1.3.1　固溶強化

固溶強化是指純金屬中溶質原子和基體點陣原子之間具有尺寸差異,經過適當的合金化后,使基體點陣局部出現彈性晶格畸變,產生一定的應力場,溶質原子和位錯產生交互運動,從而增加位錯移動的阻力以達到強化材料的效果。

奧氏體耐熱鋼的固溶強化主要是由Cr、Mo、Co、V等置換型固溶元素提供。固溶強化的效果會受到溶質原子和基體點陣原子之間的電子空位數差異的影響。能提升原子間結合力、提高再結晶溫度的高熔點金屬元素對合金的強化作用具有幫助。向金屬基體中同時加入多種合金元素,隨溫度的提升晶格畸變能顯著提升,再結晶溫度提高,由此多種合金元素共同作用能使合金的強化效果更為顯著,這種多種合金元素共同作用的強化被稱為復合固溶強化。除此之外,層錯能也是不可忽略的影響因素之一。

通常情況下,整個位錯在自發分解為兩個位錯分量的同時,會在這兩個位錯分量之間形成一種堆垛層錯的結構。層錯能越高,堆垛層錯的范圍越小,位錯的運動越容易;而層錯能越低,堆垛層錯的分布范圍越廣,位錯的運動越困難。因此在奧氏體耐熱鋼中,使堆垛層錯能降低的合金元素固溶強化效果越好,越能有效提升奧氏體鋼的高溫強度。

溶質原子可根據其發生固溶后使晶體產生晶格畸變的對稱性進行分類,可分為強固溶強化組元和弱固溶強化組元兩種,前者主要指發生固溶后使晶體產生非對稱的晶格畸變的溶質原子,而后者則是指發生固溶后使晶體產生對稱的晶格畸變的溶質原子。就奧氏體耐熱鋼而言,只有C、N元素屬于強固溶強化組元,其余的大部分金屬元素都屬于弱固溶強化組元。這兩種組元所產生的固溶強化增量可用公式進行計算,其中強固溶強化組元所產生的固溶強化增量可表達為[17]:

YS_C=kc(1?1)

而弱固溶強化組元所產生的固溶強化增量可表達為:

YS_M=kM(1?2)

式中　[C]?——合金呈固溶狀態時C組元的質量的分數;

　　[M]——合金呈固溶狀態時M組元的質量分數;

　　kc、kM——強度增量因子。

可以將一定范圍內的強固溶強化組元的強化效果看作和固溶原子質量分數成正比以簡便計算,統一使用式(1?2)進行計算。強度增量因子通常通過實驗進行測定。