1.3.4　第二相強(qiáng)化

第二相強(qiáng)化是指合金基體中除基體相之外還存在如碳化物、金屬間化合物、亞穩(wěn)相和與基體相成分相同但點(diǎn)陣排列不同的同素異構(gòu)相等微小顆粒;當(dāng)?shù)诙辔⑿☆w粒均勻彌散分布在合金基體中時(shí)能顯著提升合金的強(qiáng)度;當(dāng)?shù)诙酁榭勺冃挝⒘r(shí),第二相強(qiáng)化又被稱(chēng)作沉淀強(qiáng)化,是奧氏體耐熱鋼中最主要的強(qiáng)化方式之一。

第二相強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是向合金基體中加入某些固溶度和溫度呈正相關(guān)的合金元素,經(jīng)高溫處理后形成過(guò)飽和固溶體,時(shí)效后發(fā)生分解,合金元素以某些第二相的形式析出后彌散分布在基體中。由于這些除基體相之外的第二相細(xì)小彌散地分布在基體之中,與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用,使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙,提高合金的變形抗力,從而產(chǎn)生了顯著的強(qiáng)化作用。對(duì)于奧氏體耐熱鋼而言,按照位錯(cuò)交互作用機(jī)制的不同,第二相強(qiáng)化可以分為位錯(cuò)缺陷繞過(guò)第二相顆粒的Orowan機(jī)制、位錯(cuò)缺陷切過(guò)第二相顆粒的切過(guò)機(jī)制和第二相顆粒通過(guò)位錯(cuò)的攀移機(jī)制。

(1)位錯(cuò)缺陷繞過(guò)第二相顆粒并留下位錯(cuò)環(huán)的Orowan機(jī)制

其主要機(jī)理是當(dāng)位錯(cuò)缺陷在移動(dòng)過(guò)程中遇到第二相顆粒時(shí),與第二相顆粒接近的位錯(cuò)最前端受到第二相顆粒的阻礙作用,強(qiáng)烈地降低了位錯(cuò)前端的移動(dòng)速度直至位錯(cuò)靜止;而與第二相顆粒不相接近的位錯(cuò)另一端則基本不受影響,仍以遇到第二相顆粒前的速度移動(dòng),這導(dǎo)致位錯(cuò)的前后兩端移動(dòng)速度不同,即位錯(cuò)缺陷在第二相粒子附近發(fā)生彎曲現(xiàn)象,位錯(cuò)的總能量提升,長(zhǎng)度增加。隨著時(shí)間的推移,位錯(cuò)缺陷的彎曲程度不斷增加,當(dāng)其曲率半徑與第二相顆粒的半徑相當(dāng)時(shí),位錯(cuò)缺陷發(fā)生斷裂,位錯(cuò)受到阻礙的部分會(huì)脫離整體,在第二相粒子附近留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán),如圖1?7所示。

當(dāng)位錯(cuò)缺陷以O(shè)rowan機(jī)制繞過(guò)第二相顆粒時(shí),只有外力達(dá)到其斷裂臨界應(yīng)力時(shí),位錯(cuò)缺陷才能脫離第二相顆粒的阻礙繼續(xù)移動(dòng),這種斷裂臨界應(yīng)力被稱(chēng)作門(mén)檻應(yīng)力,此時(shí)斷裂的臨界應(yīng)力可以用公式表示如下[19]:

σ_Oro=0.8MGb/λ(1?4)

式中　M——Taylor因子;

　　G——彈性模量;

　　b——柏氏矢量值;

　　λ——第二相顆粒之間的間距。

當(dāng)M、G、b均為定量時(shí),斷裂臨界應(yīng)力σ_Oro與第二相顆粒間距呈負(fù)相關(guān),λ越小,斷裂臨界應(yīng)力的值越大,對(duì)位錯(cuò)缺陷移動(dòng)產(chǎn)生的阻礙作用越大,位錯(cuò)缺陷移動(dòng)越困難,越有利于合金的強(qiáng)度提升。

(2)位錯(cuò)缺陷切過(guò)第二相的切過(guò)機(jī)制

當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ优c基體間呈共格關(guān)系時(shí),位錯(cuò)缺陷在移動(dòng)過(guò)程中受到第二相顆粒的阻礙作用,在外力作用下,位錯(cuò)缺陷在移動(dòng)過(guò)程中遇到第二相顆粒后通過(guò)切割第二相粒子的方式來(lái)克服第二相顆粒的阻礙繼續(xù)移動(dòng)。

這種機(jī)制下第二相顆粒的強(qiáng)化效果主要來(lái)源如下。

1)當(dāng)位錯(cuò)線在切割第二相粒子時(shí),第二相顆粒會(huì)發(fā)生一個(gè)微小彎曲,增加位錯(cuò)線的長(zhǎng)度從而提高第二相顆粒的表面能。

2)在位錯(cuò)線切割第二相顆粒時(shí),會(huì)增加第二相顆粒的表面積,從而使其表面能增大。

3)當(dāng)被位錯(cuò)切割的第二相粒子為有序相時(shí),第二相顆粒的兩個(gè)界面之間會(huì)產(chǎn)生反向籌界,破壞第二相顆粒的有序性,導(dǎo)致總能量提升。

4)往往第二相顆粒與金屬基體的晶格參數(shù)不同,這導(dǎo)致界面附近會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng),位錯(cuò)的移動(dòng)也會(huì)受到這個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)的阻礙作用。

5)往往第二相顆粒與金屬基體的彈性模量不同,隨著外力的持續(xù)作用,外力在第二相顆粒和金屬基體之間的分配不同,導(dǎo)致材料的整體強(qiáng)化。

(3)第二相粒子通過(guò)位錯(cuò)攀移機(jī)制強(qiáng)化

在高溫蠕變條件下,擴(kuò)散在材料的變形強(qiáng)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。就奧氏體耐熱鋼而言,其位錯(cuò)滑移主要是面滑移形式,當(dāng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)被第二相顆粒阻礙時(shí),由于其變形速率相對(duì)較慢,為受到阻礙的部分提供了充足時(shí)間通過(guò)攀移來(lái)越過(guò)第二相顆粒,這種攀移機(jī)制是第二相粒子強(qiáng)化中重要的一種。