材料科學(xué)基礎(chǔ)期末復(fù)習(xí)

1、第1章 位 錯1、 位錯模型：以具有簡單立方晶格晶體為研究對象1.刃型位錯模型(edge dislocation) 位錯線：位錯產(chǎn)生點陣畸變區(qū)空間呈線狀分布。對于純?nèi)行臀诲e，其可以描述為刃型位錯多余半原子面的下端沿線。為了與其它類型位錯統(tǒng)一，位錯線可表述為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線。 刃型位錯的特征：（1）刃型位錯是由一個多余半原子面所組成的線缺陷；（2）位錯滑移矢量(柏氏向量)垂直于位錯線，而且滑移面是位錯線和滑移矢量所構(gòu)成 的唯一平面；（3） 位錯的滑移運動是通過滑移面上方的原子面相對于下方的原子面移動一個滑移矢 量來實現(xiàn)的； （4）刃型位錯線的形狀可以是直線、折線和曲線；（5）晶體中產(chǎn)生

2、刃型位錯時，其周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，使晶體處于受力狀態(tài)，既 有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。2. 螺型位錯模型(screw dislocation) 螺型位錯的特征：（1）螺型位錯是由原子錯排呈軸線對稱的一種線缺陷；（2）螺型位錯線與滑移矢量平行，因此，位錯線只能是直線；（3）螺型位錯線的滑移方向與晶體滑移方向、應(yīng)力矢量方向互相垂直； （4）位錯線與滑移矢量同方向的為右螺型位錯；此系與滑移矢量異向的為左螺型位錯。3.混合型位錯(mixed dislocation) 在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向(柏氏矢量b)，這樣的位錯稱為混合位錯。位

3、錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯和螺位錯分量。晶體中位錯線的形狀可以是任意的。4.位錯密度(dislocation density) 單位體積內(nèi)位錯線長度：v =l / v (單位：1/cm2或1/m2) 單位面積內(nèi)位錯數(shù)目：s = n / s2、 柏氏矢量(Burgers vector) 柏氏矢量反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總累計。通常將柏氏矢量模長稱為位錯強度，它也表示出晶體滑移時原子移動的大小。柏氏矢量方向表示原子移動方向。柏氏矢量的守恒性:一個柏氏矢量是固定不變的推論： （1）一條位錯線只有一個柏氏矢量 （2）流向節(jié)點的各位錯的柏氏矢量的和等于流出的總和 （3）

4、位錯線不能終止于晶體內(nèi)部利用柏氏矢量b與位錯線t的關(guān)系，可判定位錯類型 （1）若bt則為螺型位錯 （2）若bt為刃型位錯 （3）若b與t不平行也不垂直，為混合型位錯3、 位錯的彈性力學(xué)性質(zhì)1、螺型位錯的應(yīng)力場 （1）螺型位錯的應(yīng)力場中沒有正應(yīng)力分量，只有兩個切應(yīng)力分量 （2）且其大小只與r有關(guān)，而與，z無關(guān)，即螺型位錯應(yīng)力場是軸對稱的2、刃型位錯應(yīng)力場 （1）既有正應(yīng)力分量，又有切應(yīng)力分量 （2）應(yīng)力大小與位錯線距離呈反比 （3）與Z坐標(biāo)無關(guān) （4）滑移面為純剪切應(yīng)力 （5）xxyy3、位錯的能量 位錯的應(yīng)變能：位錯周圍點陣畸變引起彈性應(yīng)力場導(dǎo)致晶體能量的增加。 位錯的能量可分為位錯中心畸變能

5、和位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能。其中彈性應(yīng)變能 約占總能量的90%。 以位錯的彈性能代表位錯的能量。 我們討論的能量都是指單位長度位錯線的能量： （1）單位長度刃型位錯線的畸變能： （2）單位長度螺型位錯線的畸變能： （3）單位長度混合型位錯線的畸變能：位錯應(yīng)變能特點： （1）位錯應(yīng)變能是由位錯中心錯排能和彈性應(yīng)變能兩部分組成。 （2）位錯的應(yīng)變能與柏氏矢量的平方成正比。柏氏矢量越小應(yīng)變能越低，位錯越穩(wěn) 定。因此，柏氏量大的位錯可能發(fā)生分解。 （3）晶體中刃型位錯具有的位錯能最高，混合位錯次之，螺型位錯最低，因此，在 晶體中最易于形成螺型位錯。 （4）直線位錯比曲線位錯的能量小，位錯總有伸直的趨

6、勢。四、位錯的運動刃型位錯運動：滑移運動、攀移運動 螺型位錯運動：滑移運動、交滑移運動混合型位錯運動：滑移運動1.滑移運動：切應(yīng)力的作用下，當(dāng)此力克服位錯運動時受到的阻力時，位錯便可以沿著 特定原子面（滑移面）移動，這種沿著滑移面移動的位錯運動稱為滑移。 （1）滑移面：位錯運動滑移面是該條位錯柏氏矢量與其位錯線確定的平面。 （2）可移動位錯：當(dāng)該原子面為實際晶體滑移面時位錯運動阻力小，可產(chǎn)生滑移運 動，稱為可移動位錯。 （3）不可移動位錯：當(dāng)該原子面不是實際晶體滑移面時位錯運動阻力很大，不可產(chǎn) 生滑移運動，稱為不可移動位錯。刃型位錯的滑移運動 （1）位錯逐排依次前進，實現(xiàn)兩原子面的相對滑移 （

7、2）滑移量=柏氏矢量的模 （3）外力 / b，位錯線 ，位錯線運動方向/ （4）一定時，正、負位錯運動方向相反，但最終滑移效果相同 （5）滑移面唯一 螺型位錯的滑移運動 （1）位錯逐排依次滑移，實現(xiàn)原子面的滑移； （2）滑移量=柏氏矢量的模； （3） / b，位錯線/ ，位錯線運動方向 ； （4）一定時，左、右螺位錯位錯運動方向相反，但最終滑移效果相同； （5）滑移面不唯一。2.螺型位錯的交滑移：由于螺型位錯滑移面不唯一，當(dāng)其滑移運動過程受到阻礙，可沿 相同滑移方向在其它滑移面上進行。3.刃型位錯的攀移：刃型位錯還在垂直于滑移面的方向上運動即發(fā)生攀移。攀移的實質(zhì) 是多余半原子面的伸長或縮短。

8、特點 （1）刃位錯垂直于滑移面運動非守恒運動 （2）屬擴散過程需熱激活高溫易出現(xiàn) 刃型位錯攀移作用 原滑移面上運動受阻攀移新滑移面滑移繼續(xù) 攀移能力影響滑移進行進一步影響塑變能力4.晶體點陣對于位錯運動阻力 位錯中心偏離平衡位置引起晶體能量增加，構(gòu)成能壘位錯運動阻力，Peierls Nabarro力 位錯寬度，a為滑移面的面間距，b為滑移方向上的原子間距 p隨a值的增大和b值的減小而下降，在晶體中，原子最密排面其間距a為最大， 原子最密排方向其b 值為最小，可解釋晶體滑移為什么多是沿著晶體中原子密度 最大的面和原子密排方向進行。5、 位錯的受力1、位錯的線張力(位錯自身存在） 單位位錯具有能量

9、，受能量降低影響位錯線總是趨于收縮，這使得位錯具有線張力。線張力在數(shù)值上與位錯應(yīng)變能相等。 線張力的作用 （1）使位錯變直降低位錯能量 （2）相當(dāng)于物質(zhì)彈性稱之為位錯彈性性質(zhì) （3） 類似于液體的表面張力。2、 作用在位錯線上的力 作用在刃型位錯線上的滑移力F方向與外切應(yīng)力方向一致，而作用在螺型位錯線上的滑移力F方向與外切應(yīng)力相垂直。 共性：指向滑移面的未滑移區(qū)。 3、外加正應(yīng)力對位錯線的作用 作用在單位長度刃型位錯線上的攀移力的方向和位錯線攀移方向一致，垂直于位錯線。 壓應(yīng)力促進正攀移，拉應(yīng)力促進負攀移。6、 位錯的起源與增殖1、 位錯的起源：凝固過程枝晶生長、液相濃度不均勻、熱應(yīng)力、雜質(zhì)相

10、、過飽和空位聚集 崩塌 （1）液體金屬凝固時形成位錯（2） 過飽和空位凝聚過程形成位錯：高溫凝聚的晶體中含有大量的空位，當(dāng)冷卻較快 時，將會保留下來形成空位片，空位崩塌后形成位錯。（3） 局部應(yīng)力集中形成位錯：晶體內(nèi)部的某些界面和微裂紋附近，由于應(yīng)力作用使局 部區(qū)域發(fā)生滑移，產(chǎn)生位錯。2、晶體中位錯的增殖 弗蘭克-瑞德(F-R)源 （1）弗蘭克-瑞德(F-R)源的產(chǎn)生 刃型位錯的攀移、位錯的交截形成固定割階、螺型位錯交滑移 （2）FR源開動的最小應(yīng)力 FR源開動條件：推動力(外力)> 位錯運動點陣摩擦力和障礙物阻力 外力作用在兩端不能自由運動的位錯上時，位錯將發(fā)生彎曲。由位錯線張力與外

11、力平衡關(guān)系，可以得到 彎曲半徑r與外力成反比。當(dāng)位錯彎曲成半圓時，r 最小，最大。 近似取k=0.5，兩固定點間距離為l，則半圓時l=2r 開動弗蘭克-瑞德源的臨界切應(yīng)力 雙交滑移增殖機制 單軸機制、雙軸機制七、位錯與其它晶體缺陷的交互作用1、位錯間交互作用 位錯彈性交互作用(位錯線平行） （1）螺型位錯與螺型位錯：異號位錯相互吸引，同號相互排斥 （2）刃型位錯與刃型位錯： 位于同一滑移面上的刃型位錯表現(xiàn)為異號位錯相互吸引，同號相互排斥。 處于不同滑移面上的位錯受應(yīng)力場相互作用將重新排列。（小角度晶界；多變化 過程） 運動位錯交截(位錯線垂直） 扭折、割階、固定割階 共性：產(chǎn)生位錯線彎曲段、增

12、加位錯線長度、加大位錯運動阻力。 （1）扭折：彎曲段仍在原滑移面之上，仍可隨原位錯滑移運動，并較容易消失。 （2）割階：位錯彎曲段不處于原滑移面之上，位錯屬性為刃型，產(chǎn)生后很難消失，并 可能使原位錯很難進一步運動。 （3）固定割階：由于割階刃型位錯滑移面不處于原位錯滑移面之上，不能隨原位錯滑 移運動（隨原位錯運動要發(fā)生攀移運動）。 位錯的反應(yīng) （1）幾何條件-柏氏矢量守恒 （2）能量條件-滿足熱力學(xué)定律 位錯的塞積 （1）位錯塞積條數(shù): k系數(shù)，螺型k=1，刃型k=1-；a滑移面上有效切應(yīng)力分量（a=-i)； L位錯源至障礙物距離；G剪切彈性模量b位錯柏氏矢量。 （2）影響 在障礙物前沿產(chǎn)生應(yīng)

13、力集中 后續(xù)位錯運動受阻 反作用與位錯源，使位錯源停止開動 產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起相鄰晶粒變形或產(chǎn)生裂紋2、 位錯與溶質(zhì)原子交互作用 Cottrell氣團：Cottrell闡明溶質(zhì)原子和位錯的交互作用并用以解釋低碳綱的屈服現(xiàn)象， 第一次成功地利用位錯理論解決金屬機械性能的具體問題。 Snoek氣團：BCC晶體中溶質(zhì)原子在螺型位錯周圍某些間隙位置聚集。 鈴木（Suzuki)氣團：FCC晶體中溶質(zhì)原子在擴展位錯層錯帶中的富集或貧化。3、 位錯與第二相粒子交互作用 （1）Kelly,A . Nicholson,.R.B.理論(切割機制） 滑移面上位錯運動驅(qū)動力足夠大，將導(dǎo)致可變形沉淀相顆粒產(chǎn)生變形，使位

14、錯運動 切過第二相粒子繼續(xù)運動。 產(chǎn)生條件：沉淀相具有一定塑性；粒子半徑相對較小。 強化機制：沉淀相自身強度；產(chǎn)生新的相界；基體與沉淀相滑移面錯配；可能造 成沉淀析出共格界面破壞；若沉淀相為有序結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生新的有序疇界。 （2）Orowan,E.理論(繞過機制） 滑移面上位錯運動驅(qū)動力足夠大，位錯將繞過不可變形沉淀相顆粒產(chǎn)生變形繼續(xù)運 動，并包繞第二相粒子遺留位錯環(huán)。 產(chǎn)生條件：沉淀相具有高強度；粒子半徑相對較大。 強化機制：沉淀相自身強度；增加位錯線長度；沉淀相粒子與位錯環(huán)共同作用加 大后續(xù)位錯運動阻力；包繞沉淀相粒子位錯環(huán)使顆粒間有效距離減小。8、 實際金屬晶體中的位錯全位錯：即柏氏矢量等

15、于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯。 其中恰好等于點陣矢量的位錯稱單位位錯。 不全位錯：柏氏矢量不等于點陣矢量的位錯。 層錯：晶體在某一區(qū)域晶面堆垛順序發(fā)生錯亂，屬于面缺陷。層錯能：形成層錯幾乎不產(chǎn)生點陣畸變，但其破壞了晶體排列周期性，造成附加能量 升高。金屬中產(chǎn)生層錯與層錯能有關(guān)（不銹鋼、黃銅層錯能低；鋁具有較高的層錯能） 1、肖克萊不全位錯 Shockley描繪了面心立方形成擴展位錯的過程。 肖克萊不全位錯為混合型位錯，可在滑移面上滑移。對于具有低層錯能金屬，很容 易擴展成不全位錯加層錯帶結(jié)構(gòu)。2、 弗蘭克不全位錯 插入或抽去一層密排面造成的不全位錯，即為弗蘭克不全位錯。為純?nèi)行臀诲e，其 柏氏矢量

16、為 a/3<111>，垂直于滑移面，故弗蘭克不全位錯不能滑移，只能攀移。第2章 晶態(tài)固體材料中的界面1、 晶體的表面（通常將一個相和蒸汽或真空接觸的界面稱表面。）1、表面結(jié)構(gòu) （1）表面弛豫（法向弛豫）：指表面層晶體結(jié)構(gòu)不變，但點陣常數(shù)有差異。dS>d0, 膨脹；dS<d0, 壓縮 （2）表面重構(gòu)：表面層和內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不同，主要為超結(jié)構(gòu)，晶胞的基矢呈整數(shù)倍擴大2、 表面吸附與偏析 （1）吸附：氣相中的原子或分子沾集在固體（或液體）表面。 表面發(fā)生吸附的物理原因:表面形成偶電層-部分電子解脫束縛逸出到表面形成 薄的電子云（負價）與相鄰層（正價）構(gòu)成偶電層。 物理吸附: a

17、.吸附力為分子間引力 b.吸附熱較小(接近液化熱) c.無選擇性 d.單層分子或多層分子吸附 化學(xué)吸附: a.化學(xué)鍵力 b.吸附熱較大(接近化學(xué)反應(yīng)熱) c.有選擇性 d.單層分子吸附 （2）偏析：固溶體中的原子富集在表面層3、 表面能 （1）比表面能：增加單位表面積導(dǎo)致的自由能的增量 表面能明顯高于晶界能 （2） 絕對零度下的比表面能可以由材料的摩爾升華熱估算： 一對原子鍵，鍵能為(一個鍵為2個原子共用)，晶體的配位數(shù)為，單位摩爾 的升華熱為 設(shè)一個面積為表面內(nèi)有個原子,每個原子需要拆開原子鍵的數(shù)目為, 則: 高熔點金屬具有較高的升華熱，因此高的表面能。 在較高溫度時要考慮表面熵，因熵值為正

18、，故表面吉布斯自由能低于表面內(nèi)能。（3）實際晶體表面 表面配位數(shù)的變化：固體表面原子的近鄰配位數(shù)比內(nèi)部的原子少，如面心立方 結(jié)構(gòu)原子的近鄰配位數(shù)為12。對(111)、（100）、(110) 面，每個原子的近鄰配位 數(shù)分別減少了3、4和5，即最近鄰數(shù)為9、8和7。 實際晶體總是趨向于密排原子面作為晶體表面。如果晶體表面與密排原子面不 平行，晶體表面微觀呈臺階狀。 以簡單立方晶體表面為例，臺階表面所具有的 表面能為：2、 晶界結(jié)構(gòu)（晶界：晶粒與晶粒的交界） 小角晶界：兩晶粒間的位向差小于10° 大角晶界：位向差超過10°。1、 界面的5個自由度2、 小角度晶界（通常小于2

19、76;） （1）傾轉(zhuǎn)晶界（一系列刃位錯構(gòu)成） 對稱傾轉(zhuǎn)晶界：對稱傾轉(zhuǎn)晶界可以看作是取向一致的兩個晶體相互傾轉(zhuǎn)q/2角 形成的界面。 不對稱傾轉(zhuǎn)晶界：非對稱傾轉(zhuǎn)晶界，如任意的(h k 0 )面，需要用柏氏矢量分別為 100及010的兩組平行的刃位錯來表示。 （2）扭轉(zhuǎn)晶界（螺位錯構(gòu)成） 轉(zhuǎn)軸垂直于晶界平面，即un，形成扭轉(zhuǎn)晶界。晶界兩側(cè)的原子一部分重合，另 一部分不重合形成螺位錯。整個扭轉(zhuǎn)晶界是由兩組交叉的螺位錯構(gòu)成的網(wǎng)格，一組 平行100，另一組平行于010，網(wǎng)格間距D滿足：D=b/3、 大角度晶界（晶粒之間的位向差>100 ） （1）特殊大角度晶界：特殊大角度晶界的能量比任意大角度晶界

20、低，即在某些特殊取向 角下，晶界上相鄰的點陣匹配的較好，表現(xiàn)出較低的能態(tài)。 共格界面：為最簡單的特殊大角晶界。界面的原子恰位于兩晶體的晶格結(jié)點上， 形成共格晶界。即界面處原子的陣點位置正好重合。 共格孿晶界：當(dāng)兩晶粒取向互為對稱時，形成共格孿晶界。 半共格界面：以刃位錯周期地調(diào)整補償。 高點陣重合度界面：兩晶粒之間界面處原子存在較高密度重合點陣。 （2）一般大角度晶界特點： 晶界有3-4個原子間距區(qū)域組成，其中包括大面積原子匹配很差。 原子排列松散，原子鍵被割斷或扭曲，存在彈性應(yīng)力場 界面能較高 b1/3表3、 晶界能量1、 小角度晶界的能量：是晶界上所有位錯的總能量。 對傾轉(zhuǎn)晶界，界面能是一

21、系列同號位錯產(chǎn)生的位錯應(yīng)變能。單位長度刃位錯能量為： G 剪切模量，b 柏氏矢量，泊松比，Ec 位錯中心能量，D 位錯間距。 界面能與取向角的關(guān)系：2、 大角度晶界的能量 （1）任意大角度晶界：且基本上不隨位向差而變化。G1/3表 （2）特殊大角度晶界能 共格孿晶界：是一種有孿晶關(guān)系的對稱傾轉(zhuǎn)晶界。共格原子基本處于無畸變的狀 態(tài)，共格孿晶界的能量非常低。 共格孿晶界：非共格態(tài)導(dǎo)致界面能較高。孿晶界面能對界面取向敏感。 高密度重合位置的重位晶界：能量顯著降低。4、 晶界的平衡偏析1、晶界偏析：在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處濃度偏離平均濃度。2、 偏析的自發(fā)趨勢：晶界結(jié)構(gòu)缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)

22、原子（離子）處于晶內(nèi)的能量比處在晶 界的能量高，通過偏析使系統(tǒng)能量降低。偏析的熱力學(xué)分析 （1）偏析驅(qū)動力是內(nèi)能差：設(shè)一個原子位于晶內(nèi)和晶界的內(nèi)能分別為E1和Eg ，則偏析 的驅(qū)動力為 （2）偏析阻力是組態(tài)熵(結(jié)構(gòu)熵)：溶質(zhì)原子趨向于混亂分布。晶界偏析的影響因素 （1）溶質(zhì)濃度C0 : 隨溶質(zhì)的平衡濃度增加而增加。 （2）溫度: 因E為正，故隨溫度升高C下降。溫度高TS項影響大，使偏析的趨勢下降； 但溫度過低，平衡C雖高，但受擴散限制而達不到較高的C值。 （3）內(nèi)能差E : 內(nèi)能差E 越大，偏析濃度C 越高。內(nèi)能差與溶質(zhì)和溶劑原子尺寸差 相關(guān)，也與電子因素有關(guān)。 （4）界面能變化 : 能降低界

23、面能的元素，易形成晶界偏析。5、 晶界的遷移 晶界遷移 原子跨越界面運動的結(jié)果。 典型情況：晶粒長大過程；相變過程。1、晶界遷移速度 晶界遷移速度取決于晶界兩側(cè)的化學(xué)位差和跨越晶界的原子的遷移率。2、晶界遷移的驅(qū)動力 （1）變形儲存能（變形狀態(tài)）：對于冷變形的晶體，, 即晶界遷移的 驅(qū)動力為冷變形晶體內(nèi)部的儲存能。 （2）界面能（非變形狀態(tài)） 受界面能下降驅(qū)動，實際晶體總是趨于晶界面積收縮，晶粒長大。晶界曲率作 為驅(qū)動力的條件下，晶界面總是向曲率中心的方向移動。3、晶界遷移的影響因素 （1）溫度：晶界擴散系數(shù)隨溫度升高成指數(shù)關(guān)系增加，故晶界遷移率明顯增大。 （2）雜質(zhì)或溶質(zhì)原子：發(fā)生晶界吸附或

24、偏聚時，降低遷移率，形成對晶界遷移的拖 曳作用。 （3）晶粒位向差晶界的晶粒取向差小，遷移率低。大角度晶 界具有較大的遷移率 （原子擴散系數(shù)大） （4）第二相粒子：阻礙晶界運動，晶界脫離第二相顆粒的遷移是系統(tǒng)能量提高的過 程（需生長出這段晶界），產(chǎn)生晶界遷移的阻力釘扎作用。 （5）表面熱蝕溝：長時間處于高溫狀態(tài)在金屬表面形成的熱蝕溝阻礙晶粒長大，其 對于板材更為明顯。六、相界面相界的定義：不同相之間的界面（結(jié)構(gòu)不同，成分可不相同，也可相同）點陣錯配度d <0.05時，形成共格界面； 0.05<<0.25，形成半共格界面； >0.25 時，形成非共格界面。1、共格相界面：

25、2種相的原子在界面處完全匹配，形成完整共格界面。2、半共格相界面：半共格界面上不匹配處由刃型位錯調(diào)整補償。3、非共格相界：界面上兩相原子無任何匹配關(guān)系4、復(fù)雜半共格相界面：界面處，2相的某2個晶面之間存在某種精確取向關(guān)系，其它晶面 或晶向之間非嚴(yán)格平行。引入錯配位錯和單原子結(jié)構(gòu)臺階后，可形成半共格界面。7、 界面能與顯微組織形貌1、 單相多晶體中的晶粒形狀 滿足晶界交角120°的條件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化： 大晶粒邊數(shù)多，小晶粒邊數(shù)少，曲率中心在小晶粒一側(cè)。 四叉結(jié)點會自動分解為兩個三叉結(jié)點，此分解使系統(tǒng)能量降低。 單相多晶體中的拓撲關(guān)系：N0（四晶交匯點數(shù)）+ N2（晶界面數(shù)）- N1（

26、三晶棱數(shù)） N3（晶粒數(shù)）=12、 復(fù)相組織中的第二相 第二相的位置從晶內(nèi)晶界晶棱晶角的順序，熱力學(xué)位A是遞降的。 （1）晶內(nèi)：由表面能與彈性應(yīng)變能共同決定 第二相與基體的總界面能為Aii，引起的彈性應(yīng)變能為GS ，平衡條件為：Aii+GS = 最小 二者趨向于各自的最小值。實際析體形狀取決于表面能和應(yīng)變能兩因素的強弱。 新相體積一定時：當(dāng)c/a1（球狀）彈性應(yīng)變能最大 當(dāng)c/a0（圓盤狀）彈性應(yīng)變能最小 當(dāng)c/a（針狀）彈性應(yīng)變能居中 共格和半共格析出：共格界面的匹配使應(yīng)變能最小占優(yōu)，易析出片、盤或針狀。 固溶體中各組元的原子半徑之差不超過3時，共格析出物的形狀由表面能最 小趨勢決定，故接近

27、于球狀。當(dāng)各組元的原子半徑之差超過5時，由彈性應(yīng) 變能決定，故薄片狀析出物優(yōu)先形成。 （2）晶界處：第二相()存在于基體()的晶界時，第二相在兩基體晶粒間張開的角稱二面角。平衡條件下，有如下關(guān)系： （3）晶棱與晶角上第3章 材料的變形與再結(jié)晶（1） 材料的變形1、 材料的彈性變形1、 彈性變形：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能回復(fù)到原來形狀的能力為 其彈性性質(zhì)，這種可逆變形就叫做彈性變形。 普彈性：晶格畸變 高彈性：鏈狀結(jié)構(gòu)鍵長、鍵角變化2、 材料的滯彈性 （1）對材料施加一個應(yīng)力并保持一段時間后，除產(chǎn)生瞬時應(yīng)變0外，隨時間延長 還有一個緩慢增加的應(yīng)變，稱滯彈性應(yīng)變。 （2）卸載時隨外

28、力去除0瞬時回復(fù)，滯彈性應(yīng)變隨時間延長慢慢回復(fù)，稱彈性后 效或滯彈性。 （3）彈性滯后表明加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料恢復(fù)所釋放的變形 功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗,稱之為內(nèi)耗，其大小即用彈性滯后環(huán)面積 度量。2、 單晶體的塑性變形塑性變形：當(dāng)外加應(yīng)力超過一定值（屈服極限 ）時，應(yīng)力和應(yīng)變不再呈線性關(guān)系，卸載后變形也不能完全消失，而會留下一定的殘余變形或永久變形，這種不可恢復(fù)的變形稱塑性變形。 微觀上，單晶體中的塑性變形有兩個基本方式：滑移和孿生。1、 滑移：切應(yīng)力作用下，晶體一部分相對另一部分沿特定原子面（滑移面）、原子方 向（滑移方向）產(chǎn)生超過一個原子間距的滑動。 （1）滑移現(xiàn)

29、象：滑移線; 滑移帶; 臺階 （2）滑移系：一個滑移面（通常為密排面）和此面上的一個滑移方向（通常為密排 晶向）合起來叫做一個滑移系。 在其它條件相同時，晶體中的獨立可開動滑移系愈多，滑移過程可能采取的 空間取向便愈多，滑移容易進行，它的塑性便愈好。 fcc滑移系：滑移方向<110>，滑移面111、面心立方結(jié)構(gòu)共有4×3=12個 bcc滑移系：滑移方向為<111>，可能出現(xiàn)的滑移面有110、112、123， 如果三組滑移面都能啟動，則潛在的滑移系數(shù)目為48個，bcc 滑移系數(shù)目最多，但不能同時啟動，通常塑性不如fcc金屬好。 hcp滑移系：滑移方向為<1

30、120>，滑移面為（0001）或棱柱面 1010、棱錐 面1011 ，共3個。故密排六方金屬的塑性通常都不太好。 （3）臨界分切應(yīng)力定律 滑移的臨界分切應(yīng)力：只有當(dāng)外力在某一滑移系 中的分切應(yīng)力達到一定臨界值時，該滑移系方可 以首先發(fā)生滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分 切應(yīng)力 稱為取向因子（施密特），取向因子越 大，則分切應(yīng)力越大。 當(dāng)=45º時，取向因子有最大值1/2，此時得到最大分切應(yīng)力，滑移處于最 有利的取向，也稱軟取向。 當(dāng)=00、90o時，取向因子為0，稱為硬取向。 （3）滑移面的轉(zhuǎn)動 伴隨滑移過程的進行，滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動。其趨勢時遠離應(yīng)力軟取向。 2、滑移的位錯機制

31、晶體的滑移借助位錯在滑移面上的運動逐步實現(xiàn)的 （1）位錯的啟動力 錯中心偏離平衡位置引起晶體能量增加，構(gòu)成能壘位錯運動阻力，Peierls Nabarro力 位錯寬度，a為滑移面的面間距，b為滑移方向上的原子間距 （2）多系滑移 單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利位置而優(yōu)先開動，形成單滑移。 多系滑移：由于變形時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果，有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有 利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進行，形成“雙 滑移”或“多滑移”。如果發(fā)生雙滑移或多系滑移，會出現(xiàn)交叉形的滑移帶 多滑移時兩個滑移面上的位錯產(chǎn)生相互作用，形成割階或扭折，使位錯進 一步運動的阻力增加，因此多系滑移比

32、單系滑移要困難。也可發(fā)生位錯反 應(yīng)，生成固定位錯。 （3）交滑移：螺位錯在不改變滑移方向的情況下，從一個滑移面轉(zhuǎn)到另一個滑移 面的過程。 （4）復(fù)滑移 主滑移系：外力在某一滑移系切應(yīng)力達到c ，首先啟動滑移系。 共軛滑移系：隨一次滑移進行，晶體的取向相對于加載軸發(fā)生變化，到一 定程度后，另一個等同的滑移系也能啟動，稱共軛滑移系。 3、孿生 孿生是晶體難以進行滑移時而產(chǎn)生的另外一種塑性變形方式，hcp金屬中多見。 （1）孿生變形過程：在切應(yīng)力作用下，晶體內(nèi)局部地區(qū)的某些平行晶面（如fcc 的各個（111）晶面）沿著某方向產(chǎn)生彼此相對移動距離為一定值的均勻切變。 這樣的切變并未使晶體的點陣類型發(fā)生

33、變化，但卻使均勻切變區(qū)中的晶體取 向變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對稱的取向，這一變形過程稱為孿生。 （2）變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶。 （3）均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面（即兩者的鏡面對稱面）稱為孿晶界。 孿生晶體學(xué) （1）孿生面：切變前后形狀和尺寸均未發(fā)生變化的切變區(qū)和未切變區(qū)之間的界 面（發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面）。 （2）孿生方向：孿晶面上的切變方向(孿生面的移動方向)。 （3）切變區(qū)域內(nèi)，與孿生面平行的各層晶面的相對位移是一定的。 BCC:112、< 1，1，1 > FCC:111、<1，1，2 > HCP:1，0，1，2、< 1，0，1，1&g

34、t; 孿生的特點 （1）結(jié)構(gòu)特點 a.是一部分晶體相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移 動的距離 是孿生方向上原子間距的分數(shù)倍； b.孿生與位錯運動相關(guān)； c.孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱； d.孿生是一種均勻的切變； e.孿晶浸蝕后有明顯的襯度，經(jīng)拋光與浸蝕后仍能重現(xiàn)。 （2）應(yīng)力-應(yīng)變曲線：拉伸曲線呈鋸齒狀 （3）孿生變形與晶體結(jié)構(gòu)：形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體，面心立 方晶體中很難發(fā)生孿生。 （4）對塑性的作用：孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變 了晶體位向，使新滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。 4、滑移過程的次生現(xiàn)象 滑移產(chǎn)生的不均勻塑性變形區(qū)：扭折

35、帶、形變帶3、 多晶體的塑性變形 1、多晶體塑性變形的特點 （1）多晶體塑性變形的機制仍是滑移和孿生 （2）多晶體內(nèi)部的晶界對塑變性質(zhì)影響很大 （3）多晶體變形特征： 各晶粒不能同時變形; 各晶粒的變形不均勻; 各變形晶粒相互協(xié)調(diào)。保持晶體連續(xù)變形需至少5個獨立滑移系開動。 2、多晶體變形時晶界的作用 （1）協(xié)調(diào)作用（以保證晶界變形的連續(xù)性） 硬度分布實驗；晶界附近滑移系較多 （2）阻塞作用（晶界的強度高） 位錯塞積晶界應(yīng)力集中 晶界缺陷密度高晶界應(yīng)力增加 （3）起裂作用 較大的應(yīng)力集中 雜質(zhì)和第二相的作用 缺陷較多微裂紋源 3、晶界對強度的影響 （1）單晶體的屈服強度 （2）多晶體的屈服強度

36、（霍爾-配奇公式） 4、晶粒大小對力學(xué)性能的影響 （1）多晶體的屈服強度隨晶粒細化而提高（細晶強化） 原因：粗大晶粒的晶界處塞積的位錯數(shù)目多（位錯塞積條數(shù)與位錯源到障礙物距 離相關(guān)），應(yīng)力集中大，易于啟動相鄰晶粒的位錯源，滑移傳遞（塑性 變形）容易，而使屈服強度降低。晶粒細小，晶界數(shù)量增加。晶界對于位 錯運動產(chǎn)生阻力。 （2）多晶體塑性、韌性隨晶粒細化而提高。 原因：晶粒細小，晶界處塞積的位錯數(shù)目少晶界及其它障礙物前沿應(yīng)力集中小， 這使得滑移面有利取向晶粒變形晶粒變形過程停止。不至于滑移面有利取 向晶粒大量變形、大量塞積位錯而過早萌生裂紋，導(dǎo)致材料斷裂。4、 塑變過程中位錯的交互作用 1、位錯

37、的增殖 流變應(yīng)力和位錯密度的關(guān)系：強烈變形后位錯密度會顯著增加 弗蘭克瑞德源：兩端固定的刃位錯在外力作用下的增殖機制 雙交滑移機制：為高層錯能的fcc和bcc金屬的主要位錯增殖機制 2、位錯的交割 （1）任意兩種類型的位錯相遇時，都有可能形成割階，割階必為刃形割階，其大小 與方向取決于穿過位錯的柏氏矢量。 （2）螺位錯上的割階比刃位錯上的割階運動阻力大。 增加位錯線長度；可能生成固定割階。 3、位錯的反應(yīng) （1）幾何條件-柏氏矢量守恒 （2）能量條件-滿足熱力學(xué)定律4、位錯的塞積 （1）位錯塞積條數(shù) k系數(shù)，螺型k=1，刃型k=1-；a滑移面上有效切應(yīng)力分量（a=-i)； L位錯源至障礙物距離

38、；G剪切彈性模量b位錯柏氏矢量。 （2）影響 后續(xù)位錯運動受阻 反作用與位錯源，使位錯源停止開動 產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起相鄰晶粒變形或產(chǎn)生裂紋5、 合金的塑性變形根據(jù)合金元素存在情況不同，合金可呈固溶體、中間相或多相聚合形式。1、 固溶體的塑性變形 （1）固溶強化 單相固溶體塑性變形機制與單一組元材料變形機制相同，溶質(zhì)原子在溶劑晶格 中的存在，增加了溶劑晶格的變形抗力，產(chǎn)生固溶強化。 （2）固溶強化機制 溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用（彈性交互作用、電交互作用、化學(xué)交互作用） 溶質(zhì)原子點陣畸變應(yīng)力場增加位錯運動阻力 有序強化作用 （3）影響固溶強化效果因素 溶質(zhì)原子濃度 溶質(zhì)、溶劑原子相對尺寸 溶入方式

39、及晶體類型 a.弱強化型：置換方式溶入或面心立方晶格中的間隙固溶體（G/10) b.強強化型：體心立方晶格中的間隙固溶體（幾倍G) 2、彌散分布兩相合金的塑性變形 當(dāng)?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植荚诨w相中時，將顯著產(chǎn)生強化效果。（第二 相強化、彌散強化、沉淀強化） 第二相來源 a.過飽和固溶體脫溶過程產(chǎn)生 b.粉末冶金方法獲得 （1）切過機制 產(chǎn)生條件：第二相一般與基體保持共格關(guān)系、尺寸較?。ū热缌Ｗ又睆叫?于1微米）、有一定塑性、可以變形的條件下發(fā)生。 生成新表面，增加了表面能。以共格應(yīng)變場的作用強化。 強化機制：a.沉淀相自身強度；b.產(chǎn)生新的相界c.基體與沉淀相滑移面錯配； d.可能造

40、成沉淀析出共格界面破壞；e.若沉淀相為有序結(jié)構(gòu)，將 產(chǎn)生新的有序疇界 （2）繞過機制 產(chǎn)生條件：第二相與基體無共格關(guān)系、尺寸較大（粒子直徑大于1微米）、屬 脆性硬粒子、不可變形的條件下發(fā)生。 位錯繞過所需克服阻力=Gb/L, L為粒子間距 強化機制:a.沉淀相自身強度；b.增加位錯線長度；c.沉淀相粒子與位錯環(huán)共 同作用加大后續(xù)位錯運動阻力；d.包繞沉淀相粒子位錯環(huán)使顆粒 間有效距離減小。6、 塑性變形對材料組織和性能的影響1、 冷變形金屬的組織與結(jié)構(gòu) （1）組織特點：晶粒沿變形方向被拉長，晶界甚至拉長呈纖維狀(纖維組織）；硬 質(zhì)顆粒或夾雜沿變形方向呈帶狀分布-各向異性 （2）結(jié)構(gòu)特點：缺陷（

41、空位、位錯）密度增加（可增加104數(shù)量級以上）； 位錯組態(tài)發(fā)生變化：位錯線纏結(jié)位錯胞 2、冷變形金屬的加工硬化：金屬屈服后，欲使之繼續(xù)變形必須增加應(yīng)力的現(xiàn)象。表現(xiàn) 為強度顯著提高、塑性明顯下降。 發(fā)生加工硬化時應(yīng)力-應(yīng)變經(jīng)驗關(guān)系式： n為加工硬化指數(shù)，0.1-0.5，反映加工硬化的強弱。 加工硬化的原因：位錯交互作用，位錯塞積 （1）單晶體加工硬化的三個階段 a.第一階段：易滑移階段，較小，可發(fā)生較大塑性變形。 位錯間交互作用很少，滑移距離長。 b.第二階段：線性硬化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變急劇增加，值顯著增大。 滑移線變短，分布不均勻。 機制：位錯纏結(jié)，主次滑移系間交互作用強烈，形成位錯胞。多個 滑

42、移系統(tǒng)被激活，位錯運動障礙增大，使位錯運動的自由程 縮短，變形進行困難。 c.第三階段：拋物線硬化階段，值呈減小趨勢。滑移線變成滑移帶， 且滑移帶發(fā)生碎化。螺位錯發(fā)生交滑移，使塞積位錯得以松弛，加 工硬化程度減弱。 （2）多晶體的加工硬化 a.加工硬化率明顯高于單晶體，無第一階段。 b.加工硬化率高。 原因：要使處于硬取向的滑移系啟動，必須增大外力；塑性變形過程中 各晶粒內(nèi)部運動位錯的強烈交互作用使位錯塞積嚴(yán)重，晶界處應(yīng) 力集中，硬化曲線很陡，加工硬化率高。 3、其他理化性能變化 （1）密度下降 （2）導(dǎo)電、導(dǎo)磁性下降，矯頑力升高 （3）化學(xué)活性增加，耐蝕性下降 4、形變織構(gòu) 在外加應(yīng)力的作用

43、下，各晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，結(jié)果使每個晶粒的某個取向都轉(zhuǎn)動到力 軸方向上來，形成擇優(yōu)取向。具有擇優(yōu)取向的組織稱為織構(gòu)。 （1）絲織構(gòu)（拔絲）:拉拔時各晶粒中的某一方向都趨于平行拉拔方向。用平行 于拉拔軸的晶向指數(shù)uvw表示。 （2）板織構(gòu)（軋制）：板材軋制時各晶粒中的某一指數(shù)晶面均趨于平行軋制面， 各晶粒中的某指數(shù)晶向都趨于平行軋制方向。用該晶面指數(shù)(hkl)和晶向指 數(shù)uvw來表示板織構(gòu)。 5、冷變形金屬的內(nèi)應(yīng)力和儲存能 （1）殘余內(nèi)應(yīng)力 a.宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力（第一類殘余應(yīng)力）：材料加工過程中產(chǎn)生的在物質(zhì)宏觀 體積間相互作用的力。 b.微觀殘余內(nèi)應(yīng)力（第二類殘余應(yīng)力）：在材料變形過程中，為達到變形的 協(xié)調(diào)性，作用在微觀組織間的應(yīng)力。 c.點陣畸變（第三類殘余應(yīng)力） （2）儲存能：在對材料加工時，外力所做的功有百分之幾-百分之十幾存于變形 產(chǎn)生的缺陷中，稱為變形儲存能。主要以點陣畸變形式存