弥散强化

通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段

弥散强化是指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。是指用不溶于基体金属的超细第二相（强化相）强化的金属材料。为了使第二相在基体金属中分布均匀，通常用粉末冶金方法制造。第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度。

定义

所谓弥散强化，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化，这就是弥散强化的由来。所以，往往弥散强化合金中，一定存在着一种以上的相。那些含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物，有时这两种相也可以是同时形成的。

原理

强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料在高温下的力学性能。为此，对弥散强化微粒有如下要求：微粒尺寸要尽可能小（0.01~0.05μm），微粒的间距要达到最佳程度（0.1~0.5μm），在基体中分布要均匀；此外，微粒与基体金属不相互作用，在高温下微粒相互集聚的倾向性要小。这样就能使材料在直至接近熔点的高温下，即采用合金化和热处理已难起强化作用的情况下，仍能保持一定强度。弥散强化相含量一般小于10%。

1916年在德国首先制造出用二氧化钍强化的钨丝，1919年这种钨丝在美国工业中开始应用。1946年出现了烧结铝（SAP）。1962年制成镍-二氧化钍合金。1970年发明机械合金化方法，使弥散强化合金获得较大进展，研制出用弥散强化和时效硬化或固溶强化方法结合起来制成的一系列用于高温的合金（机械合金化合金）。目前应用的弥散强化合金约20多种。中国从50年代开始研制弥散强化合金以来，已研制出以铝、铜、镍等为基体的弥散强化合金。

弥散强化机理有如下两种：

1、奥罗万（Orowan）机理：塑性变形时，位错线不能直接切过第二相粒子，但在外力作用下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。

2、安塞尔一勒尼尔机理：安塞尔（G．S．Ansell）等人对弥散强化合金的屈服提出了另一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服。

基体与析出物关系

在弥散强化中，基体与析出物之间应该具有如下关系：

1、基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的。此时，析出物阻碍位错的滑移，使材料强化而较软的基体则给整个合金提供所需的塑性。

2、脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应陔是连续分布的。如果析出物连续分布，裂纹就可能在整个结构中传播，使材料发生脆性断裂。而不连续分布的析出物内的裂纹则可能被塑性的基体与析出物之间的相界面所阻挡，难以扩展。

3、析出物的尺寸应该小，数密度应该大。这样才能增加阻碍位错滑移的可能性。

4、析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的。因为圆形的析出物产生三裂纹的可能性要小，而具有尖锐边缘的析出物则有可能J帆生裂纹，或者其本身就容易成为缺口。

5、析出物的数量越多，合金的强度越高。

弥散强化合金

第三类粉末冶金材料是弥散强化合金。这种合金重要的特点是在高温下具有高的强度。强化机理同沉淀强化合金类似。在沉淀强化合金中，亚显微细的分散的第二相弥散在基体中，并产生强化效果。这种分散的第二相与基体相一般是共格的。然而，沉淀强化合金的强度在其使用的温度范围内是有限的。因为合金的弥散相是通过能使合金成为单相固溶体的温度下淬火，并随后加热到中间温度使之发生沉淀的工艺方法来产生的。当温度进一步加热到高于发生沉淀过程的温度，沉淀相将会粗化（即合金过时效），甚至于又重新溶解。相反，在弥散强化合金中的弥散相在合金的固相线温度以下均是保持稳定的。关于弥散相能改变合金的屈服强度、加工硬化、蠕变和断裂行为的机理，已进行了大量的研究工作。

合金的高温强度性能，特别是蠕变速率，受与弥散相的几何学有关的参数的影响，例如受弥散质点间距的影响，也受弥散相晶粒大小和晶粒形状（晶粒的长宽比，即晶粒的形态比）的影响。研究的结果表明，位错攀移过第二相质点的蠕变和晶界滑移的蠕变，对于解释合金的性能都是重要的。对于弥散强化合金的蠕变，还没有一个被普遍接受的模型。

弥散强化合金的弥散相一般是氧化物，但是，也可能是稳定的金属间化合物，或者甚至是纯金属。在金属基体中的细氧化难弥散相，一般只能用粉末冶金的方法来产生，因为很难在熔融金属中使固体氧化物成为弥散质点。用熔炼冶金法来生产氧化物弥散相的唯一方法是内氧化法。将惰性的基体金属和惰性稍差点的合金元素组成的合金在含氧的气氛中加热，气氛中氧压足够低以致基体金属不会被氧化。氧通过基体金属的体积扩散并与惰性较主的合金组元发生反应，在基体金属中形成这个组元的细氧化物弥散相。用内氧化法生产氧化物弥散强化合金的主要缺点是，内氧化过程取决于氧的溶解度和氧在基体金属中的扩散速度，而扩散速度和溶解度都是很低的。因此，用这种方法在合金断面上产生适当厚度的氧化物弥散相需要很长时间。这个困难可以用内氧化粉末状合金的方法来克服，因为在这种情况下，氧必需扩散的距离只受粉末颗粒的半径的限制。内氧化处理的粉末，随后必须进行致密化处理。

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