材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)

一形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化：隨變形程度的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強(qiáng)化或加工硬化。機(jī)理：隨塑性變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度不斷增加，因此位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度。規(guī)律：變形程度增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯(cuò)密度不斷增加，根據(jù)公式?σ=αbGρ1/2，可知強(qiáng)度與位錯(cuò)密度（ρ）的二分之一次方成正比，位錯(cuò)的柏氏矢量（b）越大強(qiáng)化效果越顯著。方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。形變強(qiáng)化的實(shí)際意義（利與弊）：形變強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的有效方法，對(duì)一些不能用熱處理強(qiáng)化的材料可以用形變強(qiáng)化的方法提高材料的強(qiáng)度，可使強(qiáng)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(qiáng)化還可提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或過載現(xiàn)象時(shí)，使該處產(chǎn)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(qiáng)化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩，變形使強(qiáng)度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來困難，中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火，增加生產(chǎn)成本。二固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體的強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化機(jī)理：一是溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對(duì)滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)有阻礙作用；二是位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力；三是溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)的偏聚阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。所有阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)移動(dòng)阻力的因素都可使強(qiáng)度提高。固溶強(qiáng)化規(guī)律：①在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強(qiáng)化作用越大；②溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差越大，強(qiáng)化效果越顯著；③形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素；④溶質(zhì)原子與溶劑原子的價(jià)電子數(shù)差越大，則強(qiáng)化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素三、第二相強(qiáng)化鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。①網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀Fe3C，降低的鋼機(jī)械性能，塑性、韌性急劇下降，強(qiáng)度也隨之下降；②第二相為片狀分布時(shí)，片層間距越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性也越好。符合σs=σ0＋KS0-1/2的規(guī)律，S0片層間距。③第二相為粒狀分布時(shí)，顆粒越細(xì)小，分布越均勻，合金的強(qiáng)度越高，符合λτGb=的規(guī)律，λ粒子之間的平均距離。第二相的數(shù)量越多，對(duì)塑性的危害越大；④片狀與粒狀相比，片狀強(qiáng)度高，塑性、韌性差；⑤沿晶界析出時(shí)，不論什么形態(tài)都降低晶界強(qiáng)度，使鋼的機(jī)械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯(cuò)的移動(dòng)。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。四、細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)化晶粒不但可以提高強(qiáng)度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強(qiáng)化材料的方法。機(jī)理：晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)塞集群中位錯(cuò)個(gè)數(shù)（n）越小，根據(jù)0ττn=，應(yīng)力集中越小，所以材料的強(qiáng)度越高。細(xì)晶強(qiáng)化的強(qiáng)化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細(xì)，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式σs=σ0＋Kd-1/2晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強(qiáng)度（σs）越高。細(xì)化晶粒的方法：結(jié)晶過程中可以通過增加過冷度，變質(zhì)處理，振動(dòng)及攪拌的方法增加形核率細(xì)化晶粒。對(duì)于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細(xì)化晶粒。可以通過正火、退火的熱處理方法細(xì)化晶粒；在鋼中加入強(qiáng)碳化物物形成元素。二、改善塑性和韌性的機(jī)理晶粒越細(xì)小，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度差越小，變形越均勻，因應(yīng)力集中引起的開裂的機(jī)會(huì)也越小。晶粒越細(xì)小，應(yīng)力集中越小，不易產(chǎn)生裂紋；晶界越多，易使裂紋擴(kuò)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：①盡量減少鋼中第二相的數(shù)量；②提高基體組織的塑性；③提高組織的均勻性；④加入Ni及細(xì)化晶粒的元素；⑤防止雜質(zhì)在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。五、鍛造或軋制的作用是什么？為什么鍛造或軋制的溫度選擇在高溫的奧氏體區(qū)？鍛造或軋制的作用是：把材料加工成形，通過鍛造或軋制使鑄錠中的組織缺陷得到明顯的改善，如氣泡焊合，縮松壓實(shí)，使金屬材料的致密度增加；粗大的柱狀晶變細(xì)；合金鋼中大塊狀碳化物初晶打碎并較均勻分布；使成分均勻，使材料的性能得到明顯的改善。奧氏體穩(wěn)定存在是在高溫區(qū)，溫度升高材料的強(qiáng)度、硬度下降，塑性韌性升高，有利于變形；奧氏體為面心結(jié)構(gòu)，塑性比其它結(jié)構(gòu)好，塑性好，有利于變形；奧氏體為單相組織，單相組織的強(qiáng)度低，塑性韌性好，有利于變形；變形為材料的硬化過程，變形金屬高溫下發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，消除加工硬化，即為動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，適合大變形量的變形六、影響擴(kuò)散的因素有哪些？①溫度：溫度越高，擴(kuò)散速度越大；②晶體結(jié)構(gòu)：體心結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)大于面心結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)；③固溶體類型：間隙原子的擴(kuò)散速度大于置換原子的擴(kuò)散速度；④晶體缺陷：晶體缺陷越多，原子的擴(kuò)散速度越快；⑤化學(xué)成分：有些元素可以加快原子的擴(kuò)散速度，有些可以減慢擴(kuò)散速度。七、固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件是什么？①溫度要足夠高，溫度越高原子熱振動(dòng)越激烈原子被激活而進(jìn)行遷移的幾率越大；②時(shí)間要足夠長，只有經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能造成物質(zhì)的宏觀遷移；③擴(kuò)散原子要固溶，擴(kuò)散原子能夠溶入基體晶格形成固溶體才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散；④擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力，沒有動(dòng)力擴(kuò)散無法進(jìn)行，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力為化學(xué)位梯度。八、晶界具有哪些特性？①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；②原子在晶界上的擴(kuò)散速度高于晶內(nèi)，熔點(diǎn)較低；③相變時(shí)新相優(yōu)先在晶界出形核；④晶界處易于發(fā)生雜質(zhì)或溶質(zhì)原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蝕和氧化；⑥常溫下晶界可以阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度。九、簡述位錯(cuò)與塑性、強(qiáng)度之間的關(guān)系。位錯(cuò)：晶體中原子的排列在一定范圍內(nèi)發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)動(dòng)的一種特殊結(jié)構(gòu)組態(tài)。晶體塑性變形的方式有滑移和孿晶，多數(shù)都以滑移方式進(jìn)行?；频谋举|(zhì)就是位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)，大量位錯(cuò)滑移的結(jié)果造成了晶體的宏觀塑性變形。位錯(cuò)滑移的結(jié)果造成了晶體的宏觀塑性變形，使材料發(fā)生屈服，位錯(cuò)越容易滑移，強(qiáng)度越低，因此增加位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。溶質(zhì)原子造成晶格畸變還可以與位錯(cuò)相互作用形成柯氏氣團(tuán)，都增加位錯(cuò)移動(dòng)的摩擦阻力，使強(qiáng)度提高。晶界、相界可以阻止位錯(cuò)的滑移，提高材料的強(qiáng)度。所以細(xì)化晶粒、第二相彌散分布可以提高強(qiáng)度。十、論述鋼的滲碳通常在奧氏體區(qū)（930～950℃）進(jìn)行，而且時(shí)間較長的原因。雖然碳原子在α-Fe比γ-Fe中擴(kuò)散系數(shù)大（１分），但鋼的滲碳通常在奧氏體區(qū)進(jìn)行，因?yàn)榭梢垣@得較大的滲層深度。因?yàn)椋孩俑鶕?jù)，?=RTQDDexp0，溫度（T）越高，擴(kuò)散系數(shù)（D）越大，擴(kuò)散速度越快，溫度越高原子熱振動(dòng)越激烈，原子被激活而進(jìn)行遷移的幾率越大，擴(kuò)散速度越快；②溫度高，奧氏體的溶碳能力大，1148℃時(shí)最大值可達(dá)2.11%，遠(yuǎn)比鐵素體(727℃，0.0218%)大，③鋼表面碳濃度高，濃度梯度大，擴(kuò)散速度越快；④時(shí)間要足夠長，只有經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能造成碳原子的宏觀遷移；十一、與滑移相比孿晶有什么特點(diǎn)？①孿晶是一部分晶體沿孿晶面對(duì)另一部分晶體做切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿晶方向原子間距的整數(shù)倍；②孿晶面兩邊晶體的位相不同，成鏡面對(duì)稱；③由于孿晶改變了晶體的取向，因此孿經(jīng)晶拋光后仍能重現(xiàn)；④孿晶是一種均勻的切變。十二、影響再結(jié)晶的主要因素有哪些？①再結(jié)晶退火溫度：退火溫度越高（保溫時(shí)間一定時(shí)），再結(jié)晶后的晶粒越粗大；②冷變形量：一般冷變形量越大，完成再結(jié)晶的溫度越低，變形量達(dá)到一定程度后，完成再結(jié)晶的溫度趨于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒也越細(xì)；④微量溶質(zhì)與雜質(zhì)原子，一般均起細(xì)化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再結(jié)晶，彌散分布的細(xì)小的第二相粒子不利于再結(jié)晶；⑥形變溫度，形變溫度越高，再結(jié)晶溫度越高，晶粒粗化；⑦加熱速度，加熱速度過快或過慢，都可能使再結(jié)晶溫度升高。十三、論述間隙原子、置換原子、位錯(cuò)、晶界對(duì)材料力學(xué)性能的影響。間隙原子、置換原子與位錯(cuò)相互作用形成柯氏氣團(tuán)，柯氏氣團(tuán)增加位錯(cuò)移動(dòng)的阻力；溶質(zhì)原子造成晶格畸變，增加位錯(cuò)移動(dòng)的摩擦阻力，使強(qiáng)度提高，這就是固溶強(qiáng)化的機(jī)理。晶界越多，晶粒越細(xì)，根據(jù)霍爾—配奇關(guān)系式σs=σ0＋Kd-1/2晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強(qiáng)度σs越高。晶粒越細(xì)小，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度差越小變形越均勻，因應(yīng)力集中引起的開裂的機(jī)會(huì)也越小，塑性越好。晶粒越細(xì)小，應(yīng)力集中越小，不易產(chǎn)生裂紋，晶界越多，易使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生變化，裂紋不易傳播，所以韌性就好。位錯(cuò)密度越高，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)越易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯(cuò)纏結(jié)等位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強(qiáng)度。根據(jù)公式?σ=abGρ1/2，位錯(cuò)密度（ρ）越大，強(qiáng)化效果越顯著。二十、什么是再結(jié)晶溫度？影響再結(jié)晶溫度的因素有哪些？再結(jié)晶溫度：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形(變形度在70％以上)的金屬，在約1小時(shí)的保溫時(shí)間內(nèi)能夠完成再結(jié)晶(>95％轉(zhuǎn)變量)的溫度。再結(jié)晶溫度并不是一個(gè)物理常數(shù)，這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶前后的晶格類型不變，化學(xué)成分不變，所以再結(jié)晶不是相變。影響再結(jié)晶溫度的因素：純度越高T再越低；變形度越大T再越低；加熱速度越小T再越高十四、塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會(huì)發(fā)生的一些變化：顯微組織經(jīng)過回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大三個(gè)階段由破碎的或纖維組織轉(zhuǎn)變成等軸晶粒，亞晶尺寸增大；儲(chǔ)存能降低，內(nèi)應(yīng)力松弛或被消除；各種結(jié)構(gòu)缺陷減少；強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌度提高；電阻下降，應(yīng)力腐蝕傾向顯著減小十五、什么是過冷度？為什么金屬結(jié)晶一定要有過冷度？過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱為過冷度。液態(tài)金屬結(jié)晶的過程是形核與晶核的長大過程。從熱力學(xué)的角度上看，沒有過冷度結(jié)晶就沒有趨動(dòng)力。根據(jù)Rk∝1/?T可知當(dāng)過冷度?T為零時(shí)臨界晶核半徑Rk為無窮大，臨界形核功（21TG?∝?）也為無窮大。臨界晶核半徑Rk與臨界形核功