固溶体的强化作用

固溶体的强化作用
虽然纯金属在实际工业生产上得到了一定的应用，但是由于其强度一般都很低，如铁的抗拉强度约为200MPa，而铝的抗拉强度还不到100MPa，显然都不符合用作工业的结构材料。

近年来，为了适应多方面的要求，各种新材料、新工艺不断出现，但是就目前来说，新材料的制造方法比较复杂，制备成本较高，市场应用不是特别广泛，所以，在今后很长一段时间之内，用的较多的仍然是一些传统材料。

目前应用的金属材料大多数是合金，新材料的广泛应用还有一段时间。

所以，对其研究仍有重大意义。

固溶体是几乎所有合金的基体相，固溶强化作为最基本的强化手段已被广泛地利用于生产中。

当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。

随着溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般规律情况是：强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降，磁矫顽力升高等。

例如铜镍合金，其性能如图一。

通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大的缘故。

固溶强化是材料的一种主要的强化途径。

实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍然保持相当好的塑性
和韧性。

例如，向铜中加入19%镍，可使
合金的σb由220MPa升高至380 -
400MPa，硬度由HB44升高至HB70，而
塑性仍然保持Ψ=50%。

数据结果如图一。

若将铜通过其他途径（例如冷变形时的加
工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将
接近完全丧失。

十分明显，固溶强化是一
种极为优异的强化方式，因而在金属材料
的生产和研究中得到了极为广泛的应用，
几乎所有对综合力学性能要求较高（强度、韧性和塑性之间有较好的配合）的结构材料都是以固溶体作为最主要最基本的相组成物的。

可是通过单纯的固溶强化所达到的最高强度指标仍然有限，常常不能满足人们对于结构材料的要求，因而不得不在固溶强化的基础上再补充进行其他强化处理。

在塑性韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击功等，固溶体要比组成它的两个纯金属的平均值低，但比一般化合物要高得多。

因此，综合起来，固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机械性能，因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。

对于钢铁材料来说，固溶强化的作用只是其强化途径的一种，因此有一定的局限性；而对于非铁金属材料来说，固溶强化是行之有效的重要强化手段。

工业上使用的金属材料，其大多数是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体组成。

固溶强化及其变化规律也是对金属材料进行强化处理的方法之一，这将影响到对新材料的设计和现有材料性能潜力的发挥。

因而从总结归纳分析现有资料，从而揭示形成固溶体及固溶强化的本质规律，不论在理论和实践上都有其重要意义。

1.固溶体定义
1.1.定义
所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。

这种相称为固溶体，这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。

固溶体指的是一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。

但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。

如自然界辉石就是一个多种成分的固溶体。

自然界矿物中广泛存在的离子或离子团之间的置换的化学现象，过程称为类质同像或固溶体。

晶体结晶时，其晶体结构中一种位置被两种或两种以上的不同元素（或基团）而形成混合晶体的现象，而固溶体是反映形成这种混合晶体的结构。

1.2.分类
按溶质原子在晶格中的位置关系可以分为置换固溶体、间隙固溶体和缺位
固溶体（其位置关系如图二所示）。

置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。

当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15%以内时，易于形成置换固溶体。

铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异。

影响固溶体溶解度的因素有很多，主要取决于：晶体结构、原子尺寸、化学亲和力（电负性）、原子价因素。

间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。

间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。

其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。

如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。

按固溶度来分类，可分为有限固溶体和无限固溶体。

大多数固溶体都属此类。

而无限固溶体只可能是置换固溶体，Cu-Ni、Ag-Au、Ti-Zr、Mg-Cd等合金系都可图二：按位置关系的固溶体分类
形成无限固溶体。

按溶质原子与溶剂原子的相
对分布来分，可分为无序固溶体
和有序固溶体。

2.固溶强化
2.1.定义
合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。

这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

2.2.固溶强化机理
合金元素固溶于基体金属后，造成一定程度上的晶格畸变，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。

融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，但是其韧性和塑性却有所下降。

产生固溶强化的主要原因有
二：一是固溶体中溶质与溶剂的原
子半径差，所引起的弹性畸变，与
位错之间产生的弹性交互作用，对
在滑移面上运动着的位借有阻碍
作用；二是在位错线上偏聚的溶质
原子对位错的钉扎作用。

图三：合金元素对γ-Fe屈服强度的影响如图三表示了不同形式的固
溶的合金元素对γ-Fe屈服强度的影响。

3.强化机理
3.1.金属塑性变形机理
固溶强化的作用主要在于增大金属塑性变形的抗力，当金属所受的应力大于
超过其弹性极限后，金属就会要产生塑性变形。

在常温和低温的环境中，金属产
生塑性变形的主要方式是通过滑移的方式进行的，有的是通过孪生等其它方式进
行。

当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量
的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。

3.2.固溶强化机制
固溶体的强化作用表现在以下两方面，一是作为晶体的点缺陷，与位错发生
弹性交互作用、化学交互作用、电化学交互作用，以影响位错运动。

3.2.1.溶质原子与位错的交互作用
3.2.1.1.弹性交互作用
由于点缺陷与位错的交互作用，使溶质原子在固溶体中聚集于位错线附近，
形成溶质气团。

一些固溶合金在拉伸实验时出现的上、下屈服极限点现象和和时
效回复效应，都是合金中存在溶质气团。

柯式气团
在正刃型位错线的上半部分晶格爱挤压而处于压应力状态，线的下半部分晶
格受拉而处于拉应力状态。

比溶剂原子大的置换原子及间隙原子往往扩散到位借
线的下方受拉应力的部分，比溶剂原子小的置换原子扩散到线的上方受压应力的部分。

这样，偏聚于位错周围的溶质原子好像形成了一个溶质原子“气团”，称为“柯式气团”。

如图四。

柯式气团的形成，减小了晶格畸变，降低了溶质原子与位错的弹性交互作用能，使位错处于较稳定的状态，减少了可动位错数目。

这就是柯式气团对位错束缚或钉扎作用。

由于气团对位错的钉扎，使位错处于低能稳定状态，若使线运动，脱离气团的钉扎，就需要更大的外力，一旦所加外力达到所需极限，位错便摆脱气团的束缚开始发生滑移。

从而增加了固溶体合金的塑性变形抗力。

图四：溶质原子在位错附近的分布
如上所述为柯式气团的钉扎作用。

除了柯式气团对位错的钉扎作用之外，柯式气团对位错还有拖曳作用，当位错运动较慢时，可以看作是它们拖着柯式气团五起运动，气团对位错表现出拖曳作用。

一般只在高温下、原子的扩散速率与位错运动速度相近时，柯式气团才产生拖曳作用。

铃木气团
铃木气团层错与溶质原子发生交互作用，使层错附近溶质原子浓度不同于基质内溶质原子浓度，这种现象称为铃木效应。

当溶质原子偏聚在层错附近，使其浓度大于基体中浓度时，即形成铃木气团。

铃木气团形成的根本原因在于层错处溶质原子的能量不同于处在基质中的能量。

3.2.1.2.化学交互作用和电化学交互作用
溶质原子还可与位错发生化学交互作用和电化学交互作用。

大量的塑性变形，往往要借助于位错的交滑移进行。

而位错进行交滑移时，在通过束集转移到新、旧滑移面的交线之后，要在新滑移面上滑移，还需要先分解为扩展位错。

由于溶质原子分布在滑移面上，在滑移面的某些区域或层错面上
发生偏聚，会提高这些区域的层错能，使位错扩展困难，并使扩展位错难以滑移。

从而增加了变形的阻力，提高了材料的属服强度。

这是溶质原子化学交互作用的结果。

另外，溶质原子分布在位错线上，在位错周围的弹性应力场作用下，会发生极化。

即溶质中的自由电子会从压应力区流向张应力区，而正离子则不能随着电子移动。

电子流动的结展打破了正离子与自由电子间的电价平衡，使压应力区的自由电子浓度相应降低，正价离子的浓度相应增加，而成为正电极。

相反，张应力区的自由电子的浓度增加，正价离子浓度相应减少，而成为负电极。

为了维持静电价平衡，固溶体中高价溶质的正离子，通过扩散富集到张应力这里来构成了靠溶质原子与位错间的电化学作用维持的静电平衡系统。

位错要发生运动，就必须增加外力打破这种平衡。

因此它也是固溶强化的重要机制。

3.2.2.有序强化机制
A、B两种原子形成有序固溶体(超结构)时，强度比纯溶剂金属的强度高。

因为相对于同样晶体形式的纯溶剂，它的单位位错的柏氏矢量更大，位错组态更为复杂。

因此位错运动的阻力也会相应增大。

当无序固溶体转变为有序固溶体时，性能发生突变：硬度及脆性显著增加，而塑性和电阻明显降低。

但是由同样成分的无序固溶体转化为有序固溶体，即发生长程有序化转变，却会使合金的强度降低。

因为，在无序固溶体中，溶质原子以间隙或置换的方式无序分布时，与位错的交互作用对位错运动产生的阻力，比形成有序固溶体对位错运动造成的阻力更大。

而无序固溶体中只有在很小范围内发生有序化，即形成短程有序结构时，才能对固溶体起到强化作用。

这种短程有序结构的点阵周期和对称性，与无序固溶体基体点阵的周期、对称性都不一样。

位错在固溶体的滑移系上运动，通过这些有序结构时，会遇到很大阻力，从而使材料得到强化。

3.3.影响因素
●溶质原子的原子分数越高，强化作用越大，强化作用更为显著。

●间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化作用，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立方晶体的，但间隙原子的固溶度有限，故实际强化作用效果也有限。

不同形式的合金元素造成的点阵畸变及强化效果如图五所示。

●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
体的屈服强度随其增加而提高。

●溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，原始晶粒受到的干扰就越大，位错滑
移就越困难，强化作用也越大。

●合金元素的含量。

加入的合金元素的含量越多，强化效果就越好，如果加入
过多太大或太小的溶质原子，就会越过溶解度，这就会造成另一种强化机制——弥散强化机制。

图五：不同合金元素的畸变常数
4.应用举例
4.1硅在铁素体中的固溶强化作用
在固态的铸铁中，硅几乎全部固溶于奥氏体和铁素体，不进入碳化物。

硅原子与铁原子可以结合成具有强共价键的含硅铁素体，不仅促进铁素体形成，而且使铁素体强化的作用很强。

为了解硅强化铁素体的能力，避免石墨形态和其他合金元素的影响，20世纪50年代，国外有人在碳含量为0.1%、不含其他合金元素的钢中，加入不同量的硅，以比较硅对力学性能的影响，结果见表一。

表一中还列出了组织为全部珠光体、不含其他合金元素的碳钢的性能，以供对比。

表一：不同硅含量铁素体力学性能
力学硅含量（%）全珠光体碳
由表1可见，硅强化铁素体的作用很明显。

硅含量的提高后，抗拉强度和硬度都随之提 高。

但是，硅固溶强化的铁素体，抗拉强度和硬度的值仍明显地低于珠光体。

在铸铁中，利用硅的固溶强化作用，可以减少或不用铜、镍、锡、钼、铬等提高强度的合金元素，是相当有益的。

4.2 硅固溶于铸铁中的作用
溶入一些特殊材料，不仅使合金在抗拉强度、屈服强度和伸长率方面有良好的特性，而且在冲击韧性，疲劳特性等力学性能方面都有优越表现。

如硅固溶于铸铁中的作用。

● 在球墨铸铁中，硅固溶于铁素体，有抑制珠光体、促进铁素体的作用，而且
固溶于铁素体的硅能使铁素体强化。

● 硅固溶强化球墨铸铁，疲劳极限优于常规球墨铸铁。

● 在脆性转变温度以上，硅固溶强化
的球墨铸铁的冲击韧度优于常规
球墨铸铁。

图六表示了几种球墨铸铁抗拉强
度和屈服强度的关系。

由图可见，在
抗拉强度相同的条件下，高硅球墨铸
铁的屈服强度比常规球墨铸铁要高得
多，硅的固溶强化作用使球墨铸铁的
屈服强度大为提高。

5. 结束语 固溶强化是强化金属的重要方法之一。

固溶体金属因其工艺相对来说，比较简单，并且成本也在适合的范围内。

更为重要的是，在相同的条件下，它具有其 性能
微量 0.82 2.28 3.40 钢 抗拉强度
MPa
280-290 315 540 645 840 伸长率（%）
60 55.0 50.0 21.0 10.0 硬度HBW
75 88 124 150 200
图六：高硅球墨铸铁和常规球墨铸铁屈服强度
它金属所达不到的优越的机械力学性能，因此它在我们日常的生产生活中得到了极为广泛地应用。

虽说在如今的时代，为了适应多方面的要求，各种新材料、新工艺不断出现，新的材料越来越多，并且产生速度也越来越快，但是就目前来说，新材料的制造方法比较复杂，制备成本较高，市场应用不是特别广泛，所以，在今后很长一段时间之内，用的较多的仍然是一些传统材料。

目前应用的金属材料大多数是合金，新材料的广泛应用还有一段时间。

所以，对其研究仍有重大意义。

为此，我们就有了对其进行继续研究必要性。

研究其变化规律也是对金属材料进行强化处理的方法之一，这将影响到对新材料的设计和现有材料性能潜力的发挥。

因而从总结归纳分析现有资料，从而揭示形成固溶体及固溶强化的本质规律，了解其形成规律，组织形态，制定其相关适合工艺，使金属充分发挥其强大性能潜力，不论在理论和实践上都有其重要意义。