1.3.4　第二相强化

第二相强化是指合金基体中除基体相之外还存在如碳化物、金属间化合物、亚稳相和与基体相成分相同但点阵排列不同的同素异构相等微小颗粒;当第二相微小颗粒均匀弥散分布在合金基体中时能显著提升合金的强度;当第二相为可变形微粒时,第二相强化又被称作沉淀强化,是奥氏体耐热钢中最主要的强化方式之一。

第二相强化的实质是向合金基体中加入某些固溶度和温度呈正相关的合金元素,经高温处理后形成过饱和固溶体,时效后发生分解,合金元素以某些第二相的形式析出后弥散分布在基体中。由于这些除基体相之外的第二相细小弥散地分布在基体之中,与位错产生交互作用,使位错运动受到阻碍,提高合金的变形抗力,从而产生了显著的强化作用。对于奥氏体耐热钢而言,按照位错交互作用机制的不同,第二相强化可以分为位错缺陷绕过第二相颗粒的Orowan机制、位错缺陷切过第二相颗粒的切过机制和第二相颗粒通过位错的攀移机制。

(1)位错缺陷绕过第二相颗粒并留下位错环的Orowan机制

其主要机理是当位错缺陷在移动过程中遇到第二相颗粒时,与第二相颗粒接近的位错最前端受到第二相颗粒的阻碍作用,强烈地降低了位错前端的移动速度直至位错静止;而与第二相颗粒不相接近的位错另一端则基本不受影响,仍以遇到第二相颗粒前的速度移动,这导致位错的前后两端移动速度不同,即位错缺陷在第二相粒子附近发生弯曲现象,位错的总能量提升,长度增加。随着时间的推移,位错缺陷的弯曲程度不断增加,当其曲率半径与第二相颗粒的半径相当时,位错缺陷发生断裂,位错受到阻碍的部分会脱离整体,在第二相粒子附近留下一个位错环,如图1⁃7所示。

当位错缺陷以Orowan机制绕过第二相颗粒时,只有外力达到其断裂临界应力时,位错缺陷才能脱离第二相颗粒的阻碍继续移动,这种断裂临界应力被称作门槛应力,此时断裂的临界应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——弹性模量;

　　b——柏氏矢量值;

　　λ——第二相颗粒之间的间距。

当M、G、b均为定量时,断裂临界应力σ_Oro与第二相颗粒间距呈负相关,λ越小,断裂临界应力的值越大,对位错缺陷移动产生的阻碍作用越大,位错缺陷移动越困难,越有利于合金的强度提升。

(2)位错缺陷切过第二相的切过机制

当第二相粒子与基体间呈共格关系时,位错缺陷在移动过程中受到第二相颗粒的阻碍作用,在外力作用下,位错缺陷在移动过程中遇到第二相颗粒后通过切割第二相粒子的方式来克服第二相颗粒的阻碍继续移动。

这种机制下第二相颗粒的强化效果主要来源如下。

1)当位错线在切割第二相粒子时,第二相颗粒会发生一个微小弯曲,增加位错线的长度从而提高第二相颗粒的表面能。

2)在位错线切割第二相颗粒时,会增加第二相颗粒的表面积,从而使其表面能增大。

3)当被位错切割的第二相粒子为有序相时,第二相颗粒的两个界面之间会产生反向筹界,破坏第二相颗粒的有序性,导致总能量提升。

4)往往第二相颗粒与金属基体的晶格参数不同,这导致界面附近会产生弹性应力场,位错的移动也会受到这个弹性应力场的阻碍作用。

5)往往第二相颗粒与金属基体的弹性模量不同,随着外力的持续作用,外力在第二相颗粒和金属基体之间的分配不同,导致材料的整体强化。

(3)第二相粒子通过位错攀移机制强化

在高温蠕变条件下,扩散在材料的变形强化过程中发挥重要作用。就奥氏体耐热钢而言,其位错滑移主要是面滑移形式,当位错的运动被第二相颗粒阻碍时,由于其变形速率相对较慢,为受到阻碍的部分提供了充足时间通过攀移来越过第二相颗粒,这种攀移机制是第二相粒子强化中重要的一种。