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固溶强化
 
由于溶质原子的加工入使固溶体的强度比溶剂金属的强度高,这一现象称为固溶强化。固溶强化是溶质原子对位错的阻碍作用造成的,是利用点缺陷对金属基体进行强化,表现在两个方面,一是作为晶体的点缺陷,与位错发生强性交互作用、化学交互作用、电化学交互作用,以影响位错运动;一是在固溶体中,形成短程有序结构,以影响位错运动。它分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化两种。
碳、氮等溶质原子嵌入α-Fe晶格的八面体间隙中,使晶格产生不对称正方性畸变造成强硬化效应,铁基体的屈服强度随着间隙原子含量的增加而变大。碳、氮等间隙原子在基体中和位错产生强性效互作用,这种碳、氮原子在位错线附近有规则地排列称为“气团”。位错被“气团”钉扎时,移动阻力增加使金属基体产生强化。因为溶质原子在晶格中的作用并不是单纯的,除了它自身产生的畸变外,它还会和位错、溶剂原子发生作用。
置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的、因而强化效能要比间隙式原子小(约小两个数量级),这种强化效应称为弱硬化。当溶质和溶剂的原子直径相差比较小,化学性质也较类似时,置换原子的溶解度极限可以很大,但强化效应却很小。例如即使含量达到百分之几十的Co在常温时溶入α-Fe中,也并未产生明显的强化作用。随着元素的类型不同,强化效能相应发生变化。各种元素固溶入α-Fe中时对铁屈服强度的影响。畦换式固溶元素的弱硬化作用可在基体的韧性、塑性不降低的同时,使基体的强度平缓增加,这对钢的强化是非常重要的。
由铁-碳相图可知,间隙式原子碳在基体金属中的溶解度极限很小,常温下碳在α-Fe中的溶解量只能是0.006%,但是碳у-Fe在中的溶解度很大,1148℃时可以达到2.11%,所以可把钢加热到у-Fe状态使碳分大量溶入,然后淬火成马氏体。间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变是不对称的,随着间隙原子浓度增加,塑性和韧性明显下降。例如:马氏体中含碳量低于0.2%时,间隙原子都偏聚在位错线近旁,晶格基本上仍保持体心立方结构,不仅强度很高,而且塑性、韧性很好,含碳量增高时,碳原子在位错线近旁的偏聚达到饱和,过剩碳原子产生集群化使c/a(晶胞中的棱边长度用a、b、c表示。)数值变大,造成晶格畸变,使塑性和韧性明显降低。含碳量达到0.4%时,塑性变差,不易进行冷塑性变形;含碳量继续增加时,伸长率可降至0.1%以下。
在形成马氏体的过程中不仅碳原子过饱和,而且置换式溶质原子也呈过饱和平状态。虽然置换式原子引起的强化相对碳的强化作用可认为是很小的,但如钼、钒、铌等置换元素在马氏体中和碳共存时,在回火过程中会沉淀出来造成强化。
固溶强化是钢铁材料主要强化手段之一,间隙式固溶强化对铁素体基体(包括马氏体)的强化发挥最大效能的同时,对韧性、塑性也有很显著的削弱作用;虽然比较间隙固溶的强化作用比较小,但置换式固溶强化在不削弱基体的塑性、韧性同时可以对铁素体进行强化,这种现象应该在进行强韧性处理时引起注意。
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