物理冶金學(xué)原理

第三章金屬中的擴散§3-1擴散理論一、概述圖8-1是金屬中自擴散過程的示意圖，表示具有均勻的放射性原子濃度C1的中間區(qū)域和兩個起始時只含有一般原子的相鄰區(qū)域之間的自擴散。圖8.1（b）是從圖8.1（a）經(jīng)過每個原子平均躍遷一次以后可能出現(xiàn)的放射性原子的分布情況。圖8.1（b）中的濃度曲線是記錄放射性原子在試樣內(nèi)散布的簡便方法。3、進一步的躍遷，將使放射性原子繼續(xù)散布，直到最后達到如圖8.1（c）所示的均勻分布。雖然每一個原子仍將和以前一樣不停的躍遷，但是放射性原子濃度分布曲線保持不變，所以不再觀察到擴散。4、如果圖8.1中帶星的原子使溶入的合金元素，那么上述的同樣圖景表示了置換式固溶體中主要的擴散特性。5、溶質(zhì)原子占據(jù)著基體點陣陣點的間隙位置（鐵中的碳原子），擴散同樣也是依賴溶質(zhì)原子作任意方向的躍遷所引起的。6、由于上述原因，擴散的兩個基本公式，斐克第一定律和第二定律，提供了冶金學(xué)中幾乎所有重要的擴散現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。二、斐克定律濃度梯度dc/dx是判斷擴散能否進行的依據(jù)。因此當(dāng)dc/dx=0時，擴散不可能發(fā)生，如圖8.1（c）。但當(dāng)dc/dx是正值（dc/dx>0）的區(qū)域，有一個凈的溶質(zhì)原子流通過平面1流向負的x方向；而當(dāng)dc/dx是負值時，凈的溶質(zhì)原子流則流向正的x方向，見圖8.1（b）。斐克第一定律的建立每一個溶質(zhì)原子在三維空間的六個方向，平均每秒躍遷Γ次。通過參考平面單位面積上每秒有ΓC2/6個溶質(zhì)原子從平面2躍遷到平面3；反方向的溶質(zhì)原子流是ΓC2α/6，這兩項差值就是溶質(zhì)原子凈的擴散通量J。

原子數(shù)/平方米·秒因為C3=C2+()dx，而dx=，故上式可寫成：而通常寫成：式中D是擴散系數(shù)：

擴散系數(shù)D的變化：由于體心立方點陣中原子躍遷距離為a0/2；面心立方點陣中原子躍進距離為a2/2，故D可以按點陣參數(shù)a0寫成下式：

（體心立方點陣）

（面心立方點陣）斐克第二定律由于斐克第一定律不包括時間變數(shù)，所以常常需要用另一個方程式來處理工程技術(shù)上的問題?？紤]在兩個相距dx的參考平面之間，dx×1的體積內(nèi)溶質(zhì)原子的累積。通過參考平面Ⅰ的擴散通量已列出，而通過平面Ⅱ的擴散通量可寫成：

單位時間（秒）內(nèi)原子的累積，dA，就是進入單位體積的擴散通量超過離開單位體積擴散通量的差值。由于在這里濃度同時是x與t的函數(shù)，利用偏導(dǎo)數(shù)可寫成：代入上式，得出x方向擴散的斐克第二定律如果擴散系數(shù)D隨濃度變化所引起的變動可以忽略不計，那么，上式可簡化為：

對于立方晶系晶體結(jié)構(gòu)的固溶體，上式應(yīng)取三維形式，三、擴散機理間隙固溶體里的擴散尤為簡單，原因有二，首先，溶劑原子的擴散?？珊雎圆挥?；其次溶質(zhì)原子在基本點陣中可以視為從一個間隙位置跳到相鄰的另一個間隙位置，如圖8.2（a）所示。在純金屬或置換式固溶體中則需要有特殊的擴散機理。空位機理與間隙機理相比顯示出下述新的特征：⑴擴散速率直接取決于空位的比率Nv。⑵如果鄰近溶質(zhì)原子的點陣陣點上存在一個空位，如圖8.2（b）所示，那么，溶質(zhì)原子或溶劑原子都有可能跳到空位上。⑶在擴擴散溫溫度下下，由由于Nv值值的典典型數(shù)數(shù)據(jù)僅僅為10-4，所以以在某某一個個給定定原子子的鄰鄰近處處很難難得出出一個個空位位，但但當(dāng)一一個原原子一一旦與與空位位交換換以后后，這這個原原子將將有可可能成成為第第二次次可能能交換換的對對象，，這一一現(xiàn)象象稱為為交互互作用用。根據(jù)空空位任任意躍躍遷頻頻率ΓΓv的的計算算，純純金屬屬的自自擴散散系數(shù)數(shù)為：：式中f是按按交互互作用用現(xiàn)象象導(dǎo)出出的交交互作作用因因子。。面心心立方方金屬屬的f值為為0.78，體體心立立方金金屬的的f值值為0.73.如果導(dǎo)導(dǎo)致擴擴散的的點陣陣缺陷陷是一一個多多余的的原子子（而而不是是失去去一個個原子子形成成的空空位）），其其擴散散機理理稱為為自間間隙擴擴散機機理。。四、熱熱激活活間隙時時擴散散⑴一個個間隙隙原子子必須須具備備足夠夠高的的額外外能量量，才才能跳跳離它它原來來的間間隙位位置。。根據(jù)據(jù)能量量起伏伏的統(tǒng)統(tǒng)計觀觀點，，在總總數(shù)N個原原子中中，有有ni個數(shù)目目的原原子在在某一一瞬間間具有有特定定能量量εi，ni/N的的比值值表征征某一一個原原子具具有εεi能量的的幾率率Pi，根據(jù)據(jù)經(jīng)典典的能能量統(tǒng)統(tǒng)計分分布：：……①①由于能能量是是量子子化的的，εεi值可用用下式式表達達……②②分配函函數(shù)可可以用用下式式表示示：具有最最低不不小于于εi能量的的原子子總數(shù)數(shù)，通通常由由⑴式式某原原子至至少具具有能能量εεi的總幾率P來表示：：……③根據(jù)⑵式的的定義，上上式可寫成成將Q值式子子帶入上式式，最后得得出所求的的幾率，……④式中u=rhv是每每一個原子子的內(nèi)能。。⑵對于通常常的恒溫恒恒壓條件下下的擴散來來說，合適適的熱力學(xué)學(xué)量并非簡簡單的就是是內(nèi)能△u，而是吉吉布斯自由由能△G，，從而得出出有用的式式子：……⑤間隙原子的的躍進頻率率P，可以以由下列乘乘積求得：：在恒溫下△△G=△H-T△S最后導(dǎo)出的的擴散系數(shù)數(shù)表達式為為：……⑥上式中除最最后一個指指數(shù)項以外外，通常將將其余各項項合并成一一個常數(shù)D0，而將△Hm代之以以激活能Q，單位為為焦耳每摩摩爾，得出出通常應(yīng)用用的式子：：……⑦圖8.4是是碳在體心心立方點陣陣鐵中的擴擴散數(shù)據(jù)，，它提供了了一個很好好的例子，，D隨溫度度變化的規(guī)規(guī)律符合與與上式。擴散的空位位機理⑴描述空位位擴散需要要增加一個個物理量Nv0，即空位的的平衡濃度度，其表達達式為圖8.5給給出了空位位數(shù)所占的的比率Nv0隨溫度變化化的典型數(shù)數(shù)據(jù)。在接接近金的熔熔點時，Nv0大致為10-3，但隨著溫溫度的下降降，Nv0急速減少，，在450℃時只有有10-6.⑵如果將按按⑥式式展開，其其結(jié)果是若將△Hm+△Hf代之以激激活能Q，，并將式中中余下的各各種數(shù)量合合并成一個個常數(shù)D。。就得到與與⑦式相同同的表達式式。這樣，，所有各種種類型的擴擴散常數(shù)都都可用兩個個常數(shù)D0與Q來描述述，D0與Q值可以以由實驗方方法測得，，表8.1中列出了了幾個例子子?！?-2擴擴散方程程的解一、概述斐克的兩個個擴散定律律都是微分分方程式，，必須將方方程式求解解以獲得代代數(shù)式來描描述濃度隨隨距離和時時間而變化化的函數(shù)。。這些解可可以分成三三種不同的的類型。⑴通過基本本運算就可可很方便的的求得擴散散方程的解解⑵通過工程程技術(shù)上重重要的擴散散問題的解解由高深的的數(shù)學(xué)處理理技術(shù)得到到。⑶許多類型型的擴散問問題，例如如涉及到與與濃度有關(guān)關(guān)的擴散系系數(shù)值的問問題，可用用計算機求求得。二、斐克克第一定定律1、由于于斐克第第一定律律沒有明明顯的考考慮濃度度隨時間間發(fā)生的的變化，，所以它它的應(yīng)用用局限于于穩(wěn)定態(tài)態(tài)擴散，，或局限限于處理理擴散過過程的重重要參數(shù)數(shù)不因時時間而變變化的一一些問題題。2、金屬屬的一種種類型的的氧化是是一個典典型的例例子，下下面加以以分析。。金屬的高高溫氧化化的實驗驗數(shù)據(jù)通通常表現(xiàn)現(xiàn)為，形形成的氧氧化物的的量與氧氧化時間間呈拋物物線關(guān)系系。借助助圖8.6（a），這這一情形形可以用用擴散過過程加以以說明。。對于任任意氧化化層厚度度X，單單位面積積上金屬屬原子的的遷移速速率是：：然而，dm與氧化層層厚度的增增加值dx成正比，，即dx=Kdm，，故上式可可寫成：式中D′即即KD，D假設(shè)是一一常數(shù)時，，D′也是是一個常數(shù)數(shù)。上式可可作如下求求解：K′為正，，因為式中中的負號已已被濃度差差△c的負負號所抵消消。氧化層層厚度隨氧氧化時間平平方根的增增加而增加加，圖8.6（b））顯示了這這樣的關(guān)系系。三、斐克第第二定律薄膜的解⑴在采用放放射性失蹤蹤原子時，，是在金屬屬B長棒的的一個端面面上沉積一一薄層金屬屬A。常常常用兩個這這樣的試樣樣聯(lián)結(jié)起來來使之形成成兩根長棒棒B中間有有一薄層A的“夾心心”。在x=0平面面處A原子子的起始濃濃度為每平平方米M個個原子。在在“夾心””試樣的情情況下，下下面的解給給出了經(jīng)過過擴散時間間t后，在在進入金屬屬棒B距離離x處的濃濃度，并以以x的函數(shù)數(shù)表示：……①由于起始的的原子總數(shù)數(shù)M在擴散散過程中僅僅是發(fā)生了了重新分布布，……②所以………③③將③式代入入②式，可可得到最終終的解，……④如果不是夾夾心試樣，，試樣在一一段具有相相同數(shù)量M，那么濃濃度值應(yīng)增增加一倍……⑤因為原子僅僅是沿正的的x方向擴擴散。⑵一個典型型的應(yīng)用式式的例子是是測定示蹤蹤金屬原子子A在金屬屬B中的擴擴散系數(shù)，，如圖8.7（書245頁））所示。a、在金屬屬B棒的一一段，沉積積一薄層A原子，圖圖8.7（（a）。b、在高溫溫下擴散系系數(shù)小時，，使A原子子滲入B金金屬中一定定深度（～～1mm）），圖8.7（b））。c、將B金金屬棒逐層層切割分析析，測得每每層放射性性強度Ⅰ，，得到擴散散的定量關(guān)關(guān)系如圖8.7（c）。由于于放射強度度正比于A原子數(shù)目目，⑤式可可寫成……⑥d、對⑥式式兩邊取自自然對數(shù)以以后，我們們可以寫成成直線方程程式e、根據(jù)圖圖8.7（（d）中以以lnI對對x2繪制制的直線，，可以從直直線斜率求求出擴散系系數(shù)D。無限長固體體圖8.8（（a）的擴擴散偶是無無限長固體體的例子，，擴散偶由由Co成分分的一塊合合金和一塊塊純金屬組組成。我們們把這塊合合金看成是是由無數(shù)個個連續(xù)的薄薄層所組成成，如圖8.8（b）所示，，那么，這這一擴散問問題的解可可以方便的的按薄膜解解求出?？伎紤]圖中一一個典型的的層，經(jīng)過過時間t擴擴散后，這這典型層在在x處獲得得下式的濃濃度分布，，全部所有各各層（自ξξ=x起延延伸到ξ=∞止）的的影響可由由上式的積積分得出：：式中：上述積分式式可由下述述差值表示示，所以，擴散散偶中濃度度的最終解解釋是：半無限長固固體只涉及單個個均勻固體體（圖8.8（a））試樣的任任一半邊））的擴散問問題具有半半無限幾何何特征，試試樣可描述述為從x=0延伸到到x=+∞∞。它的解解與無限長長固體相類類似，具有有兩種類型型：實質(zhì)上是圖圖8.8（（c）曲線線的右半邊邊，描述了在x=0處B向金屬表表面加入吸吸附的A原原子。實質(zhì)上是圖圖8.8（（c）曲線線的左半邊邊（除了是是增加而而不是降低低以外）：：描述了從A與B的合合金表面上上失去了A原子。應(yīng)用（a））式的例子子是鐵的滲滲碳，圖8-9是滲滲碳是碳在在鐵中的擴擴散。鐵板滲碳過過程示意圖圖。滲碳過程開開始后的碳碳濃度分布布曲線，該該曲線是開開始滲碳以以后就形成成了。滲碳10小小時后的碳碳濃度分布布曲線。表8.2（（書248頁）總結(jié)結(jié)了鋼板在在表面以下下每隔0.4mm計計算其濃度度值C的各各個步驟。。四、合金中中的擴散（（克肯達耳耳效應(yīng)）和自擴散系系數(shù)一樣，，合金中兩兩組元的本本征擴散系系數(shù)具有不不同的值。。因此，如如果兩金屬屬相互擴散散，通過兩兩金屬試樣樣起始是的的分界平面面將有凈的的物質(zhì)遷移移，這一現(xiàn)現(xiàn)象稱為克克肯達耳效效應(yīng)。連接一根金棒棒與一根鎳棒棒構(gòu)成一個試試樣，擴散將將通過帶有標(biāo)標(biāo)記的界面進進行，惰性標(biāo)標(biāo)記物可以用用許多根極細細的鎢絲平放放在連接的平平面上。由于于擴散通過惰惰性標(biāo)記物的的金原子比鎳鎳原子多。因因而向試樣的的金的一側(cè)移移動，這種運運動稱為克肯肯達耳漂移。。圖8-10（（書249頁頁）給出金-鎳系的數(shù)據(jù)據(jù)，在所有濃濃度范圍內(nèi)，，金原子比鎳鎳原子擴散快快。金的擴散散流大于鎳的的擴散流這一一事實，意味味著通過克肯肯達耳界面將將發(fā)生凈的空空位流。當(dāng)空位濃度下下降到略低于于平衡濃度時時，最簡單的的空位反應(yīng)是是在位錯上形形成空位（或或在例如晶界界等其它晶體體點陣的缺陷陷上形成）。。在空位濃度高高于平衡濃度度值（空位的的過飽和）的的區(qū)域內(nèi)，可可發(fā)生相反的的反應(yīng)，即空空位的消失。。如果空位的過過飽和度相當(dāng)當(dāng)高，那么就就還有另一些些形式的反應(yīng)應(yīng)，將在空位位消失的作用用中占主導(dǎo)地地位，其中一一個反應(yīng)是空空位“析出””，并在晶體體點陣中形成成空穴。在連接金和鎳鎳的原始界面面位置上的平平面稱為又野野界面。又野野界面具有重重要的特征，，即在界面兩兩側(cè)的A1和和A2兩塊面面積相等，A1和A2分分別代表通過過又野界面的的鎳和金的量量。由此可見見，如果用又又野界面來描描述擴散行為為，只需用一一個擴散系數(shù)數(shù)。。與與和和之之間的的相互關(guān)系，，可由下式表表示;與和和之之間的相相互關(guān)系是，，對于不同成分分的金-鎳系系，的的值示于圖8.10中。。稱為為擴散系數(shù)。。圖8-11（（書250頁頁）表示了金金和鎳互擴散散時的克肯達達耳效應(yīng)。§3-3影影響擴散的因因素一、濃度一般我們假定定擴散系數(shù)與與濃度無關(guān)，，在這里有必必要了解這樣樣假定所產(chǎn)生生的誤差。如圖8.12（書251頁）所示，，在碳濃度從從0%到927℃時溶解解極限1.3%的范圍內(nèi)內(nèi)，碳在奧氏氏體中擴散系系數(shù)的變化是是相當(dāng)小的。。即使在濃度度對影響較顯顯著的合金中中，對于稀固固溶體中的擴擴散或在小濃濃度范圍內(nèi)的的擴散，將假假定為常數(shù)，，誤差頁還是是比較小的。。二、晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)鐵的同素異構(gòu)構(gòu)轉(zhuǎn)變對于溶溶質(zhì)原子的擴擴散速率有一一定的影響，，在指定溫度度下，溶質(zhì)原原子的擴散速速率與鐵的自自擴散速率在在鐵素體里比比奧氏體里大大致快一百倍倍另一個晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的影響是是在一個溶劑劑金屬的單晶晶中位向?qū)U擴散系數(shù)的影影響。擴散系系數(shù)的各向異異性在立方晶晶系金屬中幾幾乎不出現(xiàn)或或完全不存在在；但在斜方方點陣（鉍））中測量的結(jié)結(jié)果表明，平平行與C軸與與垂直與C軸軸的自擴散系系數(shù)比值約為為一千。晶體發(fā)生點陣陣畸變，擴散散速率增加。。三、雜質(zhì)少量添加金屬屬的存在對于于溶質(zhì)原子在在溶劑金屬中中擴散的影響響，通常是比比較小的。四、晶粒尺寸寸晶界擴散要比比晶粒內(nèi)擴散散快。細晶粒粒金屬中總的的擴散速率將將是較高的。。但在通常的的晶粒范圍內(nèi)內(nèi)，在進行擴擴散計算是不不需要考慮晶晶粒的尺寸。。五、短路擴散散由于在晶界上上，在接近自自由表面處和和在位錯線鄰鄰近區(qū)域內(nèi)，，金屬晶體點點陣的規(guī)律性性受到破壞，，因此，在這這些區(qū)域內(nèi)由由空位機理所所引起的擴散散顯著增強。。晶體結(jié)構(gòu)規(guī)律律性局部出現(xiàn)現(xiàn)擾亂的結(jié)果果，使空位數(shù)數(shù)目和空位的的活動能力增增加了。由于于這個原因，，晶界擴散的的激活能Q比比體積擴散的的Q值低。這這時短路擴散散才起顯著的的作用。在更低的溫度度下，體積擴擴散和晶界擴擴散都可能變變得無能為力力，此時顯著著的原子遷移移可以沿著位位錯線周圍畸畸變點陣中的的“管道”進進行。如圖8.14（書書252頁））。六、擴散的驅(qū)驅(qū)動力電場對間隙溶溶質(zhì)原子的影影響設(shè)某一溶質(zhì)原原子具有凈電電荷Z*電子單位e，，那么在外加加電場E的作作用下施加于于每個溶質(zhì)原原子上的力是是：設(shè)可動性B表表示在單位力力作用下單個個溶質(zhì)原子的的平均速度。。那么在外加加電場作用下下，單個原子子的速度V是是：如果溶質(zhì)濃度度C的單位是是每立方米中中的原子數(shù)目目，那么擴散散通量J可簡簡化為：這就提供了在在電場中擴散散的完整描述述。濃度梯度和溫溫度梯度的影影響如果由于濃度度梯度和溫度度梯度得到作作用力F的適適當(dāng)表達式，，則同理可給給出相應(yīng)的擴擴散通量式。。這兩種力已已知為：所以，在所有有三種驅(qū)動力力作用下產(chǎn)生生的總的擴散散通量是：表8.3（書書253頁））列出了典型型的Z*和Q*的值?！?-4擴擴散的應(yīng)用一、金屬的結(jié)結(jié)合金屬的結(jié)合包包括鍍鋅、焊焊接和金屬包包層等工藝，，是工業(yè)上應(yīng)應(yīng)用擴散原理理的良好例子子。但是任何何一種情況都都需要有擴散散發(fā)生。鍍鋅、鍍鉛錫錫由于擴散只能能在固溶體中中進行，所以以只有兩種金金屬具有一定定量的固溶體體時才有可能能結(jié)合成一體體。由于鉛不不能固溶于鐵鐵，因而必需需在熔化的鉛鉛浴中加入少少量能與鐵形形成合金的第第二種金屬，，常加入錫，，這就形成了了鍍鉛錫合金金的薄鋼板。。在某些金屬結(jié)結(jié)合工藝過程程中，在被連連結(jié)的兩金屬屬之間存在著著出現(xiàn)脆性金金屬間化合物物這樣一個復(fù)復(fù)雜的因素。。比如為了降降低脆性中間間相的數(shù)量，，可以在熔融融的鋅浴中加加入適當(dāng)?shù)匿X鋁。包層有許多各不相相同的工藝方方法可用來在在不同的基底底材料上貼上上一層其它金金屬。“包鋁鋁”薄板的制制造是用熱軋軋純鋁-鋁合合金兩種材料料“夾心”坯坯料的方法，，使高強度鋁鋁合金外表與與純鋁保護層層結(jié)合在一起起。純鋁一旦為高高強度鋁合金金中合金元素素滲入時就會會失去它優(yōu)良良的抗蝕能力力，所以要特特別當(dāng)心防止止過度擴散。。焊接接熔焊焊，，在在連連接接區(qū)區(qū)局局部部產(chǎn)產(chǎn)生生熔熔化化。。熔熔焊焊包包括括氣氣焊焊、、電電弧弧焊焊、、電電渣渣焊焊、、電電子子束束焊焊接接及及激激光光束束焊焊接接。。壓焊焊，，通通過過塑塑性性變變形形的的作作用用，，使使兩兩表表面面結(jié)結(jié)合合在在一一起起。。例例如如鍛鍛焊焊、、電電阻阻焊焊，，或或點點焊焊、、靜靜壓壓焊焊接接、、擴擴散散焊焊接接和和超超聲聲波波焊焊接接等等方方法法。。爆炸炸焊焊接接，，采采用用一一種種爆爆炸炸劑劑，，當(dāng)當(dāng)它它爆爆炸炸時時推推動動一一個個金金屬屬極極高高的的速速度度壓壓向向另另一一個個金金屬屬。。由由此此引引起起顯顯著著的的塑塑性性變變形形形形成成金金屬屬突突出出點點在在兩兩金金屬屬之之間間摩摩擦擦而而焊焊合合。。流動動焊焊接接，，利利用用低低熔熔點點合合金金（（加加上上適適當(dāng)當(dāng)?shù)牡暮负竸﹦┖负附咏觾蓛蓧K塊金金屬屬而而不不明明顯顯改改變變它它們們的的組組織織。。軟軟焊焊和和硬硬焊焊是兩個普普通的例例子。軟軟焊合金金的熔點點低于425℃℃，而硬硬焊合金金的熔點點高于此此溫度。。二、均勻勻化消除化學(xué)學(xué)成分不不均勻性性一個化學(xué)學(xué)成分不不均勻性性的固溶溶體，通通過擴散散趨向與與均勻化化。在低低溫下這這個過程程的速率率極低，，需要采采用特殊殊的熱處處理工藝藝才能使使之均勻勻化。在某些實實例中，，合金元元素的擴擴散系數(shù)數(shù)起著決決定性的的作用。。例如，，在中等等溫度范范圍，鋅鋅在銅中中快速的的擴散使使鑄造黃黃銅發(fā)生生有效的的均勻化化，但是是在同樣樣溫度下下鎳在銅銅中擴散散極慢，，所以難難以消除除鑄造銅銅-鎳合合金的偏偏析。消除帶狀狀組織由于化學(xué)學(xué)成分的的不均勻勻性而在在鋼材的的金相組組織中出出現(xiàn)了黑黑白緊密密相間的的條帶。。這些條條帶代表表鋼錠在在冷凝過程中中形成的的合金元元素的偏偏析區(qū)域域，它們們在軋制制過程中中被拉長長壓扁成成為狹長長的條帶帶。為了消除除鋼材的的條帶組組織，一一般采取取的方法法是鋼錠錠軋制后后，需要要在相當(dāng)當(dāng)高的溫溫度1200℃℃保溫相相當(dāng)多的的時間。。三、滯彈彈性與阻阻尼阻尼本領(lǐng)領(lǐng)如果用鐵鐵錘撞擊擊一根金金屬棒使使之振動動，無論論怎樣這這根金屬屬棒的振振動振幅幅總是隨隨著時間間的增長長而降低低。這一一特征稱稱為阻尼尼本領(lǐng)。。也就是是說振動動能量可可能由于于不同機機理的作作用而有有效地為為金屬構(gòu)構(gòu)件所吸吸收。阻尼本領(lǐng)領(lǐng)的量度度是測定定阻尼減減縮量ΔΔ，Δ的的定義是是：式中：W是每周周振動的的總振動動能；ΔW是振振動一個個周期以以熱的形形式損失失的振動動能。原子的躍躍遷是內(nèi)內(nèi)耗的一一部分圖8.16是碳碳在體心心立方點點陣鐵中中產(chǎn)生內(nèi)內(nèi)耗的原原子結(jié)構(gòu)構(gòu)起因。。在所示示的振動動循環(huán)的的階段中中，碳原原子優(yōu)先先趨向于于跳到b位置（（沿著伸伸展方向向）。位錯的運運動除了原子的擴擴散以外，還還有許多吸收收振動能量的的機理。在許許多情況下，，位錯的運動動起著主要的的作用，例如如被釘扎的位位錯的弓出，，位錯在晶界界上的移動，，和位錯在相相界面上的特特殊行為。即使一個特定定的合金材料料，它的阻尼尼本領(lǐng)也因頻頻率、應(yīng)力與與溫度等因素素的變化而在在很大的范圍圍內(nèi)變動。阻尼本領(lǐng)的應(yīng)應(yīng)用及測定除了做鐘的青青銅以外，幾幾乎所有的工工業(yè)金屬材料料都希望具備備高的阻尼本本領(lǐng)。例如汽汽輪機葉片經(jīng)經(jīng)受著每分鐘鐘數(shù)千次的沖沖擊，如果材材料的阻尼本本領(lǐng)不足以很很快的消耗振振動能量，那那么在臨界共共振速度下將將產(chǎn)生非常高高的應(yīng)力。由于影響阻尼尼本領(lǐng)的因素素很多，很難難列出能夠直直接用于計算算的定量數(shù)值值。一個切實實可行的辦法法是對一系列列材料，在相相似條件下測測出它們的相相對阻尼本領(lǐng)領(lǐng)。表8.5（書書257頁））就是在低的的振動振幅下下，即在低應(yīng)應(yīng)力條件下測測得的阻尼本本領(lǐng)。由此看看出，在這種種條件下，鎳鎳對振動的阻阻尼性能百倍倍優(yōu)于鋁。阻尼的減縮量量隨應(yīng)力的增增加而急速提提高。例如灰灰鑄鐵的Δ值值，當(dāng)應(yīng)力數(shù)數(shù)值從接近于于零提高到7x107N/m2時，Δ值從0.006上上升到0.3。第四章強化化機理及過程程§4-1形形變強化一、冷加工冷加工的作用用冷加工過程與與熱加工過程程是根本不同同的，冷加工工過程可以使使晶體組織持持久的變形。。圖10-1是黃銅的軋軋制過程。再結(jié)晶和塑性性變形同時發(fā)發(fā)生，說明在在熱加工過程程中晶粒組織織基本保持不不受影響。一般情況下是是測定隨冷加加工總量的增增加而增加的的硬度如圖10-2，加加工硬化作用用的定量測定定應(yīng)變-加工工硬化指數(shù)的的形式列在表表4-2中。。晶粒尺寸的影影響確定合金在冷冷變形工序中中最適宜的操操作時，晶粒粒尺寸常是一個重重要的考慮因因素。通過對對再結(jié)晶過程程的適當(dāng)控制制，通常能夠夠獲得規(guī)定的的晶粒尺寸。。對圖10-3表示對彈殼殼黃銅（70%Cu,30%Zn）），隨著晶粒粒尺寸的增大大，其加工就就愈方便，不不僅改善的延延展性，而且且流變應(yīng)力也也同時降低。。另一方面，當(dāng)當(dāng)晶粒尺寸增增大時，就可可以遇到材料料表面外觀的的問題，因為為這時晶粒與與晶粒間的不不均勻變形將將變得很明顯顯。圖10-4表示粗晶晶粒的金屬材材料在承受強強烈變形時所所產(chǎn)生的“桔桔皮”表面。。晶粒尺寸的選選擇實際上是是上述兩者的的折中，表10-1中列列出的數(shù)值，，是在不同加加工情況中推推薦應(yīng)用的。。在冷加工過程程中的金屬晶晶粒的擇優(yōu)取取向金屬晶粒的擇擇優(yōu)取向是在在冷加工過程程中發(fā)生滑移移及孿生的必必然結(jié)果。例例如，冷拔鋁鋁線時，原始始任意取向的晶粒因冷冷拔而變形，，其中【111】晶體位位向趨向平行行于鋁線的軸軸線。有時要采取一一些措施以控控制合金中產(chǎn)產(chǎn)生的擇優(yōu)取取向程度。否否則會造成因因方向不同，，材料的性能能不同，但有有時要增加擇擇優(yōu)取向程度度，比如在磁磁性材料中。。擇優(yōu)取取向的的一個個有用用方面面是它它與織織構(gòu)強強化有有關(guān)，，特別別是在在高度度各向向異性性的六六方點點陣金金屬中中，如如Ti、Zr、、Be、Mg等等，對對這些些薄板板的金金屬進進行冷冷軋時時，所所造成成的擇擇優(yōu)取取向（（織構(gòu)構(gòu)）使使得其其（0001））晶面面優(yōu)先先位于于薄板板平面面。于于是易易于激激活的的滑移移系的的滑移移方向向也就就位于于薄板板平面面上，，結(jié)果果，垂垂直于于薄板板的變變形就就大受受限制制。二、應(yīng)應(yīng)變硬硬化機機理應(yīng)變強強化的的基本本特征征基本特特征是是一個個給定定的位位錯的的運動動，為為鄰近近位錯錯造成的“障障礙物物”所所阻礙礙。障障礙的的本性性及其其相對對的重重要性性隨其其晶粒粒組織織、晶晶體學(xué)學(xué)及變變形條條件的的不同同而有有很大大的變變化。。在單晶晶體的的變形形中有有兩個個階段段，由由于第第Ⅱ階階段中中，一一定的的變形形量引引起了了較大大的強強化作作用，，使得得在第第Ⅰ階階段過過渡到到第ⅡⅡ階段段處，，應(yīng)力力-應(yīng)應(yīng)變曲曲線上上的斜斜率有有較大大的增增加。。在多晶晶材料料中，，位錯錯間的的相互互干擾擾特別別顯著著。這這是由由于幾幾何上上的要要求。。在每每一個個晶粒粒中至至少要要有五五個滑滑移系系同時時開動動，晶晶粒才才能任任意的的改變變形狀狀，而而仍在在每個個晶粒粒的晶晶界保保持連連續(xù)性性。胞狀組組織的的形成成金屬及及合金金經(jīng)強強烈變變形后后的冷冷加工工組織織，表表現(xiàn)出出一種種沒有有預(yù)期期到的的特征征，即即在顯顯微組組織中中，較較大的的體積積范圍內(nèi)內(nèi)基基本本上上沒沒有有位位錯錯，，位位錯錯集集中中在在其其周周圍圍區(qū)區(qū)域域，，從從而而形形成成了了胞胞狀狀組組織織，，見見圖圖10-5。。胞的的尺尺寸寸及及形形成成胞胞所所需需的的應(yīng)應(yīng)變變，，隨隨合合金金及及溫溫度度，，應(yīng)應(yīng)變變速速率率等等因因素素而而變變化化。。胞胞狀狀組組織織是是具具有有高高堆堆垛垛層層錯錯能能的的合合金金的的特特征征，，其其位位錯錯是是不不可可分分解解的的，，并并且且易易于于交交叉叉滑滑移移。。應(yīng)變變硬硬化化率率的的指指導(dǎo)導(dǎo)原原則則當(dāng)一一個個六六方方密密排排點點陣陣的的單單晶晶體體變變形形時時，，僅僅是是主主滑滑移移起起作作用用，，這這樣樣位位錯錯密密度度及及其其相相互互干干擾擾的的范范圍圍就就都都比比較較小小，，因因而而應(yīng)應(yīng)變變硬硬度度是是很很小小的的。。六方方密密排排點點陣陣的的多多晶晶體體金金屬屬在在塑塑性性變變形形時時也也有有類類似似的的情情況況，，但但是是它它們們的的行行為為，，卻卻由由于于發(fā)發(fā)生生了了孿孿生生及及附附加加滑滑移移系系的的開開動動而而變變得得復(fù)復(fù)雜雜了了。。六方密排排點陣合合金的應(yīng)應(yīng)變硬化化率，一一般仍較較面心立立方及體體心點陣陣的合金金低。因因為這兩兩種合金金都允許許許多滑滑移系開開動，相相互作用用的位錯錯成為其其位錯運運動的障障礙，從從而增加加了繼續(xù)續(xù)變形所所需的切切應(yīng)力。。影響應(yīng)變變硬化的的因素應(yīng)變硬化化率一般般是隨試試驗溫度度的升高高而下降降。加入固溶溶的合金金元素可可能增大大或減少少應(yīng)變硬硬化率，，但在冷冷加工后后，合金金的最終終硬度總總是比純純金屬高高。三、晶粒粒尺寸對對強度的的影響晶粒尺寸寸與強度度的關(guān)系系各種金屬屬和合金金的數(shù)據(jù)據(jù)都表明明，有一一個共同同的強度度隨晶粒粒尺寸減減少而增增大的形形式。這這個強度度與晶粒粒尺寸間間的函數(shù)數(shù)關(guān)系，，涉及晶晶粒尺寸寸的平方方根，如如圖10-6的的數(shù)據(jù)所所示。相鄰晶粒粒中的位位錯間的的相互作作用根據(jù)晶界界處位錯錯的塞積積，可以以導(dǎo)出適適當(dāng)?shù)谋肀砻鬟@一一關(guān)系的的方程式式。外力力能激發(fā)發(fā)一個位位錯源，，如圖10-7晶粒①①所示。。并將一一系列位位錯輸送送到相鄰鄰的晶界界。因位錯塞塞積引起起的應(yīng)力力集中，，使得在在晶粒②②或③中中距離約約為r的的位錯源源激發(fā)起起滑移。?！鶕?jù)屈服服強度和和晶粒尺尺寸的這這種關(guān)系系，就得得出所謂謂的霍耳耳-配奇奇工程。。晶粒細化化在工程程技術(shù)上上的應(yīng)用用工程技術(shù)術(shù)上由于于晶粒細細化而強強化金屬屬材料的的應(yīng)用，，可由超超細晶粒粒鋼來說說說明，，見書P298頁?！?-2合金化化強化一、概述述在基礎(chǔ)金金屬中加加入一種種或多種種合金元元素時，，就有可可能對其其進行多多種類型型的強化化。這一一重要的的強化方方法，是是以固溶溶強化和和第二相相強化之之間的差差別為基基礎(chǔ)而進進行分類類的。另另外還有有把塑性性變形和和熱處理理結(jié)合起起來的熱熱機械處處理（形形變熱處處理）方方法，以以產(chǎn)生強強度與韌韌性的特特殊配合合。二、固固溶強強化溶質(zhì)原原子與與位錯錯間相相互作作用決定溶溶質(zhì)-位錯錯間相相互作作用程程度的的主要要因素素是相相對的的原子子尺寸寸大小小，相相對的的原子子價及及溶質(zhì)質(zhì)和溶溶劑間間某些些化學(xué)學(xué)和物物理學(xué)學(xué)上的的差別別。這這些因因素的的作用用通過過以下下幾方方面進進行描描述。。溶質(zhì)原子通通過彈性的的相互作用用而阻礙位位錯運動的的效果，取取決于三個個因素，見見書298頁。由于合金中中的價電子子趨于自位位錯應(yīng)力場場中的受壓壓區(qū)移動向向受拉區(qū)，，電子效應(yīng)應(yīng)就發(fā)生作作用?；w體原子的原原子價愈高高，則引起起的局部的的電偶極子子也愈大。。由各種原因因產(chǎn)生的化化學(xué)效應(yīng)，，引起溶質(zhì)質(zhì)原子與堆堆垛層錯區(qū)區(qū)的相互作作用。溶質(zhì)氣團溶質(zhì)原子圍圍繞某一位位錯線積聚聚（形成一一個氣團））。這樣一一個氣團起起著使位錯錯線固定不不動或釘扎扎的作用，，結(jié)果使開開始產(chǎn)生塑塑性變形的的應(yīng)力較正正常的高。。碳（或氮））在體心立立方鐵中的的氣團，是是一個強烈烈的結(jié)合的的氣團的例例子。因為為間隙溶質(zhì)質(zhì)原子產(chǎn)生生正方型的的點陣畸變變，它和位位錯線強烈烈的相互作作用。在鋼及某些些其他合金金中均能觀觀察到屈服服現(xiàn)象，可可用溶質(zhì)氣氣團來加以以說明。有序硬化一般溶質(zhì)原原子濃度約約為20%或更多時時，才產(chǎn)生生顯著的有有序化效果果。對于固固溶體，有有序狀態(tài)代代表一個低低能量的狀狀態(tài)，所以以這個能量量隨反相疇疇界總量的的增多而增增大。在超合金中中可看到有有序相強化化的例子，，在這些合合金中，由由于有序化化的緣故，，第二相顆顆粒成為更更有效的阻阻礙位錯通通過的障礙礙物。有效化在很很多中心開開始，隨后后這些中心心長大，直直至最后相相互碰撞。。它們不僅僅產(chǎn)生一個個陣列的有有序疇，而而且由于正正方性還產(chǎn)產(chǎn)生了點陣陣畸變，所所引起的強強化效果可可以是很大大的。三、第二相相顆粒的強強化第二相獲得得及分布金屬基體中中第二相的的獲得，大大多數(shù)是用用常規(guī)合金金化的方法法產(chǎn)生的，，它包括熔熔煉、加入入合金元素素、鑄造及及熱加工成成形。第二相的重重要分布，，不能用常常規(guī)的方法法來獲得。。一般可以以用以下幾幾種方法：：要獲得排列列成行的片片狀或棒狀狀的第二相相，就必須須用控制定定向凝固的的方法。第二相成行行排列的組組態(tài)也能在在復(fù)合材料料中產(chǎn)生，，這是將熔熔融的合金金滲入到成成束的高強強度纖維之之間制成的的。粉末冶金技技術(shù)可使球球狀氧化物物粒子在整整個金屬基基體中彌散散分布。例例如Al2O3在鋁中。第二相的類類型在不同類型型的顆粒中中，有三類類值得特別別注意。第一類是各各個原子與與可察覺的的第二相之之間的過渡渡結(jié)構(gòu)。第二類是不不可入的顆顆粒是足夠夠的堅強，，它足以阻阻止正在運運動的位錯錯穿過。第三類是可可變形的顆顆粒則能夠夠被位錯穿穿過，從而而參與了整整個變形。。不可入的顆顆粒當(dāng)運動著的的位錯碰到到“堅強””的顆粒時時，位錯線線首先圍繞繞該顆粒彎彎曲。如果該顆粒粒有能力抵抵抗位錯穿穿過，則外外加應(yīng)力將將強迫位錯錯在兩個相相鄰顆粒之之間通過。。位錯線的某某些線段被被迫繞每個個顆粒形成成位錯環(huán)，，而將主要要的位錯線線釋放，使使其繼續(xù)在在合金中通通過。奧羅萬強化化迫使顆粒間間的位錯運運動所需的的剪切應(yīng)力力τ為：式中：λ-顆粒間的的平均自由由間距。T-克服位位錯的線張張力所需的的力。將代代入入則B對于螺旋旋位錯為1，對于刃刃型位錯為為（1-v）-1?？勺冃蔚念w顆粒一個顆粒表表現(xiàn)的“強強度”在很很大程度上上決定于顆顆粒間距的的大小，因因而也就決決定于顆粒粒的平均尺尺寸。在沉淀的最最初階段中中，細小顆顆粒的間距距是很小的的，要越過過這些障礙礙物需要很很高的剪切切應(yīng)力?？勺冃晤w粒粒復(fù)雜形為為的三種機機理基體的晶體體結(jié)構(gòu)與原原子偏聚團團GP區(qū)或或第二相顆顆粒之間共共格?；瘜W(xué)硬化指指的是顆粒粒及基體間間化學(xué)成分分差別有關(guān)關(guān)的兩個效效應(yīng)。一個個是附加界界面能，另另一個是溶溶質(zhì)原子分分布。彈性切變模模量，由于于它對位錯錯的那些基基本性能———線張力力、自等的的強烈影響響，因而將將單獨作為為對強化有有效應(yīng)的第第三個因素素?！?-3沉淀淀硬化一、沉淀淀熱處理理過程沉淀硬化化過程生產(chǎn)一種種沉淀硬硬化合金金的全過過程可分分為三個個部分：：a.選選擇成分分；b.固溶處處理；c.沉淀淀熱處理理。圖10.28是是一個典典型的沉沉淀硬化化合金系系的平衡衡圖，它它表明硬硬化是ββ相自過過飽和的的α相中中沉淀的的結(jié)果。。雖然這這里最大大的硬化化效果可可能在含含B金屬屬6%是是產(chǎn)生，，但在低低溫下αα加β相相區(qū)的整整個成分分范圍內(nèi)內(nèi)，卻都都會發(fā)生生某些硬硬化作用用。固溶處理理將合金加加熱到高高溫，但但低于使使晶粒過過分長大大或某種種組成物物熔化的的溫度。。在少于一一小時到到接近一一天的時時間內(nèi)保保溫，使使第二相相固溶得得以進行行。淬入水中中，使在在室溫下下獲得過過飽和固固溶體。。沉淀硬化化合金的最最高硬度度是沉淀淀處理中中獲得的的，這時時過飽和和固溶體體發(fā)生變變化，最最終導(dǎo)致致第二相相的形成成。進行沉淀淀熱處理理的正確確溫度決決定于兩兩個因素素：a.反應(yīng)所所需的時時間；b.所要要求的主主要性能能。冷加工的的影響除成分和和熱處理理條件外外，對于于某些合合金其性性能還受受到固溶溶處理后后冷加工工的很大大影響。。在某些些實例中中，冷加加工會妨妨礙隨后后沉淀處處理時取取得最佳佳的性能能數(shù)值。。二、沉淀淀硬化的的應(yīng)用鋁合金的的沉淀硬硬化沉淀硬化化對鋁合合金特別別有效，，無論是是鍛造或或鑄造合合金均可可進行沉沉淀硬化化處理。。如對于Al-Cu合金金，其組組成相為為α+θθ（CuAl2）相。固固溶熱處處理溶解解了θ相相及雜質(zhì)質(zhì)相，淬淬火后僅僅保留了了過飽和和的α固固溶體。。隨后的的時效處處理導(dǎo)致致形成GP區(qū)及及θ相的的各種過過渡相。。鎳合金的的沉淀硬硬化鎳合金主主要也是是通過沉沉淀過程程來硬化化的。盡盡管鎳合合金其價價格為鐵鐵的十倍倍左右，，但為了了多種目目的仍在在使用它它。鐵基合金的沉沉淀硬化淬火時效是通通常類型的沉沉淀硬化，而而應(yīng)變時效則則是由冷加工工工序所引起起的沉淀過程程。鋼的沉淀硬化化馬氏體時效鋼鋼的沉淀硬化化可以使屈服服強度提高。。另外加Cu,Al都會會使鋼沉淀硬硬化。比如含含Ni,Cu的時效鋼，，就是利用Cu作為沉淀淀硬化劑。三、擴散-反反應(yīng)硬化擴散-反應(yīng)硬硬化過程對某些合金系系，可以用改改變合金成分分的方法以產(chǎn)產(chǎn)生沉淀硬化化，即以擴散散處理的方法法加入適宜的的元素。比如如，如果金