同濟材料科學基礎6頁

1、重點一、論述四種強化的強化機理、強化規(guī)律及強化方法。1、形變強化形變強化：隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬 化。機理：隨塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產生固定 的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而 提高金屬的強度。規(guī)律：變形程度增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據公式 =abG P1/2，可知強度與位錯密度（P）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強化效果越顯著。方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。形變強化的實際

2、意義（利與弊）：形變強化是強化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強化的材料可 以用形變強化的方法提高材料的強度，可使強度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素， 使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等；形變強化還可提高 零件或構件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現應力集中或過載現象時，使該處產生塑性變形， 因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩， 變形使強度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來困難，中間需要進行再結晶退火，增加生產成本。2、固溶強化隨溶質原子含量的增加，固溶體的強度硬度升高，塑性韌

3、性下降的現象稱為固溶強化。強化機理：一 是溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的 溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙 擴展位錯的運動。所有阻止位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。固溶強化規(guī)律：在固溶體溶解度范圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大；溶質原子 與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著；形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶 體的元素；溶質原子與溶劑原子的價電子數差越大，則強化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。3、第二相強化鋼中第二相的形態(tài)

4、主要有三種，即網狀、片狀和粒狀。網狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網狀Fe3C，降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下 降;第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。符合氣=。0+隘0-1/2的規(guī)律， S0片層間距。Gb第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，符合匚=丁的規(guī)律，入粒子A之間的平均距離。第二相的數量越多，對塑性的危害越大；片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差；沿晶界析出時，不論什么形態(tài)都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態(tài)及分布。4

5、、細晶強化細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現象稱為細晶強化。細化晶粒不但可以提高強度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強化材料的方法。機理：晶粒越細小，位錯塞集群中位錯個數（n）越小，根據T = nT 0，應力集中越小，所以材料的 強度越高。細晶強化的強化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細，根據霍爾-配奇關系式os=o0+Kd-i/2晶粒的平均直（d） 越小，材料的屈服強度（os）越高。細化晶粒的方法：結晶過程中可以通過增加過冷度，變質處理，振動及攪拌的方法增加形核率細化晶 粒。對于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒。可以通過正火、退火的熱處理方法

6、細 化晶粒；在鋼中加入強碳化物物形成元素。二、改善塑性和韌性的機理晶粒越細小，晶粒內部和晶界附近的應變度差越小，變形越均勻，因應力集中引起的開裂的機會也越 小。晶粒越細小，應力集中越小，不易產生裂紋；晶界越多，易使裂紋擴展方向發(fā)生變化，裂紋不易傳播， 所以韌性就好。提高或改善金屬材料韌性的途徑：盡量減少鋼中第二相的數量；提高基體組織的塑性；提高 組織的均勻性； 加入Ni及細化晶粒的元素； 防止雜質在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。十三、為什么晶體的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向進行？晶體滑移的實質是位錯在滑移面上運動的結果，位錯運動的點陣阻力為：2G 2nd 一 m=L7eXP 一匕、, ，位錯運

7、動的點陣阻力越小，位錯運動越容易，從公式中可以看出，dP -N 1 -vU v 鬼值越大、b值越小，位錯運動的點陣阻力越小d為晶面間距，密排面的晶面間距最大；6為柏氏矢量， 密排方向的柏氏矢量最小。所以，晶體的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向進行。十四、晶界具有哪些特性？晶界的能量較高，具有自發(fā)長大和使界面平直化，以減少晶界總面積的趨勢；原子在晶界上的擴 散速度高于晶內，熔點較低；相變時新相優(yōu)先在晶界出形核；晶界處易于發(fā)生雜質或溶質原子的富集 或偏聚；晶界易于腐蝕和氧化；常溫下晶界可以阻止位錯的運動，提高材料的強度。十五、簡述位錯與塑性、強度之間的關系。位錯：晶體中原子的排列在一定范圍內發(fā)生有規(guī)

8、律錯動的一種特殊結構組態(tài)。晶體塑性變形的方式有滑移和攣晶，多數都以滑移方式進行?；频谋举|就是位錯在滑移面上的運動， 大量位錯滑移的結果造成了晶體的宏觀塑性變形。位錯滑移的結果造成了晶體的宏觀塑性變形，使材料發(fā)生屈服，位錯越容易滑移，強度越低，因此增加位 錯移動的阻力，可以提高材料的強度。溶質原子造成晶格畸變還可以與位錯相互作用形成柯氏氣團，都增 加位錯移動的摩擦阻力，使強度提高。晶界、相界可以阻止位錯的滑移，提高材料的強度。所以細化晶粒、 第二相彌散分布可以提高強度。十七、與滑移相比攣晶有什么特點？攣晶是一部分晶體沿攣晶面對另一部分晶體做切變，切變時原子移動的距離不是攣晶方向原子間距 的整數

9、倍；攣晶面兩邊晶體的位相不同，成鏡面對稱；由于攣晶改變了晶體的取向，因此攣經晶拋光 后仍能重現；攣晶是一種均勻的切變。十九、論述間隙原子、置換原子、位錯、晶界對材料力學性能的影響。間隙原子、置換原子與位錯相互作用形成柯氏氣團，柯氏氣團增加位錯移動的阻力；溶質原子造成晶 格畸變，增加位錯移動的摩擦阻力，使強度提高，這就是固溶強化的機理。晶界越多，晶粒越細，根據 霍爾一配奇關系式Os=O0 + Kd-1/2晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強度。s越高。晶粒越細小，晶粒 內部和晶界附近的應變度差越小變形越均勻，因應力集中引起的開裂的機會也越小，塑性越好。晶粒越 細小，應力集中越小，不易產生裂紋，晶界

10、越多，易使裂紋擴展方向發(fā)生變化，裂紋不易傳播，所以韌 性就好。位錯密度越高，則位錯運動時越易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯纏結等位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑 性變形造成困難，從而提高金屬的強度。根據公式o=abGPi/2 ，位錯密度（P）越大，強化效果越顯 著。二十五、影響置換固溶體溶解度的因素有哪些？1、原子尺寸因素：尺寸差越小溶解度越大。3 / 62、負電性因素：在形成固溶體的情況下，溶解度隨負電性差的減小而增大。3、電子濃度因素：電子濃度越小，越易形成無限固溶體。4、晶體結構因素：晶格類型相同溶解度較大。二十七、固溶體與金屬化合物有何異同點？相同點：都具有金屬的特性；不同點：結構不同，固溶

11、體的結構與溶劑的相同，金屬化合物的結構不同于任一組元；鍵合方式不同，固 溶體為金屬鍵，金屬化合物為金屬鍵、共價鍵、離子鍵混合鍵；性能不同，固溶體的塑性好、強度、硬度 低，金屬化合物，硬度高、熔點高、脆性大；在材料中的作用不同固溶體多為材料的基體，金屬化合物為 強化相。三一、計算體心立與面心立方方結構滑移面的原子密度及滑移方向上的線密度。體心立方結構的滑移面為110，面密度Pa (2a -.：2a2v 2 _ 1.4a2a2滑移方向為111，線密度入2 x - +12x3a1.16面心立方結構的滑移面為111，面密度P =11x 3 + x 3/6242.3滑移方向為110，線密度入1.4142

12、a第二節(jié)固態(tài)相變的形核與長大一均勻形核（能量條件）1形核時的能量變化(1)化學自由能（體積自由能，Gv)日相變驅動力 GvT曲線 隨成分變化相變阻力(2)界面能（bSG）取決于界面結構At越大，晶核越小 （與過冷度有關）IT越小，晶核越大Sb大供格/半共格S。小非共格相變阻力(3)應變能（,V）,共格應變能:*格大，半共格比體積差卜，非共格0球狀最大體積應變能新相幾何形狀 片狀最小針狀居中2形核的能量條件AG=-VAGv+So+ V0rK=2 o/(AGv-8)AGk=16ko/3(AGv-)2二非均勻形核(能量條件)(固態(tài)相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核(依靠晶體缺陷)是主要的形核方式。

13、)1不同晶體缺陷對形核的作用能量高，降低gk結構混亂，降低E易擴散、偏析，利于擴散相變新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能母相晶粒1非共格界面母梢共格或半共格界面新相生成處位錯消失，能力釋放，提高驅動力(2)位錯形核J位錯不消失，可作為半共格界面的形成部分1易于發(fā)生偏聚，有利于成分起伏、易于擴散，有利于發(fā)生擴散型相變促進擴散(3)空位形核新相生成處空位消失，提供能量空位群可凝結成位錯(在過飽和固溶體的脫溶析出過程中，空位作用更明顯。)2非均勻形核的能力變化 G=-VAGv+So+ Ve-AGD gd-晶體缺陷導致系統(tǒng)降低的能量。三晶核的長大1長大機制 J切變長大半共格界面L臺階式長大原子直接遷移非共格界面 原子遷移至新相臺階端部2新相長大速度 I|新相生成時無成分變化(有結構、有序度變化)(1)界面控制長大，,u=8vexp(-Q/kT)1-exp(-AGv/kT)I新相生成時有成分變化擴散控制長大】u=dx/dt=(8 Cp/ax)D/(Cp-Ca)相變動力學巾=1-exp(-btn) 綜合題一：材料的結構1談談你對材料學科和材料科學的認識。2金屬鍵與其它結合鍵有何不同，如何解釋金屬的某些特性？3說明空間點陣、晶體結構、晶胞三者之間的關系。4晶向指數和晶面指數的標定有何不同？其中有何須注意的問題？5畫出