时间条件允许,溶质原子趋向于扩散到能量最有利的位置,结果在位错周围会形成溶质原子气团,成为有成分偏聚的固溶体。在这种情况下,无论位错先从气团中挣脱出来再运动,还是拖着溶质原子气团一起运动,都需要外力做更多的功。这些过程与钢中的明显屈服点、应变时效和蓝脆现象有密切关系。

第二相质点强化

在合金中常常用弥散的第二相质点来提高强度,最高强度对应于第二相质点尺寸不大,且呈高度弥散分布的状态,这些第二相往往是金属化合物或氧化物,比基体硬得多。

如第二相质点是利用固溶体脱溶沉淀产生的,称沉淀强化。在高强度铝合金、钢、镍基高温合金中广泛地应用着这种强化方法。

沉淀化机制与产生沉淀质点的时效处理有关(见固溶体的脱溶分解),典型的发展过程可描述如下。合金的起始强度相当于过饱和固溶体。沉淀初期新相与基体共格,尺寸很小而且弥散,屈服强度决定于位错切过沉淀相所需克服的阻力,包括共格应力、沉淀相内部结构和相界面效应等因素的贡献。随着新相的长大,以及界面和内部结构的变化,位错切割沉淀相质点逐渐困难。按奥罗万机制,当位错线能够达到的曲率半径与滑移面上粒子间距相当时,位错会以类似于弗兰克-里德源的形式绕过障碍粒子,而在第二相粒子上留下一个位错圈。这时质点间距成为控制屈服强度的主要因素,因而,在时效后期屈服强度有随时效时间延长而降低的现象。


合金中的第二相质点还可以借助于内氧化、粉末烧结等方法引入,在技术上称为弥散强化。弥散硬化的质点常用高硬度氧化物。


第二相质点一般都增大合金的加工硬化率。


有序合金的强化
由于同类原子和异类原子的键合能不同,固溶体中原子分布也不是完全杂乱的,可能存在异类原子在点阵中局部地或整体地有规则排列的结构超结构即短程序或长程序(见有序-无序相变),由这种有序结构而引起的强化称有序合金强化。

对于以尺寸相当的两相或多相混合物组成的合金,除在每一相中上述强化机制仍起作用之外,还要计入相界面对强度的贡献。

在特殊情况下,合金元素引起固溶体屈服强度降低,例如某些硅合金以及在低温下的某些铁合金,称为固溶软化效应。

铝合金强化机制有哪些?


 1.固溶强化
  
  纯铝中加入合金元素,形成铝基固溶体,造成晶格畸变,阻碍了位错的运动,起到固溶强化的作用,可使其强度提高。根据合金化的一般规律,形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时,不仅能获得高的强度,而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体,并且均有较大的极限溶解度,因此具有较大的固溶强化效果。
  
 2.时效强化
  

  合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝没有同素异构转变,所以其热处理相变与钢不同。铝合金的热处理强化,主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度,且随温度的降低而急剧减小。所以铝合金经加热到某一温度淬火后,可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时,其强度和硬度随时间的延长而增高,但塑性、韧性则降低,这个过程称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效,在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。其强化效果是依靠时效过程中所产生的时效硬化现象来实现的。
  
  3.过剩相强化
  
  如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度,则在固溶处理加热时,就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现,称为过剩相。在铝合金中,这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中阻碍位错运动,使合金强化,这称为过剩相强化。在生产中常常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多,分布越弥散,则强化效果越大。但过剩相太多,则会使强度和塑性都降低。过剩相成分结构越复杂,熔点越高,则高温热稳定性越好。
  
  4.细化组织强化
  
  许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合金的组织,包括细化α固溶体或细化过剩相,就可使合金得到强化。
  
  由于铸造铝合金组织比较粗大,所以实际生产中常常利用变质处理的方法来细化合金组织。变质处理是在浇注前在熔融的铝合金中加入占合金重量2~3%的变质剂(常用钠盐混合物:2/3NaF+1/3NaCl),以增加结晶核心,使组织细化。经过变质处理的铝合金可得到细小均匀的共晶体加初生α固溶体组织,从而显著地提高铝合金的强度及塑性。


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