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固溶强化（材料科学学科中的现象）

次浏览 | 更新时间：2023-05-20

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固溶强化

材料科学学科中的现象

合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。

基本信息

中文名	固溶强化
别名	零维强化
外文名	Solid solution strengthening
方法	合金元素固溶于基体金属
目的	使合金固溶体的强度与硬度增加
学科	材料科学

收起

原理

Solid solution strengthening

融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。

影响因素

（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显着。

（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。

（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

程度

固溶强化的程度主要取决于两个因素：1. 原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。3.间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。4.溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显着。

效果

1. 屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属

2. 绝大部分情况下，延展性低于纯金属

3. 导电性比纯金属低很多

4. 抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善

应用实例

1．微量Ag对铜合金性能的影响

Cu-Ag合金是典型的固溶强化型合金，在共晶温度(779℃)时银在铜中的溶解度可达8%。银分布在固溶体中，从而提高铜的强度和硬度，产生显著的固溶强化效应。一般说来，铜中加入合金元素，溶质原子溶入晶格后会引起晶体点阵畸变，这种畸变的晶格点阵对运动电子的散射作用也相应加剧。因此，固溶强化对铜的导电性和强度的效应是矛盾的。但银与可固溶于铜的其他元素不同，含银量少时，铜的电导率和热导率的下降不多，对塑性的影响也甚微，并显著提高铜的再结晶温度、蠕变强度和抗高温热低周疲劳。在相关文献中有介绍：在铜中加入0.2%-1%银后，导电率仍保持在100%IACS，形变强化后强度可达到400MPa以上：Cu-0.085%Ag经冷加工后，强度可达到420MPa，导电率为100%IACS，Cu-10%Ag经适当处理后，强度可达到1000MPa，导电率可达80%IACS。

2. 微量元素对Pt或Pt-Rh合金高温强度的影响

微量或少量元素对 Pt 和 Pt-Rh 合金的高温强度有明显的影响，溶质W、Mo、Ir、Ru、Os、Re 等内聚能很高，它们对Pt、Pd的强化效果很好，所有过渡族元素及Cu、Ag和Au在Pt中也有相当高的固溶度，特别是周期表中Pt附近的元素与Pt形成连续固溶体。在不甚高的温度范围内，这些元素对Pt均有不同程度的固溶强化作用。

3. V-4Cr-4Ti合金的氢致硬化

钒合金具有较强的吸氢能力，合金元素Ti能显著提高合金的吸氢量，在发生氢脆断裂的临界氢含量下，达到氢致脆性断裂之前，钒合金的氢致硬化是一种典型的固溶强化。这是因为H在合金中是非常容易扩散的，其可以与位错发生交互作用，从而提高合金的强度，并使合金的塑性降低。H引起合金的固溶强化，使合金的晶粒强度升高。而金属Ti是一种很好的吸气剂，在钒合金中，由于Ti对其中中间隙杂质原子C，N，O和H等具有很强的吸附作用，它能减低它们在合金中的扩散系数，会降低合金中H与位错的交互作用，使合金具有相对优良的抗氢脆性能。

4. Al-Zn-(Cu)合金的固溶强化效应

经过均匀化处理的Al-Zn-2Cu合金，固溶处理后形成单相固溶体。如再对其进行阶梯退火，得到的组织为在Al基固溶体上弥散分布着细小的Zn相，其是由α-Al 和β-Zn 相组成。可见Al-Zn-2Cu合金在固溶处理后的阶梯退火过程中，在发生失稳分解后，已经通过不连续沉淀形成了两相平衡组织。该合金铸态组织是由α-Al 和β-Zn 相组成的两相枝晶组织。阶梯退火所得到的平衡态组织较铸态组织更细小，但其硬度远远低于铸态组织的硬度。由此可见，在Al-Zn-2Cu合金中与固溶强化效应相比，析出强化效应相对较弱，随着溶质原子的析出，所产生的析出强化效应要小于所损失的固溶强化效应，造成合金的强度下降。Al-Zn-(Cu)合金的硬度主要取决于固溶强化效应。

5．钴基高温合金

钴基合金中含有大量降低层错能的钴、钨、铬等元素，因此其层错能较低，在合金中形成大量的堆垛层错和孪晶，阻碍了位错的移动，特别是合金中的扩展位错宽度的增加，使位错的攀移变得极为困难，从而提高了合金的高温强度。但是如果钨含量过高的话会使析出相数量增加，晶粒发生细化，合金的高温拉伸强度反而会下降。过量的钨还会形成大量的析出相，会削弱钨的固溶化作用，同时大量的析出相还会使合金的冷加工变得非常困难。

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