§形變和應力的效應
solid solution strengthening固溶強化
純金屬在自然上是很難存在和達成的。alloying: 在金屬中加入另一種元素,使之互溶,此種金屬稱合金或固溶體,對機械和物理性質有益。
固溶體依溶質原子在晶體中的位置而分: 1. substitutional 2. interstitial
1. substitutional 取代型: e.g. Cu-Zn random type, Au-Pt ordered type
事實上,溶質與溶劑原子尺寸的差異會影響溶解度和強度, ex. Cd-Mg 完全互溶
溶解度極限因子: 1. size, 差異<15% 2="" span="">晶體結構需相同 3. 價電子數相同 4. 化性相同或類似
*ceramics固溶體: ion size接近(ex. Be²⁺無法取代MgO中的Mg²⁺ ⸪Be²⁺≈0.35Å, Mg²⁺≈0.66Å), 價電荷相同(ex. Zr⁴⁺無法取代MnO中的Mn²⁺)
2. interstitial 間隙型
extensive interstitial solubility as Rₛₒₗᵤₜₑ/Rₛₒₗᵥₑₙₜ<0.59 span="">
interstitial atom的影響: C, N, B有益; H, O有破壞效果。擴散也不須高濃度的vacancy.
過渡金屬比較容易溶入interstitial atoms, 是因為最外層價軌域有未填滿的電子軌域!
固溶強化的效果: strength, hardness增加,ductility下降; interstitial 的強化效果比substitutional大
強化因子: (1)size—比solvent atom尺寸大,造成壓應力;反之尺寸大小造成拉伸應力 (2)modulus-- τ vs. єₛ 關係圖 (3)電子交互作用—差排的應力會使電子位移,使差排附近形成電偶極,此dipole會與不同價電的solute atom作用 (4)化學作用—當差排分解成部分差排和疊差, 部分差排與solute atom產生交互作用 (5)組態作用—固溶體會有random type or ordered type,但小範圍內經常有ordered type “domain”,會阻礙差排前進
其他強化機制: (1)應變硬化 (2)析出硬化 (3)相變化
(1)strain hardening冷加工
冷加工效應: a. 增加差排數目(10⁶~10⁸ → 10¹²) b. 差排有應變場,所以差排數目增加,應變能會增加, ex. 臨界剪應力隨差排數目增加 c. 合金的冷加工強度,會因固溶強化而增強
另外,晶體結構效應: hcp強度小於cubic強度, ordered alloy因為domain boundary阻礙差排運動,也會增加強度.
冷加工比例= (A₀-Aᶠ)/A₀*100=(d₀²-dᶠ²)/d₀²*100
(2)析出硬化: 鋁合金的強度和硬度在室溫隨時間而增加,由於在結構中形成非常細微的析出相
析出硬化反應, ex. Al, Cu, Ni, Mg alloys.
e.g. Al-3.5%Cu, 加熱至550℃(固溶處理), Cu溶入Al,變成κ相,焠火急冷至室溫,形成超飽和固溶液, Aging時效處理, θ相(CuAl₂)析出
析出硬化機制: Cu原子偏析在鋁合金的(100)平面,初期稱為GP zones,與合金晶格同調匹配的,成長之後,析出相的晶格開始與合金晶格不同,會產生應變,這些應變會阻礙差排行動造成硬化效果,持續的Aging, GP zones會變成GP-2 zones(碟形析出相),差排線通過GP-2顆粒會形成差排圈,需要更大的應力才能移動差排,更久的Aging,使CuAl₂長大,並消耗附近的小顆粒,使析出相數目減少,析出硬化的效應下降,使強度和硬度也同時減低,此時稱over-aging.
(3)相變化: e.g. Fe-C system f.c.c.(γ)→quench→b.c.t.(martensite)
f.c.c.(γ)→cooling→b.c.c.(α)+Fe₃C(cementite)
塑性變形: rolling, extrusion, forging and drawing.
冷加工除了改變強度和延性造成的形變,也加入了異向性的性質(anisotrpy)
anisotropy factors: cold working, texturing, inclusions, segregation, grain boundaries.
Slip: (1)每個單晶體內,形變的機制就是滑移 (2)最密堆積的平面和方向最容易發生滑移,因為Burger向量最小的差排,最容易移動
τᶜᵣ: 發生滑移的臨界剪應力, τᶜᵣ=(P/A)cosθcosϕ
影響因子: crystal structure, temp., composition.
Twinning雙晶: 晶格的剪切和重排造成部分晶體與其他部分形成鏡射,可能因加工或相變化的成核而引起,雙晶有別於內部滑移,方向上是一者為鏡射,另一為不變;移動量也不同,前者為連續原子面的非整數運動,後者的原子位移是整數單位計
形變雙晶主要在bcc和hcp金屬,分別在(112)和(1012)平面,退火雙晶發生在fcc金屬的(111)面上
退火Annealing: 此過程是一高溫處理用來軟化金屬和細化晶粒,通常冷加工之後,材料被加熱至〝再結晶溫度〞以上
再結晶溫度, Tᵣ: 定義成冷加工的金屬出現無應力的等軸晶粒時的最低溫度
(1)一般介於金屬熔點的0.3 – 0.5之間, ex. Pb接近室溫,Fe約需450℃以上 (2)影響因子: a.冷加工前的晶粒尺寸,越小越低 b.塑性變形的程度,越大越低 c.冷加工時的溫度,越低則Tᵣ跟著降低 d.加熱時間越長,再結晶越容易發生
總結: 傾向增加材料結構中的殘留應力量(ex. 冷加工量,加工溫度低...)會促使Tᵣ下降
