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    什么是合金強(qiáng)化機(jī)制到底有哪些?

    合金強(qiáng)化

    合金強(qiáng)化是一個(gè)比較大而廣泛的概念,大致上可理解為在金屬中加入合金元素,并提高合金的強(qiáng)度;具體說(shuō)是提高金屬抵抗范性形變能力的有效和常用方法。

    合金元素可以以多種形式存在于基體中:作為溶質(zhì)原子在固溶體中無(wú)序分布,與溶劑原子組成有序結(jié)構(gòu),形成在結(jié)構(gòu)與成分上與基體不同的彌散質(zhì)點(diǎn),并形成尺寸相當(dāng)?shù)膹?fù)相混合物等;它們對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不同程度的阻礙作用是使合金獲得高強(qiáng)度的直接原因。合金元素通過(guò)改變基體點(diǎn)陣類型,也能使基體晶粒細(xì)化,增大基體的淬透性,間接地提高合金的強(qiáng)度。
    不同種類的合金強(qiáng)化過(guò)程,有不同形式的強(qiáng)化機(jī)制。
    固溶強(qiáng)化
    溶解在固溶體中的合金元素引起的強(qiáng)化稱為固溶強(qiáng)化

    最基本的情況是合金元素的原子無(wú)序地分布在基體中,構(gòu)成均勻的單相固溶體。由于合金原子與位錯(cuò)之間存在著力學(xué)的、化學(xué)的以及電學(xué)的相互作用,而相互作用能又是位錯(cuò)與溶質(zhì)原子相對(duì)位置的函數(shù),因此滑移面上的位錯(cuò)就如同處在混亂分布的大大小小的能峰與能谷之間,構(gòu)成了位錯(cuò)滑移的障礙,全部相互作用的統(tǒng)計(jì)效果決定著驅(qū)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所必須的應(yīng)力。碳在鋼的馬氏體中的作用可以作為這種機(jī)制的一個(gè)例子。

    若溫度和時(shí)間條件允許,溶質(zhì)原子趨向于擴(kuò)散到能量最有利的位置,結(jié)果在位錯(cuò)周圍會(huì)形成溶質(zhì)原子氣團(tuán),成為有成分偏聚的固溶體。在這種情況下,無(wú)論位錯(cuò)先從氣團(tuán)中掙脫出來(lái)再運(yùn)動(dòng),還是拖著溶質(zhì)原子氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng),都需要外力做更多的功。這些過(guò)程與鋼中的明顯屈服點(diǎn)、應(yīng)變時(shí)效和藍(lán)脆現(xiàn)象有密切關(guān)系。

    第二相質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

    在合金中常常用彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)來(lái)提高強(qiáng)度,最高強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于第二相質(zhì)點(diǎn)尺寸不大,且呈高度彌散分布的狀態(tài),這些第二相往往是金屬化合物或氧化物,比基體硬得多。

    如第二相質(zhì)點(diǎn)是利用固溶體脫溶沉淀產(chǎn)生的,稱沉淀強(qiáng)化。在高強(qiáng)度鋁合金、鋼、鎳基高溫合金中廣泛地應(yīng)用著這種強(qiáng)化方法。

    沉淀化機(jī)制與產(chǎn)生沉淀質(zhì)點(diǎn)的時(shí)效處理有關(guān)(見(jiàn)固溶體的脫溶分解),典型的發(fā)展過(guò)程可描述如下。合金的起始強(qiáng)度相當(dāng)于過(guò)飽和固溶體。沉淀初期新相與基體共格,尺寸很小而且彌散,屈服強(qiáng)度決定于位錯(cuò)切過(guò)沉淀相所需克服的阻力,包括共格應(yīng)力、沉淀相內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相界面效應(yīng)等因素的貢獻(xiàn)。隨著新相的長(zhǎng)大,以及界面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,位錯(cuò)切割沉淀相質(zhì)點(diǎn)逐漸困難。按奧羅萬(wàn)機(jī)制,當(dāng)位錯(cuò)線能夠達(dá)到的曲率半徑與滑移面上粒子間距相當(dāng)時(shí),位錯(cuò)會(huì)以類似于弗蘭克-里德源的形式繞過(guò)障礙粒子,而在第二相粒子上留下一個(gè)位錯(cuò)圈。這時(shí)質(zhì)點(diǎn)間距成為控制屈服強(qiáng)度的主要因素,因而,在時(shí)效后期屈服強(qiáng)度有隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而降低的現(xiàn)象。


    合金中的第二相質(zhì)點(diǎn)還可以借助于內(nèi)氧化、粉末燒結(jié)等方法引入,在技術(shù)上稱為彌散強(qiáng)化。彌散硬化的質(zhì)點(diǎn)常用高硬度氧化物。


    第二相質(zhì)點(diǎn)一般都增大合金的加工硬化率。


    有序合金的強(qiáng)化
    由于同類原子和異類原子的鍵合能不同,固溶體中原子分布也不是完全雜亂的,可能存在異類原子在點(diǎn)陣中局部地或整體地有規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)超結(jié)構(gòu)即短程序或長(zhǎng)程序(見(jiàn)有序-無(wú)序相變),由這種有序結(jié)構(gòu)而引起的強(qiáng)化稱有序合金強(qiáng)化。

    對(duì)于以尺寸相當(dāng)?shù)膬上嗷蚨嘞嗷旌衔锝M成的合金,除在每一相中上述強(qiáng)化機(jī)制仍起作用之外,還要計(jì)入相界面對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

    在特殊情況下,合金元素引起固溶體屈服強(qiáng)度降低,例如某些硅合金以及在低溫下的某些鐵合金,稱為固溶軟化效應(yīng)。

    鋁合金強(qiáng)化機(jī)制有哪些?


     1.固溶強(qiáng)化
      
      純鋁中加入合金元素,形成鋁基固溶體,造成晶格畸變,阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),起到固溶強(qiáng)化的作用,可使其強(qiáng)度提高。根據(jù)合金化的一般規(guī)律,形成無(wú)限固溶體或高濃度的固溶體型合金時(shí),不僅能獲得高的強(qiáng)度,而且還能獲得優(yōu)良的塑性與良好的壓力加工性能。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體,并且均有較大的極限溶解度,因此具有較大的固溶強(qiáng)化效果。
      
     2.時(shí)效強(qiáng)化
      

      合金元素對(duì)鋁的另一種強(qiáng)化作用是通過(guò)熱處理實(shí)現(xiàn)的。但由于鋁沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,所以其熱處理相變與鋼不同。鋁合金的熱處理強(qiáng)化,主要是由于合金元素在鋁合金中有較大的固溶度,且隨溫度的降低而急劇減小。所以鋁合金經(jīng)加熱到某一溫度淬火后,可以得到過(guò)飽和的鋁基固溶體。這種過(guò)飽和鋁基固溶體放置在室溫或加熱到某一溫度時(shí),其強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增高,但塑性、韌性則降低,這個(gè)過(guò)程稱為時(shí)效。在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱為自然時(shí)效,在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。時(shí)效過(guò)程中使鋁合金的強(qiáng)度、硬度增高的現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效硬化。其強(qiáng)化效果是依靠時(shí)效過(guò)程中所產(chǎn)生的時(shí)效硬化現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
      
      3.過(guò)剩相強(qiáng)化
      
      如果鋁中加入合金元素的數(shù)量超過(guò)了極限溶解度,則在固溶處理加熱時(shí),就有一部分不能溶入固溶體的第二相出現(xiàn),稱為過(guò)剩相。在鋁合金中,這些過(guò)剩相通常是硬而脆的金屬間化合物。它們?cè)诤辖鹬凶璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使合金強(qiáng)化,這稱為過(guò)剩相強(qiáng)化。在生產(chǎn)中常常采用這種方式來(lái)強(qiáng)化鑄造鋁合金和耐熱鋁合金。過(guò)剩相數(shù)量越多,分布越彌散,則強(qiáng)化效果越大。但過(guò)剩相太多,則會(huì)使強(qiáng)度和塑性都降低。過(guò)剩相成分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,熔點(diǎn)越高,則高溫?zé)岱€(wěn)定性越好。
      
      4.細(xì)化組織強(qiáng)化
      
      許多鋁合金組織都是由α固溶體和過(guò)剩相組成的。若能細(xì)化鋁合金的組織,包括細(xì)化α固溶體或細(xì)化過(guò)剩相,就可使合金得到強(qiáng)化。
      
      由于鑄造鋁合金組織比較粗大,所以實(shí)際生產(chǎn)中常常利用變質(zhì)處理的方法來(lái)細(xì)化合金組織。變質(zhì)處理是在澆注前在熔融的鋁合金中加入占合金重量2~3%的變質(zhì)劑(常用鈉鹽混合物:2/3NaF+1/3NaCl),以增加結(jié)晶核心,使組織細(xì)化。經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理的鋁合金可得到細(xì)小均勻的共晶體加初生α固溶體組織,從而顯著地提高鋁合金的強(qiáng)度及塑性。


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