材料科學基礎期末復習剖析

千里之行，始于足下讓知識帶有溫度。第第2頁/共2頁精品文檔推薦材料科學基礎期末復習剖析第六章空位與位錯

一、名詞解釋

空位平衡濃度，位錯，柏氏回路，P-N力，擴展位錯，堆垛層錯，弗蘭克-瑞德位錯源，

奧羅萬機制，科垂耳氣團，面角位錯，鈴木氣團，多邊形化

空位平衡濃度：金屬晶體中，空位是熱力學穩(wěn)定的晶體缺陷，在一定的空位下對應一定的空位濃度，通常用金屬晶體中空位總數(shù)與結點總數(shù)的比值來表示。

位錯：晶體中的一種原子羅列不規(guī)章的缺陷，它在某一個方向上的尺寸很大，另兩個方向上尺寸很小。

柏氏回路：確定柏氏族矢量的過程中圍繞位錯線作的一個閉合回路，回路的每一步均移動一個原子間距，使起點與盡頭重合。

P-N力：周期點陣中移動單個位錯時，克服位錯移動阻力所需的臨界切應力

擴展位錯：兩個不全位錯之間夾有層錯的位錯組態(tài)

堆垛層錯：密排晶體結構中整層密排面上原子發(fā)生滑移錯排而形成的一種晶體缺陷。

弗蘭克-瑞德位錯源：兩個結點被釘扎的位錯線段在外力的作用下不斷彎曲弓出后，相互鄰近的位錯線抵消后產(chǎn)生新位錯，原被釘扎錯位線段恢復到原狀，不斷重復產(chǎn)生新位錯的，這個不斷產(chǎn)生新位錯、被釘扎的位錯線即為弗蘭克-瑞德位錯源。

Orowan機制：合金相中與基體非共格的較硬其次相粒子與位錯線作用時不變形，位錯繞過粒子，在粒子周圍留下一個位錯環(huán)使材料得到強化的機制。

科垂爾氣團：圍繞刃型位錯形成的溶質(zhì)原子聚攏物，通常妨礙位錯運動，產(chǎn)生固溶強化效果。鈴木氣團：溶質(zhì)原子在層錯區(qū)偏聚，因為形成化學交互作用使金屬強度上升。

面角位錯：在fcc晶體中形成于兩個{111}面的夾角上，由三個不全位錯和兩個層錯構成的不能運動的位錯組態(tài)。

多邊形化：延續(xù)彎曲的單晶體中因為在加熱中通過位錯的滑移和攀移運動，形成邏輯的位錯壁，成為小角度傾斜晶界，單晶體因而變成多邊形的過程。

二、問答

1fcc晶體中，層錯能的凹凸對層錯的形成、擴展位錯的寬度和擴展位錯運動有何影響？層錯能對金屬材料冷、熱加工行為的影響如何？

解答：層錯能高，難于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度窄，易于發(fā)生束集，簡單發(fā)生交滑移，冷變形中線性硬化階段短，甚至被掩蓋，而拋物線硬化階段開頭早，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)恢復軟化；層錯能低則反之，易于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度較寬，難于發(fā)生束集和交滑移，冷變形中線性硬化階段顯然，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)再結晶軟化。

2.在鋁單晶體中（fcc結構），

1）位錯反應

]

10

1[

2

a

→

]

11

2[

6

a

]+

]1

2

1[

6

a

能否舉行？寫出反應后擴展位錯寬度的表

達式和式中各符號的含義；若反應前的

]

10

1[

2

a

是刃位錯，則反應后的擴展位錯能舉行何種

運動？能在哪個晶面上舉行運動？若反應前的

]

10

1[

2

a

是螺位錯，則反應后的擴展位錯能進

行何種運動？

2）若（1，1，1）面上有一位錯

]1

10

[

2

a

b=

，與）

（1

11面上的位錯

]

011

[

2

a

b=

發(fā)生

反應，如圖6－1。寫出位錯反應方程式，說明新位錯的性質(zhì)，是否可動。

3）寫出（111）與（111）兩個滑移面上兩全位錯所分解為肖克萊不全位錯的兩個反應式。

4）假如兩擴展位錯運動，當它們在兩個滑移面交線AB相遇時，兩率先不全位錯為

[]1126a和]121[6a，兩率先位錯能否發(fā)生反應，若能，求新位錯柏氏矢量；分析新形成位錯為何種類型位錯，能否自由滑移，對加工硬化有何作用。

解答：1）對于位錯反應，需要同時滿足能量條件和幾何條件，反應才干舉行。在]101[2a→]112[6a]+]121[6a中，

2

2222220222aab=++=∑）（）（前，222222321126aab=?++=∑）（）（后，22后前

bb∑>∑，滿足能量條件；同時]101[2]112112[6]101[2aabab=-+-+-=∑==∑））（）（（后前，滿足幾何條件，故反應能舉行。擴展位錯寬度πγ221）（bbGd=

，G為切彈性模量，b1、b2為不全位錯柏氏矢量，γ為層

錯能。若反應前的]101[2a是刃位錯，則反應后的擴展位錯只能在原滑移面上舉行滑移；若反應前的]101[2a是螺型位錯，反應后形成的擴展位錯可以舉行束集，與其相交面如

）（111面相交處束集，而后過渡到）（111面上舉行運動，并有可能再次分解為擴展位錯。

2）若（1，1，1）面上位錯]110[2ab=與）（111面上的位錯]011[2ab=相遇，它們之間能滿足能量條件和幾何條件，可以發(fā)生位錯反應，反應式為：]110[2]011[2]110[2aaa=+。

新位錯位于（001）面上，是純?nèi)行臀诲e，因為不在其滑移面{111}面上，為不行動位錯。

3）（111）與（111）兩個滑移面上全位錯分解為肖克萊不全位錯的兩個反應式為：

（111）晶面上：]211[6]112[6]110[2aaa+-，）（

111面上的位錯]112[6]211[6]011[2aaa+-4）假如兩擴展位錯運動分解后的兩個率先不全位錯為[]

1126a和]121[6a，兩率先位錯之

間依據(jù)能量條件和幾何條件要求，可以推斷位錯反應可以舉行。新位錯柏氏矢量為]110[6a；新形成位錯為在（001）面上刃型位錯，牽制到其它兩個不全位錯和兩個層錯均不能運動，會引起冷加工中的加工硬化。

3螺旋位錯的能量公式為

02ln4rRGbESπ=。若金屬材料亞晶尺寸為R=10-3~10-4cm，r0約為10-8cm，銅的G＝4×106N/cm2，b＝2.5×10－

8cm。

（1）試估算Es

（2）估算Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量。

解答：1）將各參數(shù)帶入公式中可以計算得到Es＝0.73~0.92Gb2；

2）Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量約為（1.725~2.3）×10－11J/cm2。

4平衡空位濃度與溫度有何關系？高溫淬火對低溫蔓延速度有何影響？

解答：平衡空位濃度

）（kTEACV-=exp，A為材料常數(shù)，k＝1.38×10－23J/K，Ev為空位形成能。，即溫度越高，空位濃度越大。高溫淬火后因為高濃度空位被保留至低溫，對低溫加熱蔓延有促進作用。

5已知Al的空位形成能為0.76eV，問從27ε升溫到627ε時空位濃度增強多少倍（取系數(shù)A=1）

5解答：平衡空位濃度

）（kTEACV-=exp，Al的空位形成能為0.76eV＝0.76×（1.602×10－19J），k＝1.38×10－23J/K，系數(shù)A=1。計算可得27ε（300K）時空位濃度C1＝1.7×10－13，627ε時空位濃度為C2＝5.54×10－5，故從27ε升溫到627ε時空位濃度增強8

1210258.3?=CC倍。

6在一個刃型位錯附近放置另一個與之平行同號的另一個刃型位錯，其位置如圖6－2所示1，2，3，問它們在滑移面上受力方向如何？

解答：兩平行同號刃型位錯之間滑移面上的受力：

2222212）（）（）（yxyxxbGbFx+--'=νπ，G為切彈性模量，

b，b'為兩刃型位錯的柏氏矢量，ν為泊松比。

故位置1位錯受斥力，位置2位錯處于亞穩(wěn)平衡，

偏離該位置則遠離或運動到與原點處位錯垂直的地方。

位置3處其次個位錯處于與原點處位錯垂直的上方，

處于穩(wěn)定態(tài)。

7、位錯對金屬材料有何影響？

解答：位錯是晶體中的缺陷，對材料有許多重要影響。

1）對變形影響。通過位錯運動完成塑性變形；

2）對性能影響，與其次相粒子，通過切過或繞過機制強化材料，冷加工中位錯密度增強也

能強化材料，或通過形成科垂爾氣團強化材料，以及位錯運動中互相交截，或形成割階、面角位錯等使材料強化；

3）對再結晶中的晶核形成機制有影響；

是優(yōu)先蔓延通道。

第七章金屬塑性變形

一名詞解釋

固溶強化，應變時效，孿生，臨界分切應力，變形織構

固溶強化：固溶體中的溶質(zhì)原子溶入基體金屬后使合金變形抗力提高，應力－應變曲線上升，塑性下降的現(xiàn)象；

應變時效：具有屈服現(xiàn)象的金屬材料在受到拉伸等變形發(fā)生屈服后，在室溫停歇或低溫加熱后重新拉伸又浮現(xiàn)屈服效應的狀況；

孿生：金屬塑性變形的重要方式。晶體在切應力作用下一部分晶體沿著一定的晶面（孿晶面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另外一部分晶體作勻稱的切變，使相鄰兩部分的晶體取向不同，以孿晶面為對稱面形成鏡像對稱，孿晶面的兩邊的晶體部分稱為孿晶。形成孿晶的過

程稱為孿生；

臨界分切應力：金屬晶體在變形中受到外力使某個滑移系啟動發(fā)生滑移的最小分切應力；變形織構：多晶體中位向不同的晶粒經(jīng)過塑性變形后晶粒取向變成大體全都，形成晶粒的擇優(yōu)取向，擇優(yōu)取向后的晶體結構稱為變形織構，織構在變形中產(chǎn)生，稱為變形織構。

二問答

1單相合金的冷塑性變形與純金屬的室溫塑性變形相比，有何特點。

簡答：純金屬變形主要借助位錯運動，通過滑移和孿生完成塑性變形，開動滑移系需要臨界切應力，晶體中還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)；單相合金的基本變形過程與純金屬的基本過程是一樣的，但會浮現(xiàn)固溶強化，開動滑移系需要臨界切應力較大，還有屈服和應變時效現(xiàn)象。

2金屬晶體塑性變形時，滑移和孿生有何主要區(qū)分？

簡答：滑移時原子移動的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍，孿生時原子移動的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍；滑移時滑移面兩邊晶體的位向不變，而孿生時孿生面兩邊的晶體位向不同，以孿晶面形成鏡像對稱；滑移時需要的臨界分切應力小，孿生開頭需要的臨界分切應力很大，孿生開頭后繼續(xù)切變時需要的切應力小，故孿生普通在滑移難于舉行時發(fā)生。

3A-B二元系中，A晶體結構是bcc，形成α固溶體，B晶體結構是fcc，形成β固溶體，A與B形成η相，其晶體結構是hcp：

1）指出α，β，η三個相的常見滑移系；

2）繪出它們單晶變形時應力-應變曲線暗示圖，試解釋典型低層錯能面心立方單晶體的加工硬化曲線，并比較與多晶體加工硬化曲線的差別。

簡答：1）α的滑移系為{110}，β相的常見滑移系為{111}，η相的常見滑移系為（0001）。2）它們單晶變形時應力-應變曲線暗示圖如圖。

典型的面心立方單晶體的加工硬化曲線可以分為三個階段。當切應力達到晶體的臨界分切應力時，其應力-應變曲線近似為直線，稱為易滑移階段，此時加工硬化率很小，滑移線瘦長，分布勻稱；隨后加工硬化率顯著增強，稱為線性硬化階段，滑移系在幾組相交的滑移系上發(fā)生，位錯彼此交截，滑移線較短；第三階段稱為拋物線硬化階段，加工硬化隨應變增強而削減，浮現(xiàn)許多碎斷滑移帶，滑移帶端部浮現(xiàn)交滑移痕跡。

多晶體加工硬化曲線普通不浮現(xiàn)易滑移的第一階段，而加工硬化率顯然高于單晶體。

4簡述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構的成因及對金屬材料性能的影響。

簡答：冷加工纖維組織是純金屬和單相合金在冷塑性變形時和變形度很大的條件下，各晶粒伸長成纖維狀；帶狀組織是復相合金在冷塑性變形和變形度大的條件下其次相被破裂或伸長，沿變形方向成帶狀分布而形成的；變形織構是金屬和合金在在冷塑性變形時晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向而形成的。

上述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構都使材料的性能具有方向性，即在各個方向上的性能不均，對使用性能有不良影響，但少數(shù)金屬材料，如用作變壓器的硅鋼片，各向異性能更好滿足使用要求。

5為什么金屬材料經(jīng)熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好。

簡答：金屬材料經(jīng)熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好的主要緣由是熱加工時的高溫、大變形量使氣泡、疏松和微裂紋得到機械焊合，提高了材料的致密性，消退了鑄造缺陷，同時改善夾雜物和脆性相的形態(tài)、大小和分布，使枝晶偏析程度削弱，合金成分勻稱性提高，熱加工中形成合理的加工流線，熱加工還可使金屬顯微組織細化，這些都可以提高金屬材料的性能。

6何為加工硬化？列出產(chǎn)生加工硬化的各種可能機制。（不必說明），加工硬化現(xiàn)象在工業(yè)上有哪些作用？

簡答：金屬材料經(jīng)冷加工后，強度增強，硬度增強，塑性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的各種可能機制有滑移面上平行位錯間的交互作用的平行位錯硬化理論，以及滑移面上位錯與別的滑移面上位錯林切割產(chǎn)生割階的林位錯強化理論。

加工硬化在實際生產(chǎn)中用來控制和轉(zhuǎn)變金屬材料的性能，特殊是對不能熱處理強化的合金和純金屬尤為重要，可以舉行熱處理強化的合金，加工硬化可以進一步提高材料的強度；加工硬化是實現(xiàn)某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也會帶來塑性降低，使變形困難的影響，還會使材料在使用過程中尺寸不穩(wěn)定，易變形，降低材料耐蝕性。

7鋁單晶體拉伸時，其力軸為[001]，一個滑移系的臨界分切應力為0.79MN/m2，取向因子

COSφCOSλ=0.41,試問有幾個滑移系可同時產(chǎn)生滑移？開動其中一個滑移系至少要施加多大的拉應力？簡答：可有8個滑移系同時產(chǎn)生滑移（可以通過計算fcc的滑移系與[001]方向的夾角得到此結果）。開動其中一個滑移系至少要施加的拉應力為)MN/m(93.141.079.0coscos2===

?λτσk9簡要說明其次相在冷塑性變形過程中的作用。

簡答：其次相在冷塑性變形過程中的作用普通是提高合金強度，但還取決于其次相的種類數(shù)量顆粒大小外形分布特點及與基體結合界面結構等，對塑性變形影響復雜。其次相強度高于基體但有一定塑性，其尺寸、含量與基體基本臨近，則合金塑性是兩相的變形能力平均值。其次相硬、脆，合金變形只在基體中舉行，其次相基本不變形；其次相勻稱、彌散分布在固溶體基體上，可以對合金產(chǎn)生顯著強化作用。

10研究織構的利弊及控制辦法。

簡答：織構由晶粒擇優(yōu)取向形成，變形織構對再結晶織構形成有主要影響，織構造成材料性能各向異性。各向異性在不憐憫況需要避開或利用?？棙嬁刂瓶梢酝ㄟ^控制合金元素的種類和含量、雜質(zhì)含量、變形工藝（如變向軋制）和退火工藝等多種因素的協(xié)作。

11講述金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化。

簡答：金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化主要有晶粒被拉長，形成纖維組織，冷變形程度很高時，位錯密度增高，形成位錯纏結和胞狀組織，發(fā)生加工硬化，，變形金屬中浮現(xiàn)殘余應力，金屬在單向塑性變形時浮現(xiàn)變形織構。

12圖7－1所示低碳鋼的三條拉伸曲線，1－塑性變形；2－去載后立刻再行加載；3－去載后時效再加載。試回答下列問題：

1）解釋圖示曲線2無屈服現(xiàn)象和曲線3的屈服現(xiàn)象。

2）屈服現(xiàn)象對金屬變形制件表面質(zhì)量有何影響，如何改善表面質(zhì)量。

簡答：1）屈服現(xiàn)象是由溶質(zhì)原子與位錯交互作用產(chǎn)憤怒團產(chǎn)生的，在外力作用下使