固溶强化机制.ppt
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1、固溶强化机制固溶强化机制 固溶强化机制固溶强化机制o固溶强化:由于溶质原子的存在而使材料强度升高的现固溶强化:由于溶质原子的存在而使材料强度升高的现象,强化作用主要源于弹性交互作用和化学交互作用。象,强化作用主要源于弹性交互作用和化学交互作用。o本章主要内容本章主要内容建立固溶强化的模型建立固溶强化的模型 (描述溶质原子与位错的多(描述溶质原子与位错的多种交互作用)种交互作用)物理模型物理模型错配球模型等错配球模型等25.1 固溶体的概念及其分类固溶体的概念及其分类一一.概念概念是一种或多种元素的原子溶入另一种元素的晶格形成是一种或多种元素的原子溶入另一种元素的晶格形成的单相晶体。的单相晶体。
2、前者称溶质原子,后者称溶剂原子。前者称溶质原子,后者称溶剂原子。35.1固溶强化机制固溶强化机制二、分类二、分类置换固溶体置换固溶体/间隙固溶体间隙固溶体有限固溶体有限固溶体/无限固溶体无限固溶体有序(均匀)固溶体有序(均匀)固溶体/无序(非均匀)固溶体无序(非均匀)固溶体45.1固溶强化机制固溶强化机制55.1固溶强化机制固溶强化机制原子分布是有序还是无序主要取决于溶质及溶剂原子间的结原子分布是有序还是无序主要取决于溶质及溶剂原子间的结合能。合能。A A:溶剂:溶剂 B B:溶质,用:溶质,用U U表示原子间的结合能。表示原子间的结合能。令:令:实际固溶体中或多或少存在着偏聚及有序分布。实际
3、固溶体中或多或少存在着偏聚及有序分布。65.2 错配球模型错配球模型简介:用以描述溶质原子弹性畸变引起的的应力应变场。简介:用以描述溶质原子弹性畸变引起的的应力应变场。溶质原子:球;溶质原子:球;溶剂原子或晶格间隙:孔溶剂原子或晶格间隙:孔球与孔皆为连续弹性介质球与孔皆为连续弹性介质75.2 错配球模型错配球模型两者搭配时球受压,产生体积变化两者搭配时球受压,产生体积变化孔受拉,体积变化孔受拉,体积变化基体体积变化基体体积变化85.2 错配球模型错配球模型一、无限大基体中错配球的应力应变场一、无限大基体中错配球的应力应变场1.1.位移场位移场 球孔搭配在基体中产生球对称的应变。仅有径向位移球孔
4、搭配在基体中产生球对称的应变。仅有径向位移无切向位移。无切向位移。95.2 错配球模型错配球模型2.2.应变场应变场 由弹性力学,应变场为;由弹性力学,应变场为;且且体积应变体积应变e=0e=0:V0V0为晶体的体积。为晶体的体积。应变场特点:只有正应变没有切应变。体积应变等于零。应变场特点:只有正应变没有切应变。体积应变等于零。105.2 错配球模型错配球模型3.3.应力场应力场 由胡克定律求出错配球效应在基体中引起的应力场;由胡克定律求出错配球效应在基体中引起的应力场;将将 代入得代入得平均正应力为:平均正应力为:即:错配球在无限大基体中不引起压力场。即:错配球在无限大基体中不引起压力场。
5、115.2 错配球模型错配球模型二、球内的应力应变场二、球内的应力应变场球变形的特点:均匀体积收缩。只有径向位移,与半径成正比球变形的特点:均匀体积收缩。只有径向位移,与半径成正比位移场:位移场:应变场:应变场:125.2 错配球模型错配球模型应力场:应力场:特点:位移场与半径成反比特点:位移场与半径成反比 应力应变分量为常数应力应变分量为常数 静水压力与体应变不为零静水压力与体应变不为零13145.2 错配球模型错配球模型2.2.基体中产生的应力场基体中产生的应力场由错配所引起的应力场和边界条件引起的像应力场两部分组由错配所引起的应力场和边界条件引起的像应力场两部分组成。成。155.2 错配
6、球模型错配球模型3.3.位移和体积变化位移和体积变化类似方法可求出有限大基体中总的径向位移:类似方法可求出有限大基体中总的径向位移:165.2 错配球模型错配球模型总结:错配球的形成在有限大基体中引起两种变化:总结:错配球的形成在有限大基体中引起两种变化:(1 1)表面处的体积变化)表面处的体积变化(2 2)水静压力场)水静压力场有限大基体中错配球应力应变场的特点是:有限大基体中错配球应力应变场的特点是:(1 1)位移,应力,应变都是内场与像场之和)位移,应力,应变都是内场与像场之和(2 2)P=P=常数,是均匀场常数,是均匀场(3 3)175.2 错配球模型错配球模型四四.已知溶质原子的体积
7、已知溶质原子的体积 v v球球 和溶剂原子的体积和溶剂原子的体积 v v孔的情况下,孔的情况下,两者的错配体积为两者的错配体积为185.2 错配球模型错配球模型五五 .错配球模型的适用性错配球模型的适用性1.1.有限大基体中的错配球模型有限大基体中的错配球模型适用于置换式溶质原子以及面心立方中间隙式溶质原子。适用于置换式溶质原子以及面心立方中间隙式溶质原子。2.2.一个圆球置于椭圆孔隙之中的模型一个圆球置于椭圆孔隙之中的模型同时有正应力、切应力;正应变和切应变。适合于体心立方同时有正应力、切应力;正应变和切应变。适合于体心立方间隙原子的固溶强化。间隙原子的固溶强化。195.3 置换式溶质原子与
8、位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用一一.置换式溶质原子的错配球效应置换式溶质原子的错配球效应由于溶质与溶剂原子的差异引起错配效应,得到球形对称的由于溶质与溶剂原子的差异引起错配效应,得到球形对称的应力应变场。可用正交点力组表征。应力应变场。可用正交点力组表征。205.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用错配体积:错配体积:错配度:错配度:错配度与基体体积变化的关系错配度与基体体积变化的关系215.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用二二.溶质原子间的弹性交互作用溶质原子间的弹性交互作用两个置换原子分别看作
9、两个错配球,讨论两者之间的弹性交两个置换原子分别看作两个错配球,讨论两者之间的弹性交互作用。互作用。225.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用预备知识:错配球在有限大基体中产生的应变能等于附加外预备知识:错配球在有限大基体中产生的应变能等于附加外力产生体积变化所做的功。也称交互作用能。其数值等于力产生体积变化所做的功。也称交互作用能。其数值等于外部压力与系统体积变化的乘积。外部压力与系统体积变化的乘积。正应力与体积变化发生交互作用:正应力与体积变化发生交互作用:切应力与切应变发生交互作用:切应力与切应变发生交互作用:235.3 置换式溶质原子与位错的弹性交
10、互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用 根据交互作用能的情况可以判断交互作用类型根据交互作用能的情况可以判断交互作用类型245.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用由由A A原子造成的晶体外部体积变化,为原子造成的晶体外部体积变化,为B B原子也是错配球,其应力场在晶体表面引起外压力。原子也是错配球,其应力场在晶体表面引起外压力。255.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用由由A A、B B两原子间形成的弹性交互作用能为两原子间形成的弹性交互作用能为即:置换式的溶质原子之间的弹性交互作用能与两原子间的即:置换式的溶质原子
11、之间的弹性交互作用能与两原子间的距离无关。且无组态作用力:距离无关。且无组态作用力:结论:两置换溶质原子之间有交互作用能无交互作用力,其结论:两置换溶质原子之间有交互作用能无交互作用力,其分布表现出偏聚和无序分布两种趋势。分布表现出偏聚和无序分布两种趋势。265.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用三三.溶质原子与刃型位错的弹性交互作用溶质原子与刃型位错的弹性交互作用A A:溶质原子,错配球,:溶质原子,错配球,晶体表面产生体积变化晶体表面产生体积变化B B:刃型位错,应力源:刃型位错,应力源内部产生压力场内部产生压力场275.3 置换式溶质原子与位错的弹性
12、交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用A A与与B B的弹性交互作用能为的弹性交互作用能为285.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用讨论讨论;1.1.弹性交互作用能具有长程性质弹性交互作用能具有长程性质将这种由于位错与溶质原子的交互作用而形成的在刃型位错将这种由于位错与溶质原子的交互作用而形成的在刃型位错附近的溶质原子偏聚现象,称为附近的溶质原子偏聚现象,称为CottrellCottrell气团。气团。.295.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用CottrellCottrell气团气团(1 1)特点)特点1 1)溶
13、质原子尺寸和位错线的符号对其)溶质原子尺寸和位错线的符号对其分布状态有影响。分布状态有影响。2 2)溶质原子分布与距离的关系:与位)溶质原子分布与距离的关系:与位错越近,溶质原子浓度越高错越近,溶质原子浓度越高3 3)露点()露点(CottrellCottrell气团存在的临界温度):气团存在的临界温度):温度过高会使气团分解。温度过高会使气团分解。305.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用CottrellCottrell气团阻碍位错运动的机制气团阻碍位错运动的机制(1 1)钉扎机制)钉扎机制由于位错与溶质原子间的弹性交互作用,使溶质原子偏聚于由于位错与溶
14、质原子间的弹性交互作用,使溶质原子偏聚于位错线附近。有外力作用时位错的运动会改变溶质原子的位错线附近。有外力作用时位错的运动会改变溶质原子的平衡位置,系统能量升高,位错运动受阻。平衡位置,系统能量升高,位错运动受阻。位错运动较快时,摆脱位错运动较快时,摆脱CottrellCottrell气团钉扎的临界切应力为:气团钉扎的临界切应力为:315.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用CottrellCottrell气团阻碍位错运动的机制气团阻碍位错运动的机制(2 2)拖曳机制)拖曳机制位错运动较慢时,可以拖着位错运动较慢时,可以拖着CottrellCottrell
15、气团一起运动,气团对位气团一起运动,气团对位错表现出拖曳作用。一般只在高温下、原子的扩散速率与错表现出拖曳作用。一般只在高温下、原子的扩散速率与位错运动速度相近时才产生。位错运动速度相近时才产生。325.3 置换式溶质原子与位错的弹性交互作用置换式溶质原子与位错的弹性交互作用四四.溶质原子与螺型形位错的弹性交互作用溶质原子与螺型形位错的弹性交互作用A A:溶质原子,错配球,:溶质原子,错配球,晶体表面产生体积变化晶体表面产生体积变化B B:螺型位错,仅有切应力场,:螺型位错,仅有切应力场,P PB B=0=0交互作用能:交互作用能:一般认为置换式溶质原子与螺位错之间一般认为置换式溶质原子与螺位
16、错之间无弹性交互作用。无弹性交互作用。335.4 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用一一.间隙式溶质原子形成错配球的特点间隙式溶质原子形成错配球的特点1.FCC1.FCC结构间隙原子的错配效应结构间隙原子的错配效应四面体间隙:四面体间隙:八面体间隙:八面体间隙:错配球特点:错配球特点:1 1)原子占据八面体间隙,产生球对称的应力应)原子占据八面体间隙,产生球对称的应力应变场;变场;2 2)间隙原子与刃型位错的交互作用更强,偏聚到)间隙原子与刃型位错的交互作用更强,偏聚到半原子面的下方。半原子面的下方。345.4 间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用间隙式溶质原子
17、与位错的弹性交互作用一一.间隙式溶质原子形成错配球的特点间隙式溶质原子形成错配球的特点2.BCC2.BCC结构间隙原子的错配效应结构间隙原子的错配效应四面体间隙:四面体间隙:八面体间隙:八面体间隙:错配球特点:错配球特点:1 1)原子占据八面体间隙,产生非对称的应力应)原子占据八面体间隙,产生非对称的应力应变场;变场;2 2)既有正应力也有切应力,正应力产生非均匀的)既有正应力也有切应力,正应力产生非均匀的内压应力场内压应力场:355.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用间隙式溶质原子与位错的弹性交互作用二二.中碳原子与螺位错的交互作用中碳原子与螺位错的交互作用SnoekSnoek气团气团因为
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- 强化 机制
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