氧化物弥散强化Pt_Pt_Rh合金机理研究

《玻璃纤维》２００９年 第５期 ３
技术开发
点影响基体再结晶动力学，既能阻止形成再结晶前 沿的位错重新排列，又能阻止再结晶前沿的迁移。 当氧化物质点种类，尺寸大小、体积百分数、分布 间距选择恰当，就可促使材料在高温下具有稳定晶 粒结构［２０，２１］。章桥新研究的新型弥散强化铂合金材 料的再结晶温度比纯Ｐｔ高４００～５００，℃［２２］。
式中，，表示所受应力，，为ＺｒＯ２弥散颗粒之间的 间距，，为自扩散系数，，为弥散颗粒直径，，为
玻尔兹曼常数，，为绝对温度。
滑移
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攀移
滑移
第二相
图３ 刃型位错克服弥散颗粒攀移
在此情况下，弥散强化材料的蠕变速率与弥散 颗粒直径的平方成反比，ＺｒＯ２颗粒直径越大，结果 金属变形的速度就越慢。但是，不能片面地认为颗 粒越大越好，在ＺｒＯ２含量一定的情况下，颗粒增大， 颗粒间距也会增大，可能失去阻止位错运动的能力。 当颗粒间距增大到位错能绕过颗粒时，蠕变速率增 加，强化作用逐渐消失。 ２．２ 第二相阻碍位错运动，使位错在晶界塞积 当位错运动至晶界时，必须克服晶界阻力和晶 界上第二相颗粒的阻碍作用。由于晶界两侧晶粒取 向不同，所以在某一个晶粒中滑移的位错不能穿越 晶界进入相邻晶粒，便塞积起来，位错塞积使头部 产生了应力集中。位错塞积后便对晶粒中心的位错 源有一反作用力，这个反作用力随位错塞积的数目 而增大，当增大到某一数值时，可使位错源停止动 作，从而阻碍位错运动［１１］。
Ｔ
ｄθ
τｂ
ｄｓ
ＺｒＯ２
Ｔ
图２ 位错受力情况示意图
在切应力，的作用下，位错运动到第二相质点 处时，位错线弯曲成圆弧形，最后慢慢形成一个位 错环。设弯曲后其长度为，，，曲率半径为，，在质 点处弯曲角度为，，。障碍对具有柏氏矢量，的位错 的作用力，将与位错的线张力，保持平衡，弯曲位错 所受的总力为，，，，，线张力为，，，，，（， 为切变模量），它与位错线张力在水平方向的分力 ，，， ， 相等，即： （１） 因为，，，，，，，，很小时，，，， ，， 所以 （２） 从上式可以看出，不可变第二相颗粒的强化作 用与颗粒间距成反比。颗粒间距越小，材料的屈服 强度越大。也就是说颗粒的间距越小，强化作用越 大。
《玻璃纤维》２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０９年 第５期 １
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主要采用ＺｒＯ２或Ｙ２Ｏ３作为强化相［５－７］，以及用ＺｒＯ２和 Ｙ２Ｏ３共同作为弥散增强相［２，８］。氧化物弥散强化 Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金，是通过弥散分布的氧化物颗粒钉扎 在晶界或晶粒内部，阻碍晶界的迁移和晶粒长大， 使材料尽可能保持高度拉长的晶粒组织结构（纤维 状组织），提高材料再结晶温度；蠕变过程是刃型 位错攀移所控制的激活过程，而弥散粒子强烈地阻 碍位错的运动和刃型位错的攀移，从而提高材料的 抗蠕变能力。
《玻璃纤维》２００９年 第５期 ２
杨宗伦，等：氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金机理研究
阻部分弯曲更严重，以致围绕着粒子的位错线左右 两边相遇，形成包围着颗粒的位错环留下，而位错 线的区域部分越过颗粒继续移动，位错按照这种方 式移动时受到的阻力是最大的，因为继续变形必须 增大应力来克服此反方向应力。位错线的弯曲将会 增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错运 动的阻力，使滑移抗力增大，宏观上表现为提高材 料的强度［９，１０］。 １．２ 位错绕过第二相粒子的受力分析 图２表示位错线在绕过第二相颗粒时的受力情 况［９］。
１ 氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金的屈服强 度机理 １．１ 第二相颗粒阻碍位错运动
强度是材料抵抗变形的能力，是由位错数目和 位错运动所控制的。为了强化金属，必须限制位错 运动。位错理论是第二相弥散强化机理的代表理论。 工业用合金所含第二相，对位错运动来说，有两种 情况：一是可变形第二相，位错通过第二相时可以 切过它；另一种是不可变形第二相，当位错运动到 第二相时，位错只能绕过它向前运动，如图１所示［９］。 对于氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金而言，由氧化物 的性质和尺寸决定了位错在基体中运动时只能绕过 氧化物颗粒［１０，１１］。
Abstract：The mechanism of oxide dispersion-strengthened（ODS）platinum or platinum- rhodium alloys was expatiated by dislocation theory in this paper. One one hand, the dislocation in the matrix was pinned by the highly dispersed second phase particles，which hampers the movement of dislocation. On the other hand, the migration of grain boundary and the growth of grains were hindered by the second phase particles，thereby enhancing the recrystallization temperature of the matrix. The material can be strengthened under the actions of the above factors. The in-depth analysis of the mechanism of oxide dispersion strengthening can provide a reference for developing better quality dispersion- strengthened platinum or platinum-rhodium alloys. Key words：oxide dispersion strengthening；Pt/Pt-Rh alloy；dislocation；recrystallization
Study on the Mechanism of Oxide Dispersion-Strengthened Pt/Pt-Rh Alloys
YANG Zonglun，LIU Weiting，Sun Jianlin （Chongqing Polycomp International Corperation，Chongqing 400082）
２ 氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金蠕变机理
应用于玻纤工业的弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金材料， 相当于是长时间在高温、低应力载荷下工作。材料 在恒定应力下，将发生缓慢而持久的形变，成为蠕 变。对于蠕变，氧化物弥散颗粒强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金 机理分两种情况。 ２．１ 第二相阻碍位错移动，位错必须通过攀移 方能越过障碍 第二相是位错的阻碍，位错必须通过攀移方能 越过障碍；而蠕变过程又是刃型位错攀移所控制的 激活过程，弥散颗粒强烈地阻碍位错攀移，从而可 以提高材料的抗蠕变能力［１６］。刃型位错克服弥散颗 粒攀移过程，如图３所示［９］。 假设氧化物为ＺｒＯ２颗粒，颗粒直径为，，颗粒 间距为，，因每次攀移时间正比于，，攀移次数反 比于，，因而蠕变速率与，，成正比。若第二相总 量不变，颗粒长大总伴随着颗粒间距的增大，，和 ，是按比例增长的。在低应力情况下，材料的蠕变 速率可按下式计算［１７］。 （３）
４ 影响弥散Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金的因素
对于氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金而言，其强 度不但取决于基体和弥散相的本性，而且决定于弥 散相的含量、粒度和分布、形态以及弥散相与基体 的结合情况。 ４．１ 氧化物弥散粒子的性质 在Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金材料使用过程中，弥散强化粒 子稳定而不长大是强化的前提条件。从热力学方面 来看，强化相（ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３和ＴｈＯ２等氧化物）的生成 自由能负值大，熔点高，具有很高的化学稳定性， 在基体中非常稳定，并且具有高的结构稳定性。 ４．２ 氧化物粒子的几何因素和形态 弥散强化机制与材料中第二相颗粒的几何参数 之间具有密切的关系，其中弥散相的含量、粒度和 颗粒之间间距是主要因素［２３，２４］。当氧化物含量一定 时，颗粒愈细，则颗粒数愈多，因而颗粒间距也就 愈小。这些弥散相的几何因素是影响材料强度的重 要因素。克雷门等人研究了三者之间的关系如下：
位错线
位错环
第二相 粒子
（ａ）
（ｂ）
（ｃ）
（ｄ）
（ａ）位错绕过之前；（ｂ）位错线弯曲； （ｃ）形成位错环；（ｄ）位错绕过之后
图１ 位错绕过不可变形第二相粒子
图１表示了位错在运动时，位错线不能直接切过 第二相颗粒，但在外力作用下，移动着的位错与不 可变形颗粒相遇时，将受到颗粒的阻挡，使位错线 绕着它发生弯曲；随着外加应力的增加，位错线受
３ 氧化物粒子对Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金再结晶行为 的影响
当对材料进行冷轧或拉拔时，其晶粒沿变形方 向逐渐拉长，变形量越大，则拉长越显著；当变形 量很大时，晶界变得模糊不清，其组织结构呈纤维 状。强烈冷变形使金属内部具有高的位错密度 （１０１２／ｃｍ２），储存了较高的弹性畸变能［９］。当材料在 高温条件下使用或进行退火处理时，弹性畸变能减 小为再结晶提供驱动力，而晶粒长大则是力图使晶 界界面能减小。 李世琳研究发现，氧化物粒子既分布在晶粒内 部，又分散在晶界上［１８］。据资料介绍［１９］，氧化物质
杨宗伦，等：氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－Ｒｈ合金机理研究
由上分析可知，要提高氧化物弥散强化Ｐｔ／Ｐｔ－ Ｒｈ合金的强化效果，对于制备ＯＤＳ铂及其合金而言， 可以通过两条途径来减小颗粒之间的间距。一是在 相同的体积百分含量氧化物时，减小颗粒的尺寸， 颗粒增多，从而使颗粒间距减小；二是在颗粒尺寸 一定的情况下，增加颗粒的体积百分含量，也会使 颗粒间距减小。但是，当颗粒增加到一定程度时， 如果继续增加其含量，材料的冷加工性能和焊接性 能显著下降，从而导致材料无法正常使用。目前， 主要研究方向是在氧化物含量一定的情况，减小颗 粒的尺寸，从而提高材料的性能。徐颖等人研究纳 米级的ＺｒＯ２来弥散强化Ｐｔ的性能［１２－１４］，高晶等人采 用纳米氧化锆增强铜基复合材料［１５］。