章敬保+2014201044+晶體位錯(cuò)理論與應(yīng)用期末試題

1、西南交通大學(xué)晶體位錯(cuò)理論與應(yīng)用期末試題 姓 名： 章敬保 學(xué) 號(hào)： 2014201044 班 級(jí)： 14級(jí)碩士2班 專 業(yè)： 材料科學(xué)與工程 聯(lián)系方式：任課老師： 韓靖 2014 年 7 月1、名詞解釋：柯氏氣團(tuán)、擴(kuò)展位錯(cuò)、位錯(cuò)束集、層錯(cuò)能。（20分）答：（1）柯氏氣團(tuán) 圍繞于刃型位錯(cuò)周圍的溶質(zhì)原子聚物，形成原子云，稱為柯氏氣團(tuán)，又稱為溶質(zhì)原子氣團(tuán)或溶質(zhì)原子云。溶質(zhì)原子和刃型位錯(cuò)的相互彈性作用稱為柯氏效應(yīng)。它可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)。 在含有溶質(zhì)原子的固溶體合金中，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的體積不同，晶體中的溶質(zhì)原子會(huì)使其周圍晶體發(fā)生彈性畸變，而產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。同

2、時(shí)存在位錯(cuò)與溶質(zhì)，其周圍均有一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，這兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生交互作用，降低系統(tǒng)的應(yīng)變能。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)間的彈性交互作用能越大，則交互作用越強(qiáng)烈。由于這種交互作用，溶質(zhì)原子在晶體中將重新進(jìn)行分布。刃型位錯(cuò)具有拉應(yīng)力區(qū)及壓應(yīng)力區(qū)，因此溶質(zhì)原子被吸引到拉應(yīng)力區(qū)（如圖1所示）；若置換的溶質(zhì)原子比溶劑原子小時(shí)，則溶質(zhì)原子被吸引到位錯(cuò)的壓應(yīng)力區(qū)。在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)的拉應(yīng)力區(qū)偏聚，使溶質(zhì)原子的濃度提高；而在壓應(yīng)力區(qū)，則溶質(zhì)原子濃度降低。當(dāng)位錯(cuò)處于能量較低的狀態(tài)時(shí)，位錯(cuò)趨向于平穩(wěn)，不易運(yùn)動(dòng)，即對(duì)位錯(cuò)有著“釘扎作用”。 柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，除產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)外，還可解釋某些合金中出現(xiàn)的應(yīng)變

3、時(shí)效和明顯屈服點(diǎn)現(xiàn)象的原因。位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，必須在更大的應(yīng)力才能掙脫柯氏氣團(tuán)的釘扎而移動(dòng)，這就形成了上屈服點(diǎn)；而一旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就比較容易，因此應(yīng)力減小，出現(xiàn)了下屈服點(diǎn)和水平臺(tái)，就是屈服現(xiàn)象的本質(zhì)?？率蠚鈭F(tuán)的作用隨著溫度的升高而減弱。同樣，柯氏氣團(tuán)理論能很好的解釋低碳鋼的應(yīng)變時(shí)效。當(dāng)卸載后立即加載，由于位錯(cuò)已經(jīng)掙脫出柯氏氣團(tuán)的釘扎，故不出現(xiàn)屈服點(diǎn)；如果卸載后放置較長(zhǎng)時(shí)間或經(jīng)時(shí)效，則溶質(zhì)原子已經(jīng)通過(guò)擴(kuò)散而重新聚集到位錯(cuò)周圍形成了氣團(tuán)，故屈服點(diǎn)現(xiàn)象又出現(xiàn)。圖1 溶質(zhì)原子被吸引到刃型位錯(cuò)處（2）擴(kuò)展位錯(cuò) 一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)或多個(gè)不全位錯(cuò)，全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成,其間以層錯(cuò)帶相聯(lián)，

4、這個(gè)過(guò)程稱為位錯(cuò)的擴(kuò)展，形成的缺陷體系稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。圖2即為面心立方晶體中擴(kuò)展位錯(cuò)的示意圖。通常把一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的位錯(cuò)組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。圖2 面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò)根據(jù)位錯(cuò)伯格斯矢量守恒的定則，應(yīng)有b=bk，圖中b是未擴(kuò)展全位錯(cuò)的伯格斯矢量，bk是分解后諸不全位錯(cuò)的伯格斯矢量。當(dāng)然還要求擴(kuò)展后體系的能量小于（至多等于）擴(kuò)展前全位錯(cuò)的能量。最常被引述的例子是fcc晶體中的位錯(cuò)擴(kuò)展反應(yīng)。兩個(gè)肖克利不全位錯(cuò)與中間相聯(lián)的一條層錯(cuò)帶。在fcc晶體中兩個(gè)不同的、相互截交的111面交線附近還可以通過(guò)不同面上的位錯(cuò)擴(kuò)展和在交線上的反應(yīng)而生成一個(gè)復(fù)雜的不可動(dòng)體系，稱

5、為面角位錯(cuò)。hcp晶體中因?yàn)橹挥形ㄒ坏模?001）面，所以位錯(cuò)擴(kuò)展的方式比較單純。bcc晶體中全位錯(cuò)分解的方式較多，例如在（112）面上可以發(fā)生擴(kuò)展。圖2中擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度d為 K一與全位錯(cuò)類型有關(guān)的常數(shù)； 一全位錯(cuò)線與它的柏氏矢量之間的夾角；一層錯(cuò)能。由上式可知，擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度d與晶體的切變模量和位錯(cuò)的柏氏矢量b成正比，與單位面積層錯(cuò)能成反比。即層錯(cuò)能越大，擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度越小。具有面心立方結(jié)構(gòu)的不同金屬它們的層錯(cuò)能是不同的。例如，鋁的層錯(cuò)能很高，故其擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度很窄，僅12個(gè)原子間距，實(shí)際上可認(rèn)為鋁中不會(huì)形成擴(kuò)展位錯(cuò)；而奧氏體不銹鋼的層錯(cuò)能很低，其擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度可達(dá)十幾個(gè)原子間距。擴(kuò)展位錯(cuò)有

6、四個(gè)主要性質(zhì)： 層錯(cuò)區(qū)的寬度是一定的，稱為擴(kuò)展位錯(cuò)的平衡寬度。它是由兩條分位錯(cuò)間的斥力和層錯(cuò)能兩個(gè)因素決定的（前者使兩條分位錯(cuò)遠(yuǎn)離，后者則使層錯(cuò)區(qū)縮?。?。 擴(kuò)展位錯(cuò)不能攀移，因?yàn)閷渝e(cuò)區(qū)不可能通過(guò)肖克萊分位錯(cuò)攀移而消失。因此，擴(kuò)展位錯(cuò)可提高晶體的高溫強(qiáng)度。 擴(kuò)展位錯(cuò)可在滑移面上滑移，即層錯(cuò)區(qū)可在滑移面上移動(dòng)，但d不變。 擴(kuò)展位錯(cuò)的兩條肖克萊分位錯(cuò)在一定條件下可以合并（束集），形成一條螺型全位錯(cuò)，因而可以交滑移。（3） 位錯(cuò)束集 擴(kuò)展位錯(cuò)有時(shí)在某些地點(diǎn)由于某種原因會(huì)發(fā)生局部的收縮，合并為原來(lái)的非擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，這種過(guò)程稱為擴(kuò)展位錯(cuò)的束集。 一個(gè)螺位錯(cuò)形成擴(kuò)展位錯(cuò)后只能沿層錯(cuò)面滑移，要產(chǎn)生交滑移，即從一個(gè)

7、滑移面轉(zhuǎn)到另一個(gè)滑移面就比較困難。Stroh在1954年提出位錯(cuò)束集模型來(lái)解釋擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移的機(jī)制。該模型認(rèn)為要使擴(kuò)展位錯(cuò)發(fā)生交滑移，必須使擴(kuò)展位錯(cuò)在局部收縮形成束集，亦即原來(lái)擴(kuò)展位錯(cuò)中的兩個(gè)不全位錯(cuò)在束集處復(fù)合成全螺位錯(cuò)并轉(zhuǎn)到其他滑移面上再重新擴(kuò)展開來(lái)，如圖3所示。 在這個(gè)過(guò)程中要形成兩個(gè)束集，形成束集時(shí)要對(duì)抗不全位錯(cuò)之間的斥力作功Uf，因而交滑移的激活能為2Uf。根據(jù)Stroh的計(jì)算，在面心立方中，交滑移的激活能近似與擴(kuò)展位錯(cuò)的平衡寬度成正比。擴(kuò)展位錯(cuò)越寬，其產(chǎn)生交滑移的激活能越高。因此在高層錯(cuò)能的金屬（如鋁）中很容易看到交滑移現(xiàn)象，而在低層錯(cuò)能的金屬（如不銹鋼）中則很難看到。另一方面，擴(kuò)

8、展位錯(cuò)形成割階時(shí)，也要形成束集。形成割階的激活能除了割階本身的能量外，還包括束集的能量，因此也與擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度有關(guān)。束集是靠熱激活形成的，溫度越高，交滑移越容易發(fā)生。圖3 擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移過(guò)程（4）層錯(cuò)能金屬結(jié)構(gòu)在堆垛時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格的按照堆垛順序，形成堆垛層錯(cuò),如圖4所示。金屬和合金中的面缺陷包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò)、外表面等和點(diǎn)缺陷與線缺陷（位錯(cuò)）一樣，面缺陷對(duì)金屬及其合金的物理、化學(xué)和力學(xué)性能具有重要影響，盡管層錯(cuò)的形成幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，但它破壞了晶體的周期性，使層錯(cuò)附近原子的能量增加，層錯(cuò)是一種晶格缺陷，它破壞了晶體的周期完整性，引起能量升高，實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，密排面的正常

9、堆垛順序有可能遭到破壞和錯(cuò)排，稱為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。通常把單位面積層錯(cuò)所增加的能量稱為層錯(cuò)能。圖4 面心立方晶體中的堆垛層錯(cuò)（a）抽出型；（b）插入型層錯(cuò)能出現(xiàn)時(shí)僅表現(xiàn)在改變了原子的次近鄰關(guān)系，幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變。所以，層錯(cuò)能相對(duì)于晶界能而言是比較小的。層錯(cuò)能越小的金屬，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大。在層錯(cuò)能較高的金屬如鋁及鋁合金、純鐵、鐵素體鋼（bcc）等熱加工時(shí)，易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，因?yàn)檫@些金屬中易發(fā)生位錯(cuò)的交滑移及攀移。而奧氏體鋼（fcc）、鎂及其合金等由于層錯(cuò)能低，不發(fā)生位錯(cuò)的交滑移，所以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶成為動(dòng)態(tài)軟化的主要方式。形成層錯(cuò)時(shí)幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，但它破壞了晶體的完整性和正常的周期性，使電子

10、發(fā)生反常的衍射效應(yīng)，故使晶體的能量有所增加，這部分增加的能量稱為堆垛層錯(cuò)能，用 表示。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，晶體中出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率與層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能越高，則出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率越小。如在層錯(cuò)能很低的奧氏體不銹鋼中，?？煽吹酱罅康膶渝e(cuò)，而在層錯(cuò)能高的鋁中，就看不到層錯(cuò)。層錯(cuò)能的大小決定了全位錯(cuò)分解成兩個(gè)不全位錯(cuò)的難易程度，層錯(cuò)能越低，分解過(guò)程越易進(jìn)行，人們?cè)捎枚喾N方法測(cè)量金屬的層錯(cuò)能，如低溫蠕變測(cè)量法、電子顯微鏡擴(kuò)展位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)法、孿晶的臨界切應(yīng)力法和加工硬化等。2、簡(jiǎn)述弗蘭克瑞德位錯(cuò)增殖機(jī)制及位錯(cuò)的分類？（10分）答：（1）弗蘭克瑞德位錯(cuò)增殖機(jī)制 位錯(cuò)增殖是晶體中的位錯(cuò)在一定形式的運(yùn)動(dòng)中，自身不斷產(chǎn)生新的

11、位錯(cuò)環(huán)或大幅度增加位錯(cuò)線長(zhǎng)度，從而使材料中的位錯(cuò)數(shù)目或位錯(cuò)密度在運(yùn)動(dòng)中不斷增大的過(guò)程。能使位錯(cuò)增殖發(fā)生的特殊位錯(cuò)組態(tài)或構(gòu)型稱為位錯(cuò)源。位錯(cuò)的增殖機(jī)制主要有三種機(jī)制：弗蘭克瑞德（Frank-Read）位錯(cuò)源機(jī)制、雙交滑移增殖機(jī)制和攀移增殖機(jī)制。 弗蘭克瑞德源，簡(jiǎn)稱F-R源，1950年由弗蘭克和瑞德提出，其增殖過(guò)程如圖5所示。圖5 弗蘭克一瑞德源的增殖過(guò)程 弗蘭克瑞德位錯(cuò)增殖機(jī)制，認(rèn)為新位錯(cuò)的產(chǎn)生是原有位錯(cuò)增殖的結(jié)果。設(shè)想晶體中某一滑移面上有一段刃型位錯(cuò)AB，它的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘住，不能運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)沿位錯(cuò)的柏氏矢量方向施加切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前進(jìn)行滑移運(yùn)動(dòng)。但由于AB兩端固定，所以只能使位錯(cuò)線發(fā)

12、生彎曲，如圖5（b）所示。由于單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線所受的滑移力Fd=b，它總是與位錯(cuò)線本身垂直，所以彎曲后的位錯(cuò)線每一小段繼續(xù)受到Fd的作用，會(huì)沿它的法線方向向外擴(kuò)展，其兩端則分別繞節(jié)點(diǎn)A、B發(fā)生回轉(zhuǎn)，見圖5（c）所示。當(dāng)兩端彎出來(lái)的線段相互靠近時(shí)，見圖5（d）所示，由于兩線段平行于柏氏矢量，但位錯(cuò)線方向相反，分別屬于左螺型位錯(cuò)和右螺型位錯(cuò)，它們互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲的位錯(cuò)線。只要外加切應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張，同時(shí)環(huán)內(nèi)的彎曲位錯(cuò)在線張力作用下又被拉直，恢復(fù)到原始狀態(tài)，并重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)，絡(luò)繹不絕地產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。當(dāng)位

13、錯(cuò)環(huán)和晶面垂直時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階。上述F-R錯(cuò)增殖機(jī)制已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。在電子顯微鏡下，可觀察到晶體產(chǎn)生F-R機(jī)制的源和圍繞此源臺(tái)階式分布的一圈圈位錯(cuò)環(huán)。 為使弗蘭克瑞德動(dòng)作，外應(yīng)力必須克服位錯(cuò)線彎曲時(shí)線張力所引起的阻力。由位錯(cuò)的線張力得知，外加切應(yīng)力與位錯(cuò)彎曲時(shí)的曲率半徑r之間的關(guān)系為=，即曲率半徑越小，要求與之平衡的切應(yīng)力越大。從圖5可以看出AB彎成半圓形時(shí)，曲率半徑最小，所需的切應(yīng)力最大，此時(shí)r=,L為AB的距離，故弗蘭克瑞德發(fā)生作用的臨界作用力為。=。弗蘭克瑞德位錯(cuò)增值機(jī)制已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí), 人們已在Si、Cd、Al-Cu、Al-Mg合金，不銹鋼和氯化鉀等晶體中直接觀察到了弗蘭克一瑞德源。（

14、2） 位錯(cuò)的分類位錯(cuò)又稱差排，是晶體中的一種線缺陷，位錯(cuò)是晶體原子排列的一種特殊形態(tài)。最初是為了解釋晶體的塑性變形而提出的一種原子排列缺陷模型。晶體發(fā)生滑移時(shí)，已滑移部分與未滑移部分在滑移面上的分界線，稱為位錯(cuò)線，簡(jiǎn)稱位錯(cuò)，晶體實(shí)際滑移過(guò)程并不是滑移面兩邊的所有原子都同時(shí)做整體剛性滑動(dòng)，而是通過(guò)在晶體存在著的稱為位錯(cuò)的線缺陷來(lái)進(jìn)行的，位錯(cuò)在較低應(yīng)力的作用下就能開始移動(dòng)，使滑移區(qū)擴(kuò)大，直至整個(gè)滑移面上的原子都先后發(fā)生相對(duì)位移。由于位錯(cuò)線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，因此，位錯(cuò)具有一個(gè)重要的性質(zhì)，即一根位錯(cuò)線不能終止與晶體內(nèi)部，只能露頭與晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)線相

15、連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。從位錯(cuò)的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，兩種最基本的位錯(cuò)組態(tài)就是刃型位錯(cuò)（edge dislocation）和螺型位錯(cuò)（screw dislocation）。然而實(shí)際晶體中存在的位錯(cuò)往往是混合型位錯(cuò)，即兼具刃型和螺型位錯(cuò)的特征。圖6 刃型位錯(cuò) （a）立體模型 （b）平面圖 刃型位錯(cuò)：滑移方向與位錯(cuò)線正交。設(shè)有一簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的晶體，如圖6（a）所示，在切應(yīng)力的作用下，其上半部分相對(duì)于下半部分沿著滑移面ABCD局部滑移了一個(gè)原子間距。結(jié)果在滑移面的上半部出現(xiàn)了多余的半排原子面EFGH，這個(gè)半原子面中斷于ABCD面上的EF處，它好像一把刀插入晶體中，使ABCD面上下兩部分晶體之間產(chǎn)生原子

16、錯(cuò)排，這種位錯(cuò)稱為刃型位錯(cuò)，多余半原子面的“刃口”EF為刃型位錯(cuò)線。通常把多余半原子面位于滑移面上部的刃型位錯(cuò)為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“”表示；反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“”表示。顯然，正、負(fù)刃型位錯(cuò)的劃分只是相對(duì)的，如將晶體旋轉(zhuǎn)180°，同一位錯(cuò)的正負(fù)號(hào)就要發(fā)生改變。 刃型位錯(cuò)有如下特征：有一個(gè)多余的半原子面；刃型位錯(cuò)線是晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，它不一定是直線，可以是折線或曲線，但它必與滑移方向垂直；由于刃型位錯(cuò)中位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)；晶體中存在刃型位錯(cuò)后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變；正刃型位錯(cuò)，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，

17、下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力，負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反；在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。圖7 螺型位錯(cuò) （a）立體圖 （b）頂視圖 螺型位錯(cuò)：滑移方向與位錯(cuò)線平行。晶體在外加切應(yīng)力的作用下，在滑移面的一部分ABCD上相對(duì)滑移了一個(gè)原子間距，另一部分沒(méi)有滑移。圖中BC線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處，是一條位錯(cuò)線，并與滑移方向平行。取出滑移面上下相鄰的兩個(gè)晶面，并投影到它們平行的平面上，如圖7（b）所示。在BC線與aa'線之間的原子發(fā)生了錯(cuò)排現(xiàn)象，它們連成了一個(gè)螺旋線，而被BC線所貫穿的一組原來(lái)的平行的晶面卻變成了一個(gè)夾在BC線和aa'線之間的螺旋面。位錯(cuò)線附近的原子

18、是按螺旋形排列的，所以把這種位錯(cuò)稱為螺型位錯(cuò)。根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原子旋轉(zhuǎn)方向的不同，螺型位錯(cuò)可分為右旋和左旋螺型位錯(cuò)。 螺型位錯(cuò)的特征是：螺型位錯(cuò)無(wú)多余半原子面，原子錯(cuò)排是呈軸對(duì)稱的；螺型位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此一定是直線；純螺型位錯(cuò)的滑移面不是惟一的，凡是包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；螺型位錯(cuò)線周圍的點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不會(huì)引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯(cuò)線的平面投影上，看不到原子的位移，看不到有缺陷；螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷。 混合型位錯(cuò)：滑移矢量既不平行也不垂直

19、于位錯(cuò)線，而與位錯(cuò)線相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱為混合型位錯(cuò)。如圖8所示，混合型位錯(cuò)線是一條曲線，在A處位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此是螺型位錯(cuò)。而在C處位錯(cuò)線與滑移矢量垂直，因此是刃型位錯(cuò)。A與C之間，位錯(cuò)線既不垂直也不平行于滑移矢量，每一小段位錯(cuò)線都可分解為刃型和螺型兩個(gè)部分，因此是混合型位錯(cuò)。圖8 晶體局部滑移形成混合型位錯(cuò) 3、位錯(cuò)的表征及觀察方法有哪些？（10分）答：（1） 位錯(cuò)的表征 位錯(cuò)的表征一般是計(jì)算位錯(cuò)的密度。晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度的定義是單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為： cm-2式中，L為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度；V是晶體的體積；位錯(cuò)密度的量綱為cm

20、-2。 但要測(cè)定晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度是不可能的，為了簡(jiǎn)便起見，可把晶體中的位錯(cuò)線視為一些直線，而且是平行的從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)目，即，式中，l為位錯(cuò)線的長(zhǎng)度；N為穿過(guò)A面積的位錯(cuò)線的數(shù)目。實(shí)際上并不是所有的位錯(cuò)線都和觀察面相交，所以按此公式求的位錯(cuò)密度小于實(shí)際值。 如用適當(dāng)?shù)母g劑腐蝕晶體表面，則缺陷區(qū)的原子由于處于亞穩(wěn)狀態(tài)而優(yōu)先被腐蝕，故在位錯(cuò)露頭處形成蝕坑。于是，只要測(cè)出單位面積內(nèi)的蝕坑數(shù)就得到了位錯(cuò)密度。（2） 位錯(cuò)的觀察方法 應(yīng)用一些物理和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法可以將晶體中的位錯(cuò)顯現(xiàn)出來(lái)，主要有以下3種方法，透射電子顯微鏡（T

21、EM）法、X射線衍射法、浸蝕坑法。透射電子顯微鏡（TEM）法：一方面，可以利用高分辨率的透射電鏡直接觀察金屬中的位錯(cuò)。另外，可以利用透射電鏡的衍襯來(lái)觀察材料微結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)。TEM觀察的第一步是將金屬樣品加工成電子束可以穿過(guò)的薄膜。在沒(méi)有位錯(cuò)存在的區(qū)域，電子通過(guò)等間距規(guī)則排列的各晶面時(shí)將可能發(fā)生衍射，其衍射角、晶面間距及電子波長(zhǎng)之間滿足布拉格定律。而在位錯(cuò)存在的區(qū)域附近，晶格發(fā)生了畸變，因此衍射強(qiáng)度亦將隨之變化，于是位錯(cuò)附近區(qū)域所成的像便會(huì)與周圍區(qū)域形成襯度反差，如圖9所示，透射的電子光束減弱，從而使位錯(cuò)線變?yōu)楹谏€條。圖9 透射電子顯微鏡法的原理圖 X射線衍射法：應(yīng)用X射線對(duì)固體材料進(jìn)行分析、

22、測(cè)試，也是研究晶體材料缺陷的重要方法之一。它能無(wú)損的鑒別位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、晶粒間界和一維或多維的點(diǎn)陣不完整。X射線衍射動(dòng)力學(xué)理論指出，當(dāng)X射線入射到完整晶體內(nèi)，其入射波與衍射波相互作用，產(chǎn)生初級(jí)消光。只有滿足布拉格定律的晶體部分殘余衍射，衍射角的寬度約10-5弧度。一般的實(shí)驗(yàn)條件，入射束的發(fā)散度約為10-4弧度。所以，動(dòng)力學(xué)的衍射束只利用了入射束中很小一部分能量。如果晶體內(nèi)存在缺陷，正常的晶體點(diǎn)陣排列受到破壞，在缺陷周圍區(qū)域的點(diǎn)陣面間距或局部陣面取向會(huì)發(fā)生變化，使得動(dòng)力學(xué)衍射條件被破壞，初級(jí)消光現(xiàn)象就不再存在，而出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射區(qū)。對(duì)低吸收情況，如果點(diǎn)陣排列的變化緩慢，入射束經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射區(qū)會(huì)給

23、出額外的衍射。因此，缺陷區(qū)域的衍射積分強(qiáng)度比完整晶體動(dòng)力學(xué)衍射強(qiáng)度高。這樣，在均勻的動(dòng)力學(xué)衍射背景上形成了對(duì)應(yīng)于缺陷的直接像。圖10 半導(dǎo)體晶體的Mosaic模型 晶體材料位錯(cuò)的描述，一般采用Mosaic模型，如圖10所示，包括水平關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、垂直關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角度和傾轉(zhuǎn)角度四個(gè)變量，而螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)兩種主要位錯(cuò)的密度都可以用這四個(gè)變量得到。這四個(gè)變量可以利用Williamson-Hall（WH）作圖法精確測(cè)量。WH法的線性擬合公式如下：FWHM表示各掃描峰的半峰寬；和分別表示垂直、水平關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度；為衍射角；為X射線波長(zhǎng)；表示鑲嵌結(jié)構(gòu)傾斜角；為生長(zhǎng)方向的非均勻應(yīng)變。 浸蝕坑法：當(dāng)以適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)浸

24、蝕法、電解浸蝕法進(jìn)行浸蝕，以及在真空或其他氣氛中進(jìn)行加熱時(shí)，位錯(cuò)線在晶體表面的露頭處會(huì)由于位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)而發(fā)生腐蝕，或由于晶體表面張力與位錯(cuò)線張力趨于平衡狀態(tài)的作用而使金屬被擴(kuò)散掉，在位錯(cuò)的位置形成蝕坑，借助一般金相顯微鏡或掃描電鏡觀察蝕坑便能判斷位錯(cuò)的存在。為了證明蝕坑與位錯(cuò)的一致對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將晶體制成薄片，若在兩個(gè)相對(duì)的表面上形成幾乎一致的蝕坑，便說(shuō)明蝕坑即位錯(cuò)。此外，在臺(tái)階、夾雜物等缺陷處形成的是平底蝕坑，很容易地區(qū)別于位錯(cuò)露頭處的尖底蝕坑，其原理如圖11所示。圖11 浸蝕坑法原理圖 （a）位錯(cuò)線露頭處出現(xiàn)彈性應(yīng)變區(qū) （b）位錯(cuò)線露頭 （c）露頭處出現(xiàn)蝕坑 （d）蝕坑在擴(kuò)大4、 綜述層錯(cuò)能和

25、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)金屬塑性變形機(jī)理的影響？（20分）答： 金屬的塑性變形是指在施加于材料之上的外力超過(guò)材料的彈性極限時(shí)，力去掉后，材料形狀不能完全恢復(fù)而發(fā)生的永久性變形。（1） 層錯(cuò)能對(duì)金屬塑性變形機(jī)理的影響 盡管層錯(cuò)的形成幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，但它破壞了晶體的周期性，使層錯(cuò)附近原子的能量增加，堆垛層錯(cuò)能與材料中位錯(cuò)的滑移和相變等物理過(guò)程有關(guān)，且對(duì)于以層錯(cuò)形核為主要形核機(jī)理的相變，其相變驅(qū)動(dòng)力是層錯(cuò)能的函數(shù)， 層錯(cuò)能的大小決定了全位錯(cuò)分解成兩個(gè)不全位錯(cuò)的難易程度，層錯(cuò)能越低，分解過(guò)程越易進(jìn)行。層錯(cuò)是一種晶格缺陷，它破壞了晶體的周期完整性并引起能量的升高。產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需能量稱為層錯(cuò)能。層錯(cuò)能是合金材

26、料的一個(gè)重要物理特性，直接影響材料的力學(xué)性能、位錯(cuò)交滑移、相穩(wěn)定性。 TWIP（孿晶誘導(dǎo)塑性）鋼中的馬氏體相變是通過(guò)奧氏體（）內(nèi)每隔一層111面上形成的堆垛層錯(cuò)來(lái)完成，因而與奧氏體基體的層錯(cuò)能相關(guān)。當(dāng)fcc馬氏體轉(zhuǎn)變吉布斯自由能或更低，且層錯(cuò)能低于16mJ/m2時(shí)，在應(yīng)力作用下發(fā)生TRIP（相變誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)，在高應(yīng)變區(qū)會(huì)應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，由此顯著延遲鋼的縮頸，從而極大提高了鋼的塑性。而當(dāng)fcc馬氏體轉(zhuǎn)變吉布斯自由能為正值且在約110250mJ/m2之間，層錯(cuò)能在約25mJ/m2時(shí)，在應(yīng)力作用下發(fā)生TWIP（孿晶誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)，通過(guò)形變過(guò)程中孿晶的形成來(lái)延遲鋼的縮頸，從而極大提高了鋼的塑性。

27、（2）晶體結(jié)構(gòu)對(duì)金屬塑性變形機(jī)理的影響研究金屬晶體的塑性變形與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及塑性變形的機(jī)理，這類理論常稱為晶體范性學(xué)。當(dāng)外力作用在金屬上時(shí)，如受拉，金屬內(nèi)的原子間距變大，如果這種變化是彈性范圍內(nèi)的，當(dāng)外力去除后，原子還能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)；如果外力較大，這種變化就達(dá)到了塑性階段了，當(dāng)外力去除之后，有一部分變化就不能恢復(fù)了，金屬就發(fā)生了塑性變形。1) 單晶體的塑性變形：?jiǎn)尉w的塑性變形主要通過(guò)滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的，在常溫和低溫下單晶體的塑性變形主要是通過(guò)滑移的方式來(lái)進(jìn)行的。 滑移 單晶體受拉時(shí)，外力在任何晶面上都可以分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。其中正應(yīng)力只能引起正斷，不能引起塑性變形，而只有在

28、切應(yīng)力的作用下才能產(chǎn)生塑性變形，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力（稱滑移臨界切應(yīng)力）大小不同。在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)的現(xiàn)象稱為滑移，如圖12所示。圖12 滑移的示意圖圖13 滑移帶和滑移線的示意圖 單晶體的滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進(jìn)行，這是由于只有在最密排晶面之間的面間距以及最密排晶向之間的原子間距才最大，原子結(jié)合力也最弱，所以在最小的切應(yīng)力下便能引起它們之間的相對(duì)滑移。因此滑移面為該晶體的密排面，滑移方向?yàn)樵撁嫔系拿芘欧较颉尉w滑移變形后，在光學(xué)顯微鏡下可觀察到一些

29、平行的線條，如圖13所示。一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。如體心立方晶格中，（110）面和111晶向即組成一個(gè)滑移系。晶體中滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。具有體心和面心立方晶格的金屬，如鐵、鋁、銅、鉻等，在通常情況下都以滑移方式變形，它們的塑性比具有密排六方晶格的金屬好的多，這是由于前者的滑移系多，金屬發(fā)生滑移的可能性大所致。表1列出了不同晶格類型的滑移面、滑移方向和滑移系的情況。表1 不同晶格類型的滑移面、滑移方向和滑移系晶格類型體心立方面心立方密排六方滑移面1106個(gè)1114個(gè)00011個(gè)滑移方向<111>2個(gè)<110>3個(gè)<

30、1120>3個(gè)滑移系數(shù)目6*2=124*3=121*3=3 滑移過(guò)程不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分作剛性滑動(dòng)，而是由位錯(cuò)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。如圖14（a）所示，包含位錯(cuò)的晶體在切應(yīng)力的作用下，位錯(cuò)線上面的兩列原子向右作微量位移至虛線所示的位置，位錯(cuò)線下面的一列原子向左作微量位移至虛線所示的位置，這樣就可以使位錯(cuò)向右移動(dòng)一個(gè)原子間距。在切應(yīng)力的作用下，如位錯(cuò)線繼續(xù)向右移動(dòng)到晶體表面時(shí)，就形成了一個(gè)原子間距的滑移量，如圖14（b）所示，結(jié)果晶體就產(chǎn)生了塑性變形。 由此可見，晶體通過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)而產(chǎn)生滑移時(shí)，并不需要整個(gè)滑移面上全部的原子移動(dòng)，而只需要位錯(cuò)附近

31、的少量原子作微量的移動(dòng)，移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需要的切應(yīng)力就小得多，且與實(shí)測(cè)值基本相符。這就是位錯(cuò)的易動(dòng)性，所以滑移實(shí)質(zhì)上是在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)沿滑移面的運(yùn)動(dòng)。圖14 刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移的示意圖 孿生 在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變的變形過(guò)程稱孿生。產(chǎn)生孿生變形部分的晶體位向發(fā)生了改變，它是以孿晶面為對(duì)稱面與未變形部分相互對(duì)稱，這種對(duì)稱的兩部分晶體稱為孿晶。發(fā)生變形的那部分晶體稱為孿晶帶。孿生的示意圖如圖15所示。圖15 孿生的示意圖 孿生和滑移不同，滑移時(shí)變形只局限于給定的滑移面上，滑移后滑移總量是近鄰原子間距的

32、整數(shù)倍，滑移前后晶體的位向不變。孿生變形時(shí)各層原子平行于孿晶面運(yùn)動(dòng)，在這部分晶體中，相鄰原子間的相對(duì)位移只有一個(gè)原子間距的幾分之一。另外，孿生變形所需的最小切應(yīng)力比滑移的大得多，因此孿生變形只在滑移很艱難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。面心立方結(jié)構(gòu)的金屬一般不發(fā)生孿生變形，體心立方晶格金屬（如鐵）在室溫或受沖擊時(shí)才發(fā)生孿生。而滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等，則比較容易發(fā)生孿生。孿生變形會(huì)在周圍晶格中引起很大的畸變，因此產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小得多，一般不超過(guò)10%。但孿生變形引起晶體位向改變，因而能促進(jìn)滑移發(fā)生。2) 多晶體的塑性變形：多晶體的塑性變形也是通過(guò)滑移或?qū)\生變形的方式進(jìn)行的，但在多

33、晶體中，晶粒之間的晶界處原子排列不規(guī)則，而且往往還有雜質(zhì)原子處于其間，這使多晶體的變形更為復(fù)雜。 多晶體中每個(gè)晶粒位向不一致，一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力的方向（稱晶粒處于軟位向），另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大（稱晶粒處于硬位向）。在發(fā)生滑移時(shí)，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位錯(cuò)在晶界受阻逐漸堆積時(shí)，其它晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時(shí)晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。其塑性變形的示意圖如圖16所示。 圖16 多晶體塑性變形的示意圖 多晶體塑變形的特點(diǎn)是，各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性；各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性，由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，變形從某個(gè)晶粒開始以

34、后，不可能從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒之中，但多晶體作為一個(gè)連續(xù)的整體，每個(gè)晶粒處于其它晶粒的包圍之中，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系中自由變形，否則必將造成晶界開裂，為使每一晶粒與鄰近晶粒產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形；滑移的傳遞，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯(cuò)源；由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，使多晶體的變形抗力比單晶體大其中，取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因，一般說(shuō)來(lái)，晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期較重要。 多晶體晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積越多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越大，金屬的強(qiáng)度越高。晶界與強(qiáng)度之間的關(guān)系有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（HallPetch公式）：=0+k×d-1/2晶粒越細(xì)，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集

35、中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。由于細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度較高，塑性較好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功，因而韌性也較好。5、 金屬的強(qiáng)化方式有哪些？闡述不同強(qiáng)化方式中位錯(cuò)的強(qiáng)化機(jī)理？（40分）答： 通過(guò)合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬材料的強(qiáng)度，稱為金屬的強(qiáng)化。其強(qiáng)化機(jī)制主要有以下四種：固溶強(qiáng)化、第二相粒子強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化以及形變強(qiáng)化。1） 固溶強(qiáng)化 合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強(qiáng)度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。1 彈性交互作用：溶質(zhì)原子是晶體中的一

36、種點(diǎn)缺陷。由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的體積不同，晶體中的溶質(zhì)原子會(huì)使其周圍晶體發(fā)生彈性畸變，而產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，此應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生相互作用。如果溶質(zhì)原子擴(kuò)散到位錯(cuò)所在處，或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到溶質(zhì)原子處，系統(tǒng)的總應(yīng)變能有可能降低，缺陷之間就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使彼此處于能量相對(duì)較低的位置。使位錯(cuò)與溶質(zhì)原子從低能位置分離需要做功，也就是要增加使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的力，因而也就強(qiáng)化了晶體。這種情況屬于位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的彈性交互作用。位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用能公式： 由此式可以畫出一個(gè)圍繞刃型位錯(cuò)的等交互作用能線圖，見圖17所示。當(dāng)一個(gè)尺寸大的溶質(zhì)原子從壓縮區(qū)域向膨脹區(qū)域擴(kuò)散時(shí)，它將會(huì)沿著圖中的虛線方向運(yùn)動(dòng)。隨著到達(dá)低能位置的原

37、子增加，位錯(cuò)線與溶質(zhì)原子的交互作用達(dá)到平衡狀態(tài)。圖17 刃型位錯(cuò)周圍的交互作用能等位線（實(shí)線）與溶質(zhì)原子遷移線（虛線） 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用的結(jié)果，使大量的溶質(zhì)原子，尤其是間隙原子，聚集在位錯(cuò)附近區(qū)域，形成原子云，稱為柯氏氣團(tuán)。形成柯氏氣團(tuán)只需求很少量的溶質(zhì)原子。在深度冷加工的金屬中，位錯(cuò)最大密度為1012/cm2，若沿位錯(cuò)線每一原子間距有一溶質(zhì)原子的話，需要溶質(zhì)原子數(shù)量也不過(guò)0.1%原子。對(duì)于退火金屬，即使是99.999%純的金屬，其所含雜質(zhì)也足夠形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)。 柯氏氣團(tuán)對(duì)合金的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響，會(huì)引起強(qiáng)化效應(yīng)。因?yàn)橛袣鈭F(tuán)靠近的位錯(cuò)受外加應(yīng)力作用時(shí)，位錯(cuò)的滑移會(huì)擾亂氣團(tuán)中溶質(zhì)原子

38、的平衡分布，使整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)變能升高，所以位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到氣團(tuán)的牽扯，或者說(shuō)位錯(cuò)被氣團(tuán)釘扎。當(dāng)外力不很大，而且氣團(tuán)中的溶質(zhì)原子能夠與位錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，強(qiáng)化表現(xiàn)為位錯(cuò)拖著氣團(tuán)移動(dòng)所產(chǎn)生的困難。當(dāng)外力很大時(shí)，位錯(cuò)可能掙脫氣團(tuán)的束縛。位錯(cuò)與溶質(zhì)原子氣團(tuán)間的交互作用，能很好地解釋在一些含有某種雜質(zhì)的金屬中所觀察到的明顯屈服點(diǎn)現(xiàn)象。溫度對(duì)柯氏氣團(tuán)的穩(wěn)定性起很大作用，溫度提高，穩(wěn)定性降低，當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，柯氏氣團(tuán)便失去作用。所以柯氏氣團(tuán)只對(duì)合金在較低溫度下的強(qiáng)度起很大作用，對(duì)高溫強(qiáng)度影響很小?；瘜W(xué)交互作用：在面心立方金屬中，111面上的全位錯(cuò)可分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)而形成擴(kuò)展位錯(cuò)，兩個(gè)不全位錯(cuò)之間隔著一層層錯(cuò)，

39、其晶體結(jié)構(gòu)改變?yōu)槊芘帕浇Y(jié)構(gòu)，它具有兩層原子的厚度及約10個(gè)原子間距的寬度，并依靠層錯(cuò)表面能來(lái)對(duì)抗不全位錯(cuò)之間的斥力以保持平衡,由于溶質(zhì)原子對(duì)不同的晶體具有不同的化學(xué)勢(shì)，所以溶質(zhì)原子在密排六方的層錯(cuò)中和在面心立方的基體中溶解的濃度是不相同的。溶質(zhì)原子的這種不均勻分布也能阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而引起強(qiáng)化。此外，由于堆垛層錯(cuò)能隨著合金的成分而變化，可想而知原子再分布后層錯(cuò)區(qū)域的寬度也會(huì)改變。這種溶質(zhì)原子圍繞著位錯(cuò)的非均勻性分布即是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間的一種化學(xué)交互作用。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間的化學(xué)交互作用是由鈴木秀次于1952年到1955年間提出來(lái)的，故稱為鈴木氣團(tuán)。具有鈴木氣團(tuán)的擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的可能組態(tài)如圖18。2

40、 鈴木氣團(tuán)強(qiáng)化合金的原因有： 擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于層錯(cuò)區(qū)內(nèi)溶質(zhì)原子的含量與周圍基體不同，所以當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然要伴隨著溶質(zhì)原子在基體內(nèi)分布的變化，此時(shí)擴(kuò)展位錯(cuò)很難運(yùn)動(dòng)。 如果擴(kuò)展位錯(cuò)與其他位錯(cuò)相交截時(shí)，必須先合并成全位錯(cuò)后才能形成割階，這個(gè)過(guò)程也需要較大應(yīng)力。但是鈴木氣團(tuán)對(duì)合金的強(qiáng)化作用比柯氏氣團(tuán)要小得多，這是由于擴(kuò)展位錯(cuò)有一個(gè)寬為約10個(gè)原子間距的堆垛層錯(cuò)區(qū)，故很難靠熱激活能的作用使擴(kuò)展位錯(cuò)擺脫溶質(zhì)原子的束縛。由于溫度對(duì)鈴木氣團(tuán)的影響很小，故在高溫時(shí)鈴木氣團(tuán)仍具有穩(wěn)定性，所以對(duì)金屬的高溫強(qiáng)度也起很大的作用。圖18 具有鈴木氣團(tuán)的擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的可能組態(tài) （代表溶質(zhì)原子）3 電學(xué)交互作用：假

41、如溶解于銅中的兩種溶質(zhì)原子具有同樣的點(diǎn)陣錯(cuò)配度，而它們的原子價(jià)不同，它們?nèi)匀豢梢允构倘荏w程度不同地發(fā)生硬化。這種情況表明，由于圍繞溶質(zhì)原子的電荷相對(duì)于圍繞溶劑原子的電荷具有一個(gè)增量，這個(gè)增量是與原子價(jià)有關(guān)的，所以溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間有電學(xué)交互作用發(fā)生。電阻測(cè)定表明，高價(jià)原子溶入基體時(shí)，并不是所有的價(jià)電子都成為自由電子，有很大一部分電子與原來(lái)的原子仍保持結(jié)合狀態(tài)。另一方面，在位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)中，電子分布也要變化，于是出現(xiàn)了負(fù)離子與位錯(cuò)引起的電場(chǎng)之間的相互作用。但在金屬中這種相互作用僅為上述的彈性交互作用的1/41/7。4 幾何交互作用：位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用同溶質(zhì)原子分布的幾何位置有關(guān)，故稱為幾何

42、交互作用。對(duì)溶質(zhì)原子B和溶劑原子A組成的固溶體，溶質(zhì)原子B分布的幾何位置有三種可能性： 隨機(jī)分布：溶劑原子A和溶質(zhì)原子B在點(diǎn)陣中所占的位置是任意的； 有序分布：在每個(gè)A原子周圍，B原子按一定規(guī)則分布； 偏聚分布：同類原子聚集在一起成群分布。 上述三種溶質(zhì)原子的分布情況主要取決于A和B兩種原子間結(jié)合能的相對(duì)關(guān)系，可用下面的參數(shù)來(lái)描述：式中UAA 是A和A原子間的結(jié)合能，余者類推。若=0時(shí)，呈隨機(jī)分布；>0時(shí)，呈有序分布；<0時(shí)，呈偏聚分布。 另外，有序分布又分為短程有序和長(zhǎng)程有序兩種。短程有序分布，可有效的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而引起強(qiáng)化。當(dāng)位錯(cuò)滑移通過(guò)短程有序區(qū)時(shí)，由于異類原子對(duì)數(shù)目的改變，

43、會(huì)破壞短程有序，使系統(tǒng)的能量升高，故需外力附加做功，從而使強(qiáng)度升高。長(zhǎng)程有序分布，當(dāng)溶質(zhì)原子呈長(zhǎng)程有序分布時(shí)，可在滑移面兩側(cè)原子之間形成AB型原子匹配關(guān)系。當(dāng)有位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷破壞這種有序關(guān)系，形成反相疇界。故單個(gè)位錯(cuò)只有在附近的外力作用下才能運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償形成反相疇界所需的能量。2） 第二相粒子強(qiáng)化 復(fù)相合金與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相的存在。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。這種強(qiáng)化作用稱為第二相粒子強(qiáng)化。第二相粒子強(qiáng)化的主要原因是它們與位錯(cuò)間的交互作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了合金的變形抗力。通常將第二相粒子強(qiáng)化分為沉淀強(qiáng)化與彌散強(qiáng)

44、化兩類。但就障礙機(jī)制而定，趨向于以粒子本身的變形特性作為區(qū)分第二相強(qiáng)化機(jī)制的出發(fā)點(diǎn)。對(duì)可變形粒子，粒子的性能是影響強(qiáng)化效果的關(guān)鍵，而粒子尺寸的影響較小。對(duì)不可變形粒子，強(qiáng)化效果主要取決于粒子尺寸及彌散度，而與粒子本身性能無(wú)關(guān)。兩種粒子強(qiáng)化機(jī)制的控制因素雖有區(qū)別，但強(qiáng)化效果均隨粒子的體積分?jǐn)?shù)增大而提高。圖19 可變形粒子（曲線B）及不可變形粒子（曲線A） 的尺寸對(duì)合金強(qiáng)度的影響曲線B表明，隨著可變形粒子尺寸的增加，強(qiáng)化效果增大。在時(shí)效早期溶質(zhì)原子含量未達(dá)到平衡濃度時(shí)，強(qiáng)化效果也隨可變形粒子的體積分?jǐn)?shù)增大而增大；對(duì)不可變形粒子，在粒子的體積分?jǐn)?shù)不變的條件下，強(qiáng)化效果隨粒子尺寸增大而減小，如曲線A所

45、示。兩種強(qiáng)化機(jī)制在P點(diǎn)發(fā)生過(guò)渡，并給出時(shí)效峰。若增加沉淀相粒子的體積分?jǐn)?shù)，可使曲線A和B升高，給出較高的峰強(qiáng)度。提高沉淀相粒子本身的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使曲線B升高，有利于在較小的粒子尺寸下得到較高的峰強(qiáng)度。為提高合金的時(shí)效強(qiáng)度，在時(shí)效時(shí)應(yīng)使粒子的平均尺寸達(dá)到峰強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的尺寸之前，使沉淀相粒子大量充分形核并達(dá)到足夠的體積分?jǐn)?shù)。 可變形粒子強(qiáng)化：當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榭勺冃挝⒘r(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)粒子使之隨同基體一起變形，其示意圖如圖20所示。圖20 位錯(cuò)切過(guò)粒子的示意圖 在這種情況下，強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)，以及與基體的聯(lián)系，其強(qiáng)化機(jī)制非常復(fù)雜，且因合金而異，其主要作用如下： 位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)，粒子產(chǎn)生寬度

46、為b的表面臺(tái)階，由于出現(xiàn)了新的表面積，使總的界面能升高。 當(dāng)粒子是有序結(jié)構(gòu)時(shí)，則位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)會(huì)打亂滑移面上下的有序排列，產(chǎn)生反相疇界，引起能量的升高。 由于第二相粒子與基體的晶體點(diǎn)陣不同或至少是點(diǎn)陣常數(shù)不同，故當(dāng)位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)必然在其滑移面上引起原子的錯(cuò)排，需要額外做功，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難。 由于粒子與基體的比體積差別，而且沉淀粒子與母相之間保持共格或半共格結(jié)合，故在粒子周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)，此應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙。 由于基體與粒子中的滑移面取向不一致，則位錯(cuò)切過(guò)后會(huì)產(chǎn)生一割階，割階存在會(huì)阻礙整個(gè)位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)。 由于粒子的層錯(cuò)能與基體不同，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)通過(guò)后，其寬度會(huì)發(fā)生

47、變化，引起能量升高。 不可變形粒子強(qiáng)化：許多合金中第二相質(zhì)點(diǎn)的含量并不大，但卻極彌散地分布在基體上，在很多情況下，這些第二相是中間相，具有比基體大得多的硬度，利用熱處理方法可有效地控制第二相的大小和分布。質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化作用分三個(gè)階段，如圖22所示。合金硬度為沉淀質(zhì)點(diǎn)大小的函數(shù)。圖中為淬火合金中固溶原子間距，對(duì)典型合金成分，約等于3個(gè)原子間距時(shí)，強(qiáng)度最大，約為2550個(gè)原子間距；過(guò)時(shí)效時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間距達(dá)1000個(gè)原子間距或更多,強(qiáng)度下降。圖21 合金硬度與沉淀質(zhì)點(diǎn)大小的關(guān)系圖22 可彎位錯(cuò)在彌散質(zhì)點(diǎn)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)彎曲的平衡條件是： 式中一切應(yīng)力； b一位錯(cuò)本身的柏氏矢量； r一位錯(cuò)線的曲率半徑； 一切變模

48、量。位錯(cuò)的彎曲半徑為： 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)間距l(xiāng)<位錯(cuò)線曲率半徑r時(shí)，位錯(cuò)的彎曲不能像應(yīng)力場(chǎng)變化那樣急劇，表現(xiàn)出一定的“軟”性，位錯(cuò)線兩邊的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)部分地互相抵消，得不到最大強(qiáng)化。即質(zhì)點(diǎn)非常彌散時(shí)，位錯(cuò)線只能跨過(guò)它們，如圖22（a）所示。 當(dāng)l=r時(shí)，位錯(cuò)線所能達(dá)到的曲率，恰好與質(zhì)點(diǎn)間距相等。位錯(cuò)所遇到的阻礙等于它所面臨的質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)的作用的算術(shù)和，因而合金得到最大強(qiáng)化。這時(shí)l=l臨界，約20100原子間距，如圖22（b）所示。 若l再增大，位錯(cuò)線足夠“柔軟”，繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)所需的應(yīng)力卻要降低，所以開始軟化，如圖22（c）所示。 位錯(cuò)繞過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，要在質(zhì)點(diǎn)周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，使質(zhì)點(diǎn)有效尺寸增加，而質(zhì)點(diǎn)間

49、距減小，于是引起變形應(yīng)力增大，其結(jié)果是使得在有彌散相質(zhì)點(diǎn)的合金中加工硬化速度更快。3） 晶界強(qiáng)化 無(wú)論是純金屬還是合金，多晶體的形變及斷裂都與晶體結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)及晶界密切相關(guān)。如果形變過(guò)程不發(fā)生回復(fù)，則晶界在形變過(guò)程中的基本作用是提高形變硬化的程度。如圖23所示，晶界和其他障礙（如雜質(zhì)、位錯(cuò)纏結(jié)、第二相粒子等）一樣，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到該處就被阻止，從而產(chǎn)生位錯(cuò)塞積群，使金屬出現(xiàn)形變硬化。隨著應(yīng)力的不斷作用，位錯(cuò)塞積數(shù)目不斷增多，在塞積處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力大到足以使相鄰晶粒中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)開動(dòng)時(shí)，則相鄰晶粒中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)同樣被阻止在晶界處，又造成位錯(cuò)塞積。細(xì)晶粒的晶界強(qiáng)化比粗晶粒顯著，因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，位

50、錯(cuò)滑移距離越小，達(dá)到硬化時(shí)塞積的位錯(cuò)數(shù)越少。圖23 在晶粒處位錯(cuò)塞積示意圖 多數(shù)晶體物質(zhì)是由許多晶粒所組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內(nèi)界面。而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。根據(jù)相鄰晶粒之間位向差的大小不同將晶界分為兩類： 小角度晶界：相鄰晶粒之間位向差小于10º晶界，亞晶界均屬于小角度晶界，一般小于2º； 大角度晶界：相鄰晶粒的位向差大于10º晶界，多晶體中90%以上的晶界屬于此類。圖24 對(duì)稱傾斜晶界的形成 （a）傾斜前 （b）傾斜后1 小角度晶界：按照相鄰亞晶界之間位向差的形式不

51、同，可將小角度晶界分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等。傾斜晶界又分為對(duì)稱傾斜晶界和不對(duì)稱傾斜晶界。 對(duì)稱傾斜晶界：對(duì)稱傾斜晶界可看作把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果，如圖25所示。由于相鄰兩晶粒的位向差角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成，見圖25。圖25 對(duì)稱傾斜晶界 不對(duì)稱傾斜晶界：如果傾斜晶界的界面繞X軸旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，如圖26所示，則此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為角，但此時(shí)晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是不對(duì)稱的，因此，稱為不對(duì)稱晶界。它有兩個(gè)自由度和。該晶界結(jié)構(gòu)可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)b和b 交錯(cuò)排列而構(gòu)成的。圖26 不對(duì)稱傾斜晶界 扭轉(zhuǎn)晶界，是小角度晶界的又一種類型。它可

52、看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面，如圖27所示。圖27 扭轉(zhuǎn)晶界位錯(cuò)模型 純扭轉(zhuǎn)晶界和傾斜晶界均是小角度晶界的簡(jiǎn)單情況，兩者不同之處在于傾斜晶界形成時(shí)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)；而扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸垂直于晶界。在一般情況下，小角度晶界都可看成是兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成的，只不過(guò)其轉(zhuǎn)軸既不平行于晶界也不垂直于晶界。對(duì)這樣的任意小角度晶界，可看作是由一系列刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，這已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。2 大角度晶界：多晶體材料中各晶粒之間的晶界通常為大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中原子排列較不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模型來(lái)描述。對(duì)

53、于大角度晶界結(jié)構(gòu)的了解遠(yuǎn)不如小角度晶界清楚，有人認(rèn)為大角度晶界的結(jié)構(gòu)接近于圖28所示的模型。圖28 大角度晶界模型 圖28中表明取向不同的相鄰晶粒的界面不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則的臺(tái)階組成的。分界面上既包括有同時(shí)屬于兩晶粒的原子D，也包含有不屬于任一晶粒的原子A；既包含有壓縮區(qū)B，也包含有擴(kuò)張區(qū)C。這是由于晶界上的原子同時(shí)受到位向不同的兩個(gè)晶粒中原子的作用所致。晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的硬度和強(qiáng)度。晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的黏滯性，易使相鄰晶粒

54、產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。已經(jīng)知道，當(dāng)應(yīng)力作用在多晶體金屬上的時(shí)候，試樣內(nèi)的每一個(gè)晶粒并不像無(wú)約束存在的單晶那樣發(fā)生變形。多晶體組成金屬的強(qiáng)度比單晶的高得多，就間接地證明了這一點(diǎn)。目前，人們常把大角度晶界更簡(jiǎn)單地看成一個(gè)表面，它大約只有兩個(gè)原子厚，在這個(gè)表面內(nèi)原子的排列是無(wú)規(guī)則的；而不把它看成是由位錯(cuò)組成的。然而，由于晶界內(nèi)部的原子排列已經(jīng)紊亂，所以當(dāng)把位錯(cuò)中心的無(wú)規(guī)則性再引入晶界的時(shí)候，它們對(duì)晶界原子的錯(cuò)排能影響不大。晶界對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生的作用力是吸引力，位錯(cuò)將被吸引到晶界的近旁。另一方面，由于在晶界處滑移方向和滑移面因相鄰晶粒取向不同而改變，所以晶界對(duì)面的晶粒作用到位錯(cuò)上的力是排斥力。由于位錯(cuò)很難通過(guò)晶界從

55、一個(gè)晶粒移動(dòng)到另一個(gè)晶粒中去，多晶體的滑移過(guò)程不能依靠位錯(cuò)穿過(guò)晶界而傳播到每個(gè)晶粒，所以位錯(cuò)在晶界處塞積起來(lái)。塞積群中的位錯(cuò)能夠在其附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，并可能在鄰近晶粒內(nèi)部觸發(fā)位錯(cuò)源，使其開動(dòng)。4） 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化，又稱加工硬化或應(yīng)變硬化，是塑性應(yīng)變抗力隨變形量增加而增大的現(xiàn)象。變形程度增加使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度逐漸升高，塑性和韌性相應(yīng)降低，是強(qiáng)化金屬材料的重要工藝方法。形變強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的重要方法之一，它能為金屬材料的應(yīng)用提供安全保證，也是某些金屬塑性加工工藝所必須具備的條件（如拔制）,滑移變形的過(guò)程就是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，如果位錯(cuò)不易運(yùn)動(dòng)，就是材料不易變形，也就是材料強(qiáng)度提高，即產(chǎn)生了加工硬化。加工硬化現(xiàn)象在生產(chǎn)工藝上有很現(xiàn)實(shí)的作用，如拉絲時(shí)已通過(guò)拉絲模的金屬截面積變小，因而作用在這一較小截面積上的單位面積拉力比原來(lái)大，但是由于加工硬