时效硬化机制：原理与应用

时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的。这里，可以按位错通过析出相的方式不同将时效硬化机制分为以下3类。

1.内应变强化

脱溶相与母相的晶体结构和点阵常数不同，两者保持共格时必将在析出相周围产生不均匀畸变，即形成不均匀应力（应变）场，应力（应变）场阻止位错的运动，使合金的强度提高。内应力的强化随析出相增多而增强。

2.切过析出相颗粒强化

若析出相颗粒位于位错线的滑移面上，且析出相不太硬时，位错线可以切过析出相颗粒而强行通过，如图17-14所示。位错线切过析出相颗粒时，不仅需要克服析出相颗粒所造成的应力场，还由于析出相颗粒被切成两部分而增加了表面能及改变了析出相内部原子之间的邻近关系，因而使能量升高，引起强化。

图17-14　位错线切过析出相示意图

3.绕过析出相强化(www.xing528.com)

Orowan指出，随着析出相的聚集长大，析出相颗粒的间距不断增大。当析出相颗粒间距足够大，且析出相颗粒又很硬，位错不能切过时，在外力作用下位错线将在两个析出相颗粒之间凸出，如图17-15（a）所示。当凸出部分的曲率半径小于1/2间距时，无须进一步增加外力，位错线即可继续向前扩展。如图17-15（b）所示，方向相反的位错段A、B相遇时将相消而重新连接成一根位错线并在析出相颗粒周围留下位错圈，如图17-15（c）所示。绕过析出相颗粒的位错线在外力作用下将继续前进，如图17-15（d）所示。位错线按此方式向前移动时所需的切应力τ为

图17-15　位错线绕过析出相示意图

式中，G为切变模量；b为柏氏矢量；L为相邻析出相颗粒间距。可见，位错移动所需的切应力τ与析出相颗粒间距L成反比，L越小，则τ越大。当时效进行到一定程度后，随着析出相颗粒的聚集长大，颗粒间距L增大，切应力τ随之减小，即硬度和强度下降，这就是所谓的过时效的本质。

位错绕过析出相颗粒时所留下的位错圈将使下一根位错线通过该处时变得困难，从而引起形变强化。

按照上述硬化机制可以对图17-13所示的时效硬化曲线解释如下：时效初期形成的G.P.区与母相保持共格关系，具有内应变强化效应，再加上切过强化效应而使硬度显著升高。随着时效时间的延长，G.P.区数量增多，硬度也不断升高。当G.P.区数量达到某一平衡值时硬度不再增加，出现一个平台，随后析出的θ″相也与母相保持共格关系，在其周围也形成强内应力场。另外，位错线也可以切过θ″相，故θ″相的析出使硬度和强度进一步升高，并随θ″相数量及尺寸的增加而增加。当θ″相粗化到位错线能够绕过时，随着颗粒尺寸和颗粒间距的增大，硬度开始下降，出现了过时效现象。析出θ'相时，由于θ'相是不均匀形核，与母相保持半共格关系，且形成后很快粗化到位错线可以绕过的尺寸，半共格关系也很快被破坏，因此θ'相出现不久硬度即开始下降；θ相的析出只能导致硬度下降。