材料結(jié)構(gòu)與性能分析

位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響位錯(cuò)是指晶體中二維尺度很小而第三維尺度較大的線型缺陷，當(dāng)實(shí)際晶體在生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)受到雜質(zhì)、溫室變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形。原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排列，從而形成線缺陷（位錯(cuò)），它是已滑動(dòng)區(qū)域與未滑動(dòng)區(qū)域之間的分界。一般位錯(cuò)的幾何形狀很復(fù)雜，最簡(jiǎn)單的兩種稱作刃位錯(cuò)及螺位錯(cuò)。由于位錯(cuò)線附近晶格畸變，因而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)，刃位上半部晶體受到壓應(yīng)力，而下半部則受到拉應(yīng)力。因此，從力學(xué)性能來看，位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響比點(diǎn)缺陷更大，對(duì)勁屬材料性能影響尤甚，可以說金屬材料各種強(qiáng)化機(jī)制幾乎都是以位鍺為基礎(chǔ)的。同時(shí)由于位錯(cuò)線附近存在著較大的應(yīng)力集中的應(yīng)力場(chǎng)而使這一區(qū)域的原子具有比其他區(qū)域的原子更高的能量，這對(duì)加速固體中的擴(kuò)散過程及許多固體反應(yīng)，諸如熱分解、光分解、固體的快速反應(yīng)、表面吸附、催化、金屬的氧化反應(yīng)以及高分子材料的固相聚合反應(yīng)等都具有很大的意義?？纱苟鷼鈭F(tuán)若位錯(cuò)帶有科垂?fàn)枤鈭F(tuán)，當(dāng)位錯(cuò)滑動(dòng)時(shí)，會(huì)改變氣團(tuán)相對(duì)于位錯(cuò)的平衡位置，從而提高了體系的彈性應(yīng)變能，所以氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)滑移有一拖曳的阻力，對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用。如果位錯(cuò)滑動(dòng)非常緩慢，氣團(tuán)能擴(kuò)散跟上，這時(shí)氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力很??；如果位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)很快，氣團(tuán)無法跟上位錯(cuò)，即位錯(cuò)擺脫氣團(tuán)，這時(shí)氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也很?。恢挥性谖诲e(cuò)中等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，位錯(cuò)才強(qiáng)迫拖著氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力最大。這群間隙原子形成的“氣團(tuán)”將位錯(cuò)線牢牢地釘扎住，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，柯氏氣團(tuán)是造成體心立方晶體的明顯屈服現(xiàn)象和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象的基本原因。在高溫下，由于間隙原子擴(kuò)散加劇，柯氏氣團(tuán)不復(fù)存在，明顯屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象也隨之消失。合金強(qiáng)化機(jī)理一固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化是合金強(qiáng)化的兩個(gè)重要途徑，可通過位錯(cuò)與溶質(zhì)原子、沉淀粒子的相互作用來了解強(qiáng)化的機(jī)理。(1)固溶強(qiáng)化金屬中加入其他元素，通過形成固溶體來提高合金的強(qiáng)度是改進(jìn)金屬強(qiáng)度的一種有效方法。固溶強(qiáng)化機(jī)制中考慮了固溶原子與位錯(cuò)之間的相互作用，這種作用可分成兩大類：位錯(cuò)釘扎和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。溶質(zhì)原子聚集在靜止位錯(cuò)附近，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，引起明顯的屈服現(xiàn)象，這種釘扎作用除包括前面講過的科垂耳氣團(tuán)、斯諾克氣團(tuán)外，還存在鈴木氣團(tuán)、靜電作用對(duì)位錯(cuò)的釘札。當(dāng)合金的層錯(cuò)能較低時(shí)，位錯(cuò)將分解成層錯(cuò)和不全位錯(cuò)。層錯(cuò)附近的結(jié)構(gòu)不同于基體，溶質(zhì)原子在層錯(cuò)、基體兩部分的濃度不同，改變了局部成分，也改變了層錯(cuò)的寬度，溶質(zhì)原子的這?種不均勻分布也阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，被稱作化學(xué)釘扎L13J，溶質(zhì)原子與層錯(cuò)的這種組態(tài)又叫做鈴木(Suzuki)氣團(tuán)。鈴木氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用小于科垂耳氣團(tuán)，但鈴木氣團(tuán)與溫度無關(guān)，因此，在高溫下，其作用更加明顯，對(duì)材料的蠕變性能有較大的影響。刃型位錯(cuò)附近產(chǎn)生品格畸變，引起費(fèi)米能的改變，導(dǎo)致電子從受壓縮區(qū)流向膨脹區(qū)，在多余半原子面方向上產(chǎn)生電偶極現(xiàn)象。電子重新分布產(chǎn)生一電勢(shì)，使電子勢(shì)能發(fā)生改變，以抵消費(fèi)米能的改變，使晶體各處的費(fèi)米能恢復(fù)一致，位錯(cuò)的電荷也達(dá)到平衡，使膨脹了的位錯(cuò)核心帶負(fù)電荷，與溶質(zhì)原子存在靜電相互作用，產(chǎn)生靜電釘扎G14）。雖然存在自由電子的屏蔽作用，但這種缺陷處的電子能量水平仍有顯著的變化。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)之間的靜電互作用能只有彈性互作用能的1/3—1/7。螺型位錯(cuò)附近也發(fā)生體積膨脹，也存在靜電釘扎。除了溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用外，溶質(zhì)原子與溶劑原子尺寸上的不同、切變模量上的差異也對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力。如果溶質(zhì)原子引起品格畸變大，對(duì)稱性差，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用大，為強(qiáng)相互作用，對(duì)位錯(cuò)線來講，相當(dāng)于溶質(zhì)原子分布較密；另一種情況與此相反，溶質(zhì)原子引起的品格畸變小，對(duì)稱較好，對(duì)位錯(cuò)線來講相當(dāng)于溶質(zhì)原子分布較疏，位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的作用為弱相互作用。按照英特一納巴羅理論c15），固溶體的臨界切應(yīng)力在強(qiáng)相互作用時(shí)，lcc《i在弱相互作用時(shí)，臨界切應(yīng)力比例于濃度的平方根，r真occl/。。莫特一納巴羅理論中，只考慮了溶質(zhì)原子大小不同引起的畸變的影響，再考慮到彈性模量不同的影響，可得到更為準(zhǔn)確的表達(dá)式山］。固溶體的強(qiáng)化是上面所討論過的各種強(qiáng)化機(jī)制的綜合結(jié)果。對(duì)不同的合金，可能某一種效應(yīng)起主導(dǎo)作用，有的合金則是多重因素強(qiáng)化的結(jié)果。如科垂耳氣團(tuán)是a-Fe低溫強(qiáng)化的主要因素，鈴木氣團(tuán)是Cu-Ni合金高溫強(qiáng)化的主要機(jī)制，而Cu—Au合金則是多重性因素作用的結(jié)果。非晶太合金的形成非品態(tài)合金：結(jié)構(gòu)和性能不同于相同成分的品態(tài)合金，也不同于絕緣的非品態(tài)材料。隨著更多非品合金的發(fā)現(xiàn)和它們各種獨(dú)特性能的揭示，非品已不僅作為合金在快速凝固中出現(xiàn)的一種亞穩(wěn)相，還成為一類重要的功能材料。非晶合金的性質(zhì)特點(diǎn)：品體是典型的有序結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)則地排列在品體點(diǎn)陣上形成對(duì)稱性；非品態(tài)與氣態(tài)、液態(tài)在結(jié)構(gòu)上同屬無序結(jié)構(gòu)，它是通過足夠快的冷卻發(fā)生液體的連續(xù)轉(zhuǎn)變，凍結(jié)成非品態(tài)固體。非品合金的強(qiáng)度比相應(yīng)的品態(tài)材料要高得多（一般高10-30倍）；如Fe80B20的斷裂強(qiáng)度達(dá)370kg/mm2,Fe72Cr8P13C4為385kg/mm2,幾乎達(dá)到品態(tài)材料的最高強(qiáng)度；影響品態(tài)材料的品界、位錯(cuò)、攣品等缺陷及相關(guān)機(jī)制不適用于非品材料；非品材料的高強(qiáng)度與試樣尺寸無關(guān)。非品合金楊氏模量與斷裂強(qiáng)度的比值一般也達(dá)到50，接近理論極大值；非品合金不僅具有很高的強(qiáng)度和硬度，與脆性的無機(jī)玻璃截然不同，還具有很好的韌性，并且在一定的受力條件下還具有較好的延性。非品態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，是溫度敏感材料。如果材料的品化溫度較低，非品態(tài)合金更不穩(wěn)定，有些甚至在室溫時(shí)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。非品具有長(zhǎng)程無序結(jié)構(gòu)，在金屬-類金屬非品合金中含有較多的類金屬元素，對(duì)電子有較強(qiáng)的散射

非品合金中沒有品界，一般也沒有沉淀相粒子等障礙對(duì)磁疇壁的釘扎，所以非品合金很容易磁化，矯頑力極低。非品材料由于其結(jié)構(gòu)上無序性，不存在磁各向異性，因而易于磁化；結(jié)構(gòu)上無位錯(cuò)、品界等缺陷，故磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度高；矯頑力低，損耗少，是理想的軟磁材料。非品中沒有品界、沉淀相相界、位錯(cuò)等容易引起局部腐蝕的部位，也不存在品態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析，所以非品合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比品態(tài)合金更均勻，具有更高的抗腐蝕性能。Ttt圖TTT圖（Time-Temperature-transformation,時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變）TTT圖通常呈C型，C曲線左側(cè)為非品態(tài)區(qū)，當(dāng)金屬或合金熔體快速冷卻只要避開C曲線的鼻尖部分邊可形成非品態(tài)。?臨界速率Rc的估算：?從圖中可以看出不同金屬或合金的臨界冷卻速率不同。影響非晶態(tài)形成的因素1合金的組分（熔點(diǎn)和非晶轉(zhuǎn)變溫度）：金屬加入合金元素后，Tm大幅度下降，Tg升高，提高了合金的非晶化能力。因此，提高非晶態(tài)轉(zhuǎn)變溫度丁&,降低熔點(diǎn)有利非品態(tài)的形成2過渡金屬-類金屬二元合金J=（Tm’-Tm）/Tm’表示混合體的熔點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際熔點(diǎn)的偏離。Tm’表示混合體的熔點(diǎn)，Tm表示共品溫度。Davies等提出，當(dāng)J>0.2時(shí)，合金可在105-107K/S的冷卻速率下形成非品。3組成元素的電負(fù)性和原子半徑的相對(duì)大小對(duì)形成非品合金影響很大。二元合金原子半徑比小于0.88時(shí)，容易形成非品合金。即電負(fù)性和原子半徑相差較大容易形成非品態(tài)合金。鐵電體和壓電體鐵電體:某些品體在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場(chǎng)方向的反向而反向，品體的這種性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的品體稱為鐵電體。舉例說明鐵電體是如何產(chǎn)生的壓電體：壓電體，又稱壓電品體，是一類十分有趣的品體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的品體就叫壓電品體。水晶（a-石英）是一種有名的壓電品體。只要材料的微觀結(jié)構(gòu)中電荷分布不對(duì)稱，都會(huì)具有壓電性.一般說來，壓電現(xiàn)象可用來變機(jī)械振動(dòng)為電振蕩，電致伸縮可用來變電振蕩為機(jī)械振動(dòng).例如，在兩塊平行金屬板之間放置石英片.再在金屬板上加交變電壓，而且使交變電壓的頻率與石英片的固有頻率相等，石英片將發(fā)生機(jī)械共振，利用壓電石英可獲得超聲波.在無線電技術(shù)上，壓電石英可制成在無線電技術(shù)上，壓電石英可制成穩(wěn)定性很高的高頻振蕩器，可作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)（石英鐘）及選擇性靈敏的濾波器.準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)＞準(zhǔn)品體是具有兩個(gè)或更多個(gè)不可公約的長(zhǎng)度標(biāo)量的固態(tài)凝聚體；＞準(zhǔn)品體具有一般品體所沒有的對(duì)稱性，通過確定不可公約長(zhǎng)度比，可以定義某種結(jié)構(gòu)準(zhǔn)品體結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)程準(zhǔn)周期有序和長(zhǎng)程取向有序的特征。＞衍射圖具有類似布拉格衍射的斑點(diǎn)。非晶和金非品體與品體都是由氣態(tài)、液態(tài)凝結(jié)而成的固體，由于冷卻速率不同，造成結(jié)構(gòu)的迥然不同。品體是典型的有序結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)則地排列在品體點(diǎn)陣上形成對(duì)稱性；非品態(tài)與氣態(tài)、液態(tài)在結(jié)構(gòu)上同屬無序結(jié)構(gòu)，它是通過足夠快的冷卻發(fā)生液體的連續(xù)轉(zhuǎn)變，凍結(jié)成非品態(tài)固體。液體分子很易滑動(dòng)，粘滯系數(shù)很小；非品固體分子是不能滑動(dòng)的，粘滯系數(shù)約為液體的1014倍，它具有很大的剛性與固定形狀。液體原子隨機(jī)排列，除局部結(jié)構(gòu)起伏外，幾乎是完全無序混亂；非品排列無序并不是完全混亂，而是破壞了長(zhǎng)程有序的周期性和平移對(duì)稱性，形成一種有缺陷的、不完整的有序，即最近鄰或局域短程有序（在小于幾個(gè)原子間距的區(qū)間內(nèi)保持著位形和組分的某些有序特征）。晶體結(jié)構(gòu)特征品體以其內(nèi)部原子、離子、分子在空間作三維周期性的規(guī)則排列為其最基本的結(jié)構(gòu)特征。各項(xiàng)異:性晶體由于具有按照一定幾何規(guī)律排列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，空間不同方向上原子排列的特征不同，如原子間距及周圍環(huán)境，因而在一般情況下，單晶體的許多宏觀物理量（如彈性模量、電阻率、熱膨脹悉數(shù)、折射率、強(qiáng)度及外表面化學(xué)性質(zhì)等）的大小是隨測(cè)試方向的不同而改變的，這個(gè)性質(zhì)稱