合金強化

    合金強化是一個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，并提高合金的強度；具體說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：作為溶質原子在固溶體中無序分布，與溶劑原子組成有序結構，形成在結構與成分上與基體不同的彌散質點，并形成尺寸相當的復相混合物等；它們對位錯運動的不同程度的阻礙作用是使合金獲得高強度的直接原因。合金元素通過改變基體點陣類型，也能使基體晶粒細化，增大基體的淬透性，間接地提高合金的強度。

    不同種類的合金強化過程，有不同形式的強化機制。

    固溶強化

    溶解在固溶體中的合金元素引起的強化稱為固溶強化。

    最基本的情況是合金元素的原子無序地分布在基體中，構成均勻的單相固溶體。由于合金原子與位錯之間存在著力學的、化學的以及電學的相互作用，而相互作用能又是位錯與溶質原子相對位置的函數，因此滑移面上的位錯就如同處在混亂分布的大大小小的能峰與能谷之間，構成了位錯滑移的障礙，全部相互作用的統計效果決定著驅使位錯運動所必須的應力。碳在鋼的馬氏體中的作用可以作為這種機制的一個例子。

    若溫度和時間條件允許，溶質原子趨向于擴散到能量最有利的位置，結果在位錯周圍會形成溶質原子氣團，成為有成分偏聚的固溶體。在這種情況下，無論位錯先從氣團中掙脫出來再運動，還是拖著溶質原子氣團一起運動，都需要外力做更多的功。這些過程與鋼中的明顯屈服點、應變時效和藍脆現象有密切關系。

    第二相質點強化

    在合金中常常用彌散的第二相質點來提高強度，最高強度對應于第二相質點尺寸不大，且呈高度彌散分布的狀態，這些第二相往往是金屬化合物或氧化物，比基體硬得多。

    如第二相質點是利用固溶體脫溶沉淀產生的，稱沉淀強化。在高強度鋁合金、鋼、鎳基高溫合金中廣泛地應用著這種強化方法。

    沉淀化機制與產生沉淀質點的時效處理有關（見固溶體的脫溶分解），典型的發展過程可描述如下。合金的起始強度相當于過飽和固溶體。沉淀初期新相與基體共格，尺寸很小而且彌散，屈服強度決定于位錯切過沉淀相所需克服的阻力，包括共格應力、沉淀相內部結構和相界面效應等因素的貢獻。隨著新相的長大，以及界面和內部結構的變化，位錯切割沉淀相質點逐漸困難。按奧羅萬機制，當位錯線能夠達到的曲率半徑與滑移面上粒子間距相當時，位錯會以類似于弗蘭克-里德源的形式繞過障礙粒子，而在第二相粒子上留下一個位錯圈。這時質點間距成為控制屈服強度的主要因素，因而，在時效后期屈服強度有隨時效時間延長而降低的現象。

    合金中的第二相質點還可以借助于內氧化、粉末燒結等方法引入，在技術上稱為彌散強化。彌散硬化的質點常用高硬度氧化物。

    第二相質點一般都增大合金的加工硬化率。

    有序合金的強化

    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陣中局部地或整體地有規則排列的結構超結構即短程序或長程序（見有序-無序相變），由這種有序結構而引起的強化稱有序合金強化。

    對于以尺寸相當的兩相或多相混合物組成的合金，除在每一相中上述強化機制仍起作用之外，還要計入相界面對強度的貢獻。

    在特殊情況下，合金元素引起固溶體屈服強度降低，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。

    鋁合金強化機制有哪些？

    1.固溶強化

    純鋁中加入合金元素，形成鋁基固溶體，造成晶格畸變，阻礙了位錯的運動，起到固溶強化的作用，可使其強度提高。根據合金化的一般規律，形成無限固溶體或高濃度的固溶體型合金時，不僅能獲得高的強度，而且還能獲得優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化效果。

    2.時效強化

    合金元素對鋁的另一種強化作用是通過熱處理實現的。但由于鋁沒有同素異構轉變，所以其熱處理相變與鋼不同。鋁合金的熱處理強化，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。所以鋁合金經加熱到某一溫度淬火后，可以得到過飽和的鋁基固溶體。這種過飽和鋁基固溶體放置在室溫或加熱到某一溫度時，其強度和硬度隨時間的延長而增高，但塑性、韌性則降低，這個過程稱為時效。在室溫下進行的時效稱為自然時效，在加熱條件下進行的時效稱為人工時效。時效過程中使鋁合金的強度、硬度增高的現象稱為時效強化或時效硬化。其強化效果是依靠時效過程中所產生的時效硬化現象來實現的。

    3.過剩相強化

    如果鋁中加入合金元素的數量超過了極限溶解度，則在固溶處理加熱時，就有一部分不能溶入固溶體的第二相出現，稱為過剩相。在鋁合金中，這些過剩相通常是硬而脆的金屬間化合物。它們在合金中阻礙位錯運動，使合金強化，這稱為過剩相強化。在生產中常常采用這種方式來強化鑄造鋁合金和耐熱鋁合金。過剩相數量越多，分布越彌散，則強化效果越大。但過剩相太多，則會使強度和塑性都降低。過剩相成分結構越復雜，熔點越高，則高溫熱穩定性越好。

    4.細化組織強化

    許多鋁合金組織都是由α固溶體和過剩相組成的。若能細化鋁合金的組織，包括細化α固溶體或細化過剩相，就可使合金得到強化。

    由于鑄造鋁合金組織比較粗大，所以實際生產中常常利用變質處理的方法來細化合金組織。變質處理是在澆注前在熔融的鋁合金中加入占合金重量2～3%的變質劑（常用鈉鹽混合物：2/3NaF+1/3NaCl），以增加結晶核心，使組織細化。經過變質處理的鋁合金可得到細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度及塑性。

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責任編輯：殷鵬飛

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