材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)(中文翻譯要義版)

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering

Chapterone弓|言

LearningObjectives

1.列出決定材料應(yīng)用的六種不同性能

Mechanicalproperties力學(xué)性能Electricalproperties電性能Thermalbehavior

熱性能Magneticproperties磁性能Opticalproperties光性能Deteriorative

characteristics老化特性

2.說明涉及材料設(shè)計，生產(chǎn)和利用的四個因素，并簡要說明它們之間的相互關(guān)系

Processing加工過程一〉Structure組織結(jié)構(gòu)一〉Properties性能(性質(zhì))一〉

Performance使用性能

結(jié)構(gòu)依賴于加工。性質(zhì)決定使用性能。因此它們之間關(guān)系是線性的。

3.舉出在材料的甄選過程三個標(biāo)準(zhǔn)

A考慮材料的使用條件B考慮材料使用過程的老化C優(yōu)先考慮材料的經(jīng)濟(jì)性

4.(a)列出三類主要的固體材料，并說明它們化學(xué)特點(diǎn)

metal金屬具特有光澤而不透明(對可見光強(qiáng)烈反射的結(jié)果)，富有展性、延性

及導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性的這一類物質(zhì)。

ceramic陶瓷各種無機(jī)非金屬固體材料

polymer聚合物由千百個原子彼此以共價鍵結(jié)合形成相對分子質(zhì)量特別大、具

有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物。

(b)寫出其他三種材料，并說明它們特點(diǎn)

Composites復(fù)合材料是以一種材料為基體(Matrix),另一種材料為增強(qiáng)體

(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同

效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材

料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及

其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主

要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、

金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特

點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)

度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自

潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。

Semiconductors半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)

體。半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電的電

子材料，其電導(dǎo)率在10(U-3)?10(U-9)歐姆/厘米范圍內(nèi)。半導(dǎo)體材料的

電學(xué)性質(zhì)對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入

少量雜質(zhì)可以控制這類材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制

造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。

Biomaterials生物材料生物材料是指以醫(yī)療為目的，用于和機(jī)體組織接觸，以形

成功能的無生命的材料。生物材料的種類很多。一般可分為天然材料和人工材

料兩大類。人工材料又可分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料以

及它們的復(fù)合材料

Chaptertwo原子結(jié)構(gòu)及原子間作用力

LearningObjectives

1.了解所學(xué)的兩種原子模型，并能區(qū)別其不同。

玻爾模型1913年,年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時最新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)

(普朗克黑體輻射和量子概念、愛因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等)的

基礎(chǔ)上建立了氫原子核外電子運(yùn)動模型，提出了原子結(jié)構(gòu)理論上的三點(diǎn)假設(shè)(1)

任意軌道上繞核運(yùn)動，而是在一些符合一定量子化條件的軌道上運(yùn)動；(2)電

子軌離核越遠(yuǎn)，原子所含的能量越高，電子盡可能處在離核最近的軌道上；(3)

只有電子從較高能級躍遷到較低能級時，原子才會以光子形式釋放能量。玻而

爾理論解釋了原子發(fā)光現(xiàn)象但無法解釋精細(xì)結(jié)構(gòu)和多原子、分子或固體的光譜,

存在局限性。

量子力學(xué)模型量子力學(xué)是建立在微觀世界的量子性和微粒運(yùn)動統(tǒng)計性基

本特征上，在量子力學(xué)處理氫原子核外電子的理論模型中，最基本的方程叫做

薛定謂方程，是由奧地利科學(xué)家薛定娉(E.Schrodinger1887-1961)在1926年

提出來的。薛定謂方程是一個二階偏微分方程，它的自變量是核外電子的坐標(biāo),

它的因變量是電子波的振幅(W)。給定電子在符合原子核外穩(wěn)定存在的必要、

合理的條件時，薛定娉方程得到的每一個解就是核外電子的一個定態(tài)，它具有

一定的能量，具有一個電子波的振幅隨坐標(biāo)改變的的函數(shù)關(guān)系式W=f(x,y,z),稱

為振幅方程或波動方程。

2.能夠描述有關(guān)電子能量的量子力學(xué)法則。

能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund規(guī)則。

4.(a)能夠簡單描述離子鍵，共價鍵，金屬鍵，氫鍵和范德華鍵。

(b)能夠列出以這些化學(xué)鍵結(jié)合的典型物質(zhì)。

離子鍵：原子之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成正、負(fù)離子，并通過靜電作用而形

成的化學(xué)鍵。離子鍵的本質(zhì)是靜電作用，無方向性、無飽和性。離子鍵程度與

元素的電負(fù)性有關(guān)。

共價鍵：不同原子依靠共享電子，或原子軌道的最大重疊而結(jié)合形成的化

學(xué)鍵為共價鍵。共價鍵的本質(zhì)是電性的，是兩原子核對共用電子對或原子軌道

重疊所形成負(fù)電區(qū)域的吸引力，不是正負(fù)離子間的靜電力。共價鍵有方向性和

飽和性。

金屬鍵：在固態(tài)或液態(tài)金屬中，價電子可以自由地在不同原子間移動，使

其成為多個原子所共有，這些共用電子將許多原子粘合在一起的作用，被稱為

氫鍵：分子中帶正電的氫原子與另一分子中含有的孤對電子靠近并產(chǎn)生的

吸引力為氫鍵。氫鍵形成的條件是必須在分子中存在電負(fù)性很強(qiáng)的元素使氫原

子具有強(qiáng)極性，同時，分子中帶有孤對電子，電負(fù)性大和半徑小的元素所構(gòu)成。

氫鍵具有方向性和飽和性。

范德華鍵：由分子的取向力、誘導(dǎo)力和色散力導(dǎo)致分子間的作用力稱為Van

derwaals鍵。

Chapterthree金屬和陶瓷的結(jié)構(gòu)(三種典型晶體結(jié)構(gòu)、晶面、晶向)重點(diǎn)！

重點(diǎn)為第三章。特別是三種常見的晶體結(jié)構(gòu)以及晶面和晶向及其指數(shù)。

LearningObjectives

1.描述晶體與非晶體在原子核分子結(jié)構(gòu)上的不同

晶體：是原子、離子或分子按照一定的空間結(jié)構(gòu)排列所組成的固體，其質(zhì)點(diǎn)在

空間的分布具有周期性和對稱性。

非晶體：是指原子在空間的排布沒有長程有序的固體

2.畫出面心立方（FCCface-centeredcubic）,體心立方（BCCbody-centered

cubic),密排六方(HCPhexagonalclose-packed)晶體結(jié)構(gòu)的晶胞

3.推算面心立方FCC和體心立方BCC晶胞的邊長a與原子半徑R之間的關(guān)系

FCC:a=2R叵BCC：4R

百

4.已知晶胞尺寸，計算面心立方FCC和體心立方BCC結(jié)構(gòu)金屬的密度

__nA__4A_nA_nA

0=砒=西外"=證=（2以）3.臉=初=*玲3NA

5.草繪并描述各種晶體結(jié)構(gòu)的晶胞，如sodiumchlorideNaCl,cesiumchloride

CsCI,zincblendeZnS,diamondcubic金剛石立方，fluoriteCaF,andperovskite

鈣鈦礦CaTiOs。類似的還有C和硅酸玻璃原子結(jié)構(gòu)

sodiumcesiumblendeZnSdiamondcubic金fluoriteCaF,

chlorideNaClchlorideCsCl剛石立方

硅酸玻璃原子結(jié)構(gòu)perovskite鈣鈦C（graphite石

礦墨）

6.已知陶瓷復(fù)合材料的化學(xué)式，組成離子及離子半徑，確定其晶體結(jié)構(gòu)

CoordinationCation-AniaiCoordination

由陽離子和陰離子的半徑比RC/RA對比上表確定其配位數(shù)CN,再確定其晶體結(jié)

構(gòu)

7.已知晶向指數(shù)，在晶胞中標(biāo)出其晶向

8.具體說明密勒指數(shù)（晶面指數(shù)）并在晶胞中標(biāo)出

9.描述面心立方(FCC)密排六方(HCP)密排面的堆聚方式，類似通過陰離

子的密排面描述NaQ的晶體結(jié)構(gòu)

面心立方(FCC)：ABCABCABC密排六方(HCP)：ABABAB

10.區(qū)別單晶和多晶材料

單晶：整體內(nèi)原子排布呈在周期性和對稱性，沒有錯排的晶體

多晶：如果材料內(nèi)部有許多晶粒，則為多晶，每個晶粒的大小和形狀不同，而且

取向也是凌亂的，沒有明顯的外形，也不表現(xiàn)各向異性

11.考慮材料的特性，定義各向同性和各向異性

各向同性：指物體的物理、化學(xué)等方面的性質(zhì)不會因方向的不同而有所變化的

特性，即某一物體在不同的方向所測得的性能數(shù)值完全相同

各向異性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此

導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各向異性。晶體的

各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、

電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。各向異性

作為晶體的一個重要特性具有相當(dāng)重要的研究價值。常用密勒指數(shù)來標(biāo)志晶體

的不同取向。

Chapterfour高分子結(jié)構(gòu)(基本概念)

LearningObjectives

1、根據(jù)聚合物的鏈的結(jié)構(gòu)能夠描述典型的聚合物分子，以及由重復(fù)的鏈節(jié)產(chǎn)生

怎樣的分子。

2、畫出polyethylenePE聚乙烯，polyvinylchloridePVC聚氯乙烯,

polytetrafluoroethylenePTFE聚四氟乙烯，polypropylenePP聚丙烯，and

polystyrenePS聚苯乙烯和它們的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)。

個聚合物的鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)如下：

——C——C——

一C—c―

HC1

PE聚乙烯PVC聚氯乙烯PTFE聚四氟乙烯

門

H3H3

PP聚丙烯PS聚苯乙烯

4、命名和簡要說明(a)聚合物四種通常的分子結(jié)構(gòu)

LinearPolymers:線西合

BranchedPolymers:;

CrosslinkedPolymers:

NetworkPolymers:愀

5、敘述熱艇和熱重

臂翳:冷卻時變硬。

夠

檔整遁糊覷翻那需屋矍物朝祚用固化或硬

6、簡要描述聚合物材料的晶體結(jié)構(gòu)

聚合物鏈呈排列有序就會結(jié)晶，但還是存在很多的非晶態(tài)，晶態(tài)中包含一定的

非晶態(tài)

Chapterfive固體缺陷

Learningobjectives

1.描述空位和自空隙原子晶體缺陷。

翳胃器虛普:謫盥辭:子彈覆篇嚼番或帶命子或離子。

2.已知相關(guān)的常數(shù)，計算具體溫度下材料中的平衡空位數(shù)。

N,=Nexp(-爭N=

6.對于刃型位錯、螺型位錯和混合位錯：（a）描述并且畫出每一種位錯；（b）

標(biāo)出位錯線的位置；⑹標(biāo)明位錯線的延伸方向。

II

E膏dg解ed僦islo原cat子ion:I

于日知狙芯。力生似于日U'J大里坐

|disl|oca?tio!n:麟皤牌ii￥

J柏氏矢量平彳

Mixeddislocation:解含有刃型分量和螺型分量的位錯。位錯延伸

方向?qū)懫蓱c英量眈

7.描述（a）晶界（b）攣晶界附近區(qū)域內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)。

Grainboundary:晶界把兩個相鄰具有不同晶體學(xué)取向的晶粒分離開的界面。

TwinGrain：李晶是指兩個晶體或一個晶體的兩部分都沿一個公共晶面構(gòu)成鏡

面對稱的位向關(guān)系的晶體

Importanttermsandconcepts

Alloy（合金）：（由兩種及以上元素組成的金屬材料）。

Stoichiometry（正常價化合物）：（在離子化合物中，正、負(fù)離子的比例嚴(yán)格遵

守化學(xué)公式定義的化合價關(guān)系）。

Imperfection（缺陷，不完整性）：（對完美性的偏離，在材料科學(xué)領(lǐng)域中通常指

晶體材料中原子/分子在排列順序/連續(xù)性上的偏離）。

Pointdefect（點(diǎn)缺陷）：（一種僅波及一個或數(shù)個原子的晶體缺陷）。

Vacancy（空位）：（一個缺失原子或離子的晶格節(jié)點(diǎn)位置）。

Vacancydiffusion（空位擴(kuò)散）：（一種擴(kuò)散機(jī)制，此時原子的凈遷移是從晶格節(jié)

點(diǎn)位置遷移到相近的空位中）。

Self-interstitial（自間隙原子）：（處于自身晶格間隙中的原子或離子）。

Schottkydefect（肖脫基缺陷）：（在離子晶體中的一種缺陷結(jié)構(gòu)，它是由一個陽

離子空位和一個陰離子空位組成的空位對）。

Substitutionalsolidsolution（置換固溶體）：（溶質(zhì)原子取代或代替溶劑原子而

形成的固溶體）。

Interstitialdiffusion（間隙擴(kuò)散）：（一種擴(kuò)散機(jī)制，此時原子的運(yùn)動是從晶格間

隙位置遷移到另一個相近的間隙位置）。

Interstitialsolidsolution（間隙固溶體）：（相對尺寸較小的溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑或

晶格原子之間間隙位置所形成的固溶體）。

Solidsolution（固溶體）：包含兩種或兩種以上元素的均勻單相。固溶體可以以

置換固溶體或間隙固溶體的形式存在。

Solid-solutionstrengthening（固溶體強(qiáng)化）：由于形成固溶體的合金化過程引起

的金屬硬化和強(qiáng)化，其機(jī)制是異類原子的存在限制了位錯的可動性。

Solutionheattreatment（固溶處理，均勻化退火）：讓沉淀物融解而形成固溶體

的熱處理過程。通常情況下，從固溶處理溫度下快速冷卻，形成室溫下亞穩(wěn)態(tài)

過飽和固溶體。

Burgersvector（B）（柏氏矢量）：表示位錯引起晶格畸變程度和方向的矢量。

Defectstructure（缺陷結(jié)構(gòu)，缺陷組態(tài)）：（在陶瓷化合物中，與空位、間隙原

子的類型和偏聚有關(guān)的缺陷組態(tài)）。

Dislocation（位錯）：（晶體材料中的線狀缺陷，在其附近，原子發(fā)生錯排）。在

外加切應(yīng)力作用下位錯的運(yùn)動可以導(dǎo)致晶體材料的塑性變形?？赡艽嬖诘奈诲e

類型有刃型位錯、螺型位錯和混合型位錯。

Screwdislocation（螺型位錯）：一種一維線型晶體缺陷，形態(tài)上可是描述為當(dāng)

相互平行的相鄰晶面之間依次錯粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心線區(qū)域所

形成的原子錯排組態(tài)。螺型位錯的柏氏矢量平行與其位錯線。

Mixeddislocation.混合位錯同時含有刃型分量和螺型分量的位錯。

Dislocationdensity（位錯密度）：（在單位體積材料中包含位錯的長度，或者說

在材料內(nèi)部任意單位截面上位錯線的根數(shù)）O

Dislocationline（位錯線）：（刃型位錯中多余半原子面邊緣的連線，或者螺型位

錯中錯排螺旋的中心軸線）。

Edgedislocation（刃型位錯）：一種一維線型晶體缺陷，形態(tài)上可是描述為晶體

中存在的多余半原子面的末端附近區(qū)域所形成的原子錯排組態(tài)。刃型位錯的柏

氏矢量垂直與其位錯線。

Frenkeldefect（弗侖克爾缺陷）在離子固體中的陽離子-空位對和陽離子-間隙原

子對。

Grain（晶粒）：金屬或陶瓷多晶體中的一個單獨(dú)的小晶體。

Grainboundary（晶界）：把兩個相鄰具有不同晶體學(xué)取向的晶粒分離開的界面。

Graingrowth（晶粒長大）：在多晶體材料中晶粒平均尺寸的增加，對大多數(shù)

材料來說，這需要在一定溫度下進(jìn)行熱處理。

Microstructure（顯微組織）：在顯微鏡下觀察到的某合金的結(jié)構(gòu)特征（例如：晶

粒和相的組織結(jié)構(gòu)特征）。

Photomicrograph（顯微組織照片）：在顯微鏡下拍攝，記錄顯微組織結(jié)構(gòu)形態(tài)的

照片。

QuestionsandProblems

5.9ForbothFCCandBCCcrystalstructures,therearetwodifferenttypesof

interstitialsites.Ineachcase,onesiteislargerthantheother,whichsiteis

normallyoccupiedbyimpurityatoms.ForFCC,thislargeroneislocatedatthe

centerofeachedgeoftheunitcell;itistermedanoctahedralinterstitialsite.On

theotherhand,withBCCthelargersitetypeisfoundat0,1/2,1/4

positions—thatis,lyingon{100}faces,andsituatedmidwaybetweentwo

unitcelledgesonthisfaceandone-quarterofthedistancebetweentheothertwo

unitcelledges;itistermedatetrahedralinterstitialsite.ForbothFCCandBCC

crystalstructures,computetheradiusrofanimpurityatomthatwilljustfitinto

oneofthesesitesintermsoftheatomicradiusRofthehostatom.FCC八面體

間隙r=0.41RBCCI四面體間隙r=0.29R

解：FCC:a=2R42=(6—l)R=0.41R

22

BCC:"善r=Ji"?+-R=警-R=(*-1)R=0.29R

5.29CitetherelativeBurgersvector-dislocationlineorientationsforedge,screw,

andmixeddislocations.

羸醯褊蠹位錯線。

n

5.D1*Aluminum-lithiumalloyshavebeendevelopedbytheaircraftindustryinorder

toreducetheweightandimprovetheperformanceofitsaircraft.Acommercial

aircraftskinmaterialhavingadensityof2.55g/cm,isdesired.Computethe

concentrationofLi(inwt%)thatisrequired.

33

PA)=2.702g/cm,PLi=0.534g/cm

Chaptersix擴(kuò)散

Learningobjectives

1.說出并描述兩種原子擴(kuò)散機(jī)制。

Vacancydiffusion:空位擴(kuò)散一種擴(kuò)散機(jī)制，這時候原子的凈遷移過程是從晶

格結(jié)點(diǎn)位置移動到鄰近的空位中。

Interstitialdiffusion:間隙擴(kuò)散晶體擴(kuò)散機(jī)制的一種。間隙原子由一個間隙位

置遷移至鄰近的間隙位置所構(gòu)成的擴(kuò)散。

2.區(qū)別恒穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非恒穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。

Steady-statediffusion:恒穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散組元既沒有凈堆積也沒有凈虧空的擴(kuò)

散過程是穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。也可以描述為：擴(kuò)散通量與時間無關(guān)的擴(kuò)散過程是穩(wěn)定

態(tài)擴(kuò)散。

Nonsteady-statediffusion:非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散組元存在凈堆積或凈

虧空的擴(kuò)散過程是非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。也可以描述為：擴(kuò)散通量與時間有關(guān)的擴(kuò)散

過程是非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。

Self-diffusion:自擴(kuò)散純金屬中的原子遷移過程。

3.(a)用方程的形式寫出菲克第一定律和第二定律，并解釋所有的參數(shù)。

(b)指出每個方程通常用在什么類型的擴(kuò)散中。

菲克第一定律/=仁恒穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

ax

菲克第二定律圖建)如果擴(kuò)散系數(shù)不受成分影響，則尊=。駕非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)

dtdxoxdtdx

散

4.向半無限長固體中擴(kuò)散，并且固體表面擴(kuò)散原子的濃度保持不變，寫出這種

情況下，菲克第二定律的解法。

J-C。=l-erf(―^=)，°匚4=Constant,—Constant

Cs-C02JDtCs-Co2JDt

5.已知擴(kuò)散常數(shù)的近似值，計算一些材料在給定溫度下的擴(kuò)散系數(shù)。

O=O°exp(—金

Importanttermsandconcepts

Diffusion擴(kuò)散Steady-statediffusion穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散

Diffusionflux(J)擴(kuò)散通量Nonsteady-statediffusion非穩(wěn)定態(tài)

擴(kuò)散

Diffusioncoeflicient(D)擴(kuò)散系Self-diffusion自擴(kuò)散

數(shù)

Ficksfirstlaw菲克第一定律InterstitialdiflTusion間隙擴(kuò)散

Fickssecondlaw菲克第二定律Vacancydiffusion空位擴(kuò)散

Activationenergy(Q)激活能，QCarburizing滲碳

Interdiffusion,impuritydiffusion互擴(kuò)散

Diffusion:擴(kuò)散固體中原子，或分子等，通過熱運(yùn)動而發(fā)生長程遷移，或宏觀

物質(zhì)傳輸現(xiàn)象。

這里所談的原子遷移，在是指固體中原子脫離它原來的平衡位置躍遷到另一平

衡位置的位移。從產(chǎn)生擴(kuò)散的原因來看，原子的遷移主要分為兩大類，一類稱

為化學(xué)擴(kuò)散，它是由于擴(kuò)散物質(zhì)在固體中分布不均勻、在化學(xué)濃度梯度的推動

下產(chǎn)生的擴(kuò)散；另一類稱為自擴(kuò)散，它是在沒有化學(xué)濃度梯度情況下，僅僅由

于熱振動而產(chǎn)生的擴(kuò)散。自擴(kuò)散現(xiàn)象只有采用放射性同位素技術(shù)才能察覺。此

外，還有應(yīng)力場、熱場和電場等所引起的擴(kuò)散。

Diffusionflux(J):擴(kuò)散通量單位時間內(nèi)通過一個垂直與擴(kuò)散方向上單位橫截

面積內(nèi)的通過物質(zhì)量。

Diffusioncoefficient(D):擴(kuò)散系數(shù)Fick第一定律中，擴(kuò)散通量和濃度梯度之間

的比例系數(shù)。其量級表示了原子擴(kuò)散的速度。

Fick^sfirstlaw:菲克第一定律，擴(kuò)散第一定律擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比例。

這種關(guān)系被用于描述穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。

Fick,ssecondlaw:菲克第二定律，擴(kuò)散第二定律濃度對時間的變化率成正與

濃度對距離的二階導(dǎo)數(shù)。這種關(guān)系被用于描述非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。

Steady-statediffusion:穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散組元既沒有凈堆積也沒有凈虧空的擴(kuò)

散過程是穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。也可以描述為：擴(kuò)散通量與時間無關(guān)的擴(kuò)散過程是穩(wěn)定

態(tài)擴(kuò)散。

Nonsteady-statediffusion:非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散組元存在凈堆積或

凈虧空的擴(kuò)散過程是非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。也可以描述為：擴(kuò)散通量與時間有關(guān)的擴(kuò)

散過程是非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。

Self-diffusion:自擴(kuò)散純金屬中的原子遷移過程。

Interstitialdiffusion:間隙擴(kuò)散晶體擴(kuò)散機(jī)制的一種。間隙原子由一個間隙位

置遷移至鄰近的間隙位置所構(gòu)成的擴(kuò)散。

Vacancydiffusion:空位擴(kuò)散一種擴(kuò)散機(jī)制，這時候原子的凈遷移過程是從晶

格結(jié)點(diǎn)位置移動到鄰近的空位中。

Activationenergy(Q):激活能，Q開動某一反應(yīng)或過程，例如擴(kuò)散過程，所需

要的能量。

Carburizing:滲碳從周圍環(huán)境中向鐵基合金表面擴(kuò)散碳，從而使其表面碳濃度

提高的工藝過程。

Interdiffusion,impuritydiffusion:互擴(kuò)散一種金屬中的原子向另一種金屬中

的擴(kuò)散叫互擴(kuò)散，又稱為雜質(zhì)擴(kuò)散。

QuestionsandProblems

6.5(a)explaintheconceptofadrivingforce.

(b)Whatisthedrivingforceforsteadystatediffusion?

驅(qū)動力：

6.18Atwhattemperaturewillthediffusioncoefficientforthediffusionofcopperin

nickelhaveavalueof6.5X1017m2/s?UsethediffusiondatainTable6.2

T=1152K(879℃)

52

解：由表6.2知：D0=2.7XIO_m/sQd=256kJ/mol

由公式￡>=Z)oexp(-*)得：

(879℃)

6.D3Thewearresistanceofasteelshaftistobeimprovedbyhardeningitssurface.

Thisistobeaccomplishedbyincreasingthenitrogencontentwithinanouter

surfacelayerasaresultofnitrogendiffusionintothesteel.Thenitrogenistobe

suppliedfromanexternalnitrogen-richgasatanelevatedandconstant

temperature.Theinitialnitrogencontentofthesteelis0.002wt%,whereasthe

surfaceconcentrationistobemaintainedat0.50wt%.Inorderforthistreatment

tobeeffective,anitrogencontentof0.10wt%mustbeestablishedataposition

0.40mmbelowthesurface.Specifyappropriateheattreatmentsintermsof

temperatureandtimefortemperaturesbetween475℃and625℃.The

preexponentialandactivationenergyforthediffusionofnitrogeninironare3X

10-7m2/sand76,150J/mol,respectively,overthistemperaturerange.

又()72

解：Co=O.OO2wt%ND=3XIOm/s

Cs=0.50wt%NQd=76,150J/mol

。4.7986X10-8

Cx=0.10wt%NDt=Dexp(-

C-C0.10-0.002,x、

—t---o=------=1-erf(—m2

C,-Co0.50-0.00224Dt

76150//，〃。/、/、

x3xIO,m?/s=exp(---------------------------)(0

0.8032=e/f(；=)(831J/molK)xT

2J9

=4.7986XI0-8m2

zerf(z)0.1600

9163.7

0.900.7970exp(-)

z0.8032t

T(V)

0.950.8209sh

Z-0.900.8032-0.79703338

-

0.95-0.900.8209-0.79704759.27

X6

z=0.9130=^^

2^Dt

1550

x=0.40mm=4.0X10-4m5254.31

0

4.0x10

=0.9130

2V5757578772.19

Dt=4.7986X10-8m262543171.20

這

7Chapterseven機(jī)械性能

Learningobjectives

1.定義工程應(yīng)力與工程應(yīng)變。

Engineeringstrain:工程應(yīng)變工程應(yīng)變8由方程￡=（li-10）/10=A1/10定義，這里

10是樣品加載前的初始長度，li是加載瞬間的長度，有時li-10也用A1來表示，

即代表與初始長度相比較，某一時刻樣品形變的延長率或長度的變化。工程應(yīng)

變是沒有單位的。

Engineeringstress:工程應(yīng)力工程應(yīng)力o的定義為o=F/A（）,這里F是加載在垂

直樣品橫截面的瞬間載荷，單位為牛頓，A。是加載前樣品的初始橫截面積（單

位n?）,工程應(yīng)力單位為MPa。

4.已知工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，確定（a）彈性模量；（b）屈服強(qiáng)度（殘余應(yīng)變

0.002時；（c）拉伸強(qiáng)度；（d）估算延伸百分比。

（a）彈性模量E=o/￡（b）屈服強(qiáng)度TSo

（c）拉伸強(qiáng)度TS（d）估算延伸百分比￡=紐

5.對于一個延性柱體樣品的拉伸形變，描述樣品直至斷裂的剖面的變化過程。

（彈性階段一屈服階段一強(qiáng)化階段一局部變形階段）先彈性變形后塑性變形，

最后拉斷

6.對于一個承受張力并直至斷裂的材料，根據(jù)其延展百分比與面積還原率來計

算材料的延展度。

%EL=d--）x100%RA=（—^-）x100

'oA

7.根據(jù)三點(diǎn)負(fù)荷法，計算陶瓷棒彎曲至斷裂的彎曲強(qiáng)度。

McIa矩形截面力,=一

'Ibd2

Rectangular等,卷券

3KL

圓形截面07,=——

Circular朱R昨多fs2派3

44擊

8.描繪出聚合物材料中所觀察到的三種典型應(yīng)力一應(yīng)變特性的示意圖。

ABrittle脆性高分子

材料

BPlastic塑性高分子

材料

9.給出兩種最常見的硬度測量技術(shù)，并指出二者

CHighlyelastic完全

的不同。

彈性高分子材料

洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)采用三種試驗(yàn)力，三種壓

完全彈性體,人造橡

頭，它們共有9種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的9個

膠

標(biāo)尺。這9個標(biāo)尺的應(yīng)用涵蓋了兒乎所有常用的

金屬材料。最常用標(biāo)尺是HRC、HRB和HRF,其

中HRC標(biāo)尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行

業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗(yàn)方法。HRB標(biāo)尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、

部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF標(biāo)尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合

金。HRA標(biāo)尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實(shí)際應(yīng)用上一般只限于測試

硬質(zhì)合金和薄硬鋼帶材料。

布氏硬度用一定直徑的淬硬鋼球，在一定的載荷（p）作用下，壓入試件表面,

停留一段時間，然后除去載荷，測量壓痕的面積，壓痕越小表示抵抗塑性變形

能力（即硬度）越大，越大硬度越小，用“HB”來表示。

Importanttermsandconcepts

Anelasticity:滯彈性應(yīng)力施加后，大多數(shù)工程材料彈性形變都會持續(xù)，并且撤

去加載，樣品的完全回復(fù)也需要一定的時間。這種與時間相關(guān)的彈性行為稱為

滯彈性。

Designstress:設(shè)計應(yīng)力對于靜態(tài)條件以及延展性材料的情況下，設(shè)計應(yīng)力ad

是計算的應(yīng)力GC（即估算的最大載荷）乘以一個設(shè)計因子N）即od=N*oc,其

中N大于1。

Ductility:延伸度延伸度是指材料在斷裂時發(fā)生的塑性形變程度的量度。

Elasticdeformation:彈性形變應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的形變稱為彈性形變。彈

性形變是非永久性的，即撤去加載后，樣品可恢復(fù)初始的形狀。

Elasticrecovery：彈性回復(fù)彈性回復(fù)是指當(dāng)樣品所受應(yīng)力撤銷后，其完全回復(fù)

到初始形狀的現(xiàn)象。

Elastomer:彈性體彈性體是聚合物的一個種類，它的應(yīng)力一應(yīng)變曲線表明其變

形是完全彈性的，即很低的應(yīng)力變化就會產(chǎn)生很大的可回復(fù)應(yīng)變。

Engineeringstrain:工程應(yīng)變工程應(yīng)變￡由方程s=（li-10）/10=A1/10定義，這里

10是樣品加載前的初始長度，H是加載瞬間的長度，有時li-10也用AI來表示，

即代表與初始長度相比較，某一時刻樣品形變的延長率或長度的變化。工程應(yīng)

變是沒有單位的。

Engineeringstress:工程應(yīng)力工程應(yīng)力o的定義為o=F/A0,這里F是加載在

垂直樣品橫截面的瞬間載荷，單位為牛頓,A0是加載前樣品的初始橫截面積（單

位m2）,工程應(yīng)力單位為MPa0

Flexuralstrength:抗彎強(qiáng)度對脆性陶瓷材料來說，抗彎強(qiáng)度即為橫向彎曲試驗(yàn)

中樣品斷裂時的應(yīng)力。

Hardness:硬度硬度是材料抵抗局部塑性形變的量度。

Modulusofelasticity:彈性模量大多數(shù)金屬在較低的拉力作用下，應(yīng)力和應(yīng)變

成正比關(guān)系，可表達(dá)為。=E&這就是胡克定理，比例常數(shù)E(GPa)就是彈性

模量，或楊氏模量。

Plasticdeformation:塑性形變當(dāng)材料的形變超出彈性形變發(fā)生的范圍，其應(yīng)力

將不再與應(yīng)變成正比，永久的、不可回復(fù)的形變發(fā)生，即為塑性形變。

Resilience:彈性彈性是指材料在彈性形變中吸收能量的能力。

Tensilestrength:抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指樣品可能承受的最大拉伸應(yīng)力。

Toughness:韌性韌性是指材料在斷裂前所能吸收能量的量度.

Truestrain:真應(yīng)變真應(yīng)變sT的定義為￡T=ln(Ii/10),其中10是樣品加載前的

初始長度，li是瞬間長度。

Truestress:真應(yīng)力真應(yīng)力oT定義為形變發(fā)生時，載荷F與瞬間橫截面積Ai

的比值，或者oT=F/Ai。

Yielding:屈服金屬的屈服是指塑性或者永久形變開始發(fā)生的現(xiàn)象。

Yieldstrength:屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是指塑性形變開始發(fā)生時的應(yīng)力。

QuestionsandProblems

7.24Acylindricalrod380mmlong,havingadiameterof10.0mm,istobesubjected

toatensileload.Iftherodistoexperienceneitherplasticdeformationnoran

elongationofmorethan0.9mmwhentheappliedloadis24,500N,whichofthe

fourmetalsoralloyslistedbelowarepossiblecandidates?Steel

FF245007V

ModulusYieldTensile解:=311.94MPa

b=—=--r32

ofElasticityStrengthStrengthAQnd'zr(10.0xl0-w)/4

Material(GPa)(MPa)(MPa)4

Ahiminuin70255420

alloyA/_0.9mm

()=2.368x10-3

Brassalloy100345420

l0380mm

Copper110250290

Steelalloy207450550

_cr_311.94A/Pa

￡=131.73GPa

-2.368xlO-3

b<bg,E<&應(yīng)故選steel

7.35(a)Makeaschematicplotshowingthe

tensiletruestress-strainbehaviorfora

typicalmetalalloy.

(b)Superimposeonthisplotaschematic

curveforthecompressivetrue

stress-strainbehaviorforthesamealloy.

Explainanydifferencebetweenthiscurveandtheoneinparta.

(c)Nowsuperimposeaschematiccurveforthecompressiveengineeringstress-strain

behaviorforthissamealloy,andexplainanydifferencebetweenthiscurveand

theoneinpartb.

7.D1Alargetoweristobesupposedbyaseriesofsteelwires.Itisestimatedthatthe

loadoneachwirewillbe11,100N.Determinetheminimumrequiredwire

diameterassumingafactorofsafetyof2andayieldstrengthof1030MPa.

解：5.=1030A^=515Mpfl

”N2

AQ=(d/2)2TV=

%,

d=2x=5.2x10*=5.2mm

”'高焉m

Chaptereight變形與強(qiáng)化機(jī)理

Learningobjectives

1.從原子的角度描述刃型位錯和螺型位錯的運(yùn)動。

刃型位錯運(yùn)動是在施加切應(yīng)力作用下，半原子面的沿切應(yīng)力方向重組和斷裂發(fā)

生移動

螺型位錯運(yùn)動是在施加切應(yīng)力作用下，沿切應(yīng)力垂直方向發(fā)生移動

2.施加切應(yīng)力會使刃型位錯和螺型位錯運(yùn)動，描述塑性變形是怎樣由位錯運(yùn)動

產(chǎn)生的。

刃型位錯運(yùn)動半原子面的沿切應(yīng)力方向重組和斷裂發(fā)生移動

螺型位錯運(yùn)動沿切應(yīng)力垂直方向發(fā)生移動

3.定義滑移系，并舉例說明。

滑移系滑移面和該面上一個滑移方向的組合稱為一個滑移系，晶體滑移（如位

錯的移動）可以沿該系統(tǒng)發(fā)生。FCC:{lll}<110>BCC:{11O}<111>

HCP:{0001}<1120>所以不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，如體心立

方12個，面心立方12個，密排六方3,且滑移系的數(shù)目越多則金屬的塑性愈好,

反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時，滑移方向數(shù)越多，

越易滑移，塑性越好。

4.描述多晶金屬材料發(fā)生塑性變形時，它的晶粒結(jié)構(gòu)是如何變化的。

多晶體金屬的變形過程

多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬取

向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點(diǎn)陣畸

變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒,

致使位錯在晶界處塞積。只有進(jìn)一步增大外力變形才能繼續(xù)進(jìn)行。隨著變形加

大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應(yīng)力集中也逐漸提高。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到

一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴(kuò)展到另一批

晶粒。同時、一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動到硬取向，其變形愈來

愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉(zhuǎn)動到軟取向，參加滑移變形。多晶體的塑性

變形，是在各晶?；ハ嘤绊?，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進(jìn)行,

逐步擴(kuò)大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。

冷塑性變形對金屬組織和性能的影響經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)

生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。1.晶粒沿變形方向

拉長，性能趨于各向異性2.晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化3?織構(gòu)現(xiàn)

象的產(chǎn)生4.殘余內(nèi)應(yīng)力

5.說明晶界是如何阻礙位錯運(yùn)動的，并解釋一個有著小晶粒的金屬為什么比有

著大晶粒的金屬強(qiáng)度大。

晶界的存在會增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增

大其滑移抗力，因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。金屬的晶粒愈細(xì)，

金屬的強(qiáng)度便愈高，而且塑性與韌性也較高

6.從晶格拉伸與位錯相互作用的方面解釋置換不同原子的固溶體強(qiáng)化原理。

在置換固溶體中，溶質(zhì)原子部分占據(jù)了溶劑原子格點(diǎn)的位置，如圖（b）所示。當(dāng)

溶質(zhì)元素與溶劑元素在原子半徑、電負(fù)性以及晶格類型等因素都相近時，形成

置換固溶體。例如電凡、格、

鎰、銀和鉆等元素與鐵都能

形成置換固溶體。在間隙固

溶體中，溶質(zhì)原子占據(jù)了溶（a）純金屬G）置換固溶體（c）間隙固溶體

劑原子格點(diǎn)的間隙之中，如圖⑹所示。氫、硼、碳和氮等一些原子半徑特別小

的元素與許多副族金屬元素能形成間隙固溶體。

應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)溶劑原子格點(diǎn)溶入溶質(zhì)原子后，多少能使原來的格點(diǎn)發(fā)生畸變，

它們能阻礙外力對材料引起的形變，因而使固溶體的強(qiáng)度提高，同時其延展性

和導(dǎo)電性將會下降。固溶體的這種普遍存在的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶體的強(qiáng)

化原理對鋼的性能和熱處理具有重大意義。

固溶強(qiáng)化純金屬經(jīng)適當(dāng)?shù)暮辖鸹髲?qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理可分

為無序固溶體和有序固溶體固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)：（1）溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越

大，強(qiáng)化作用越大；（2）溶質(zhì)原子與基體金屬原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用越

大（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子有更大的固溶強(qiáng)化作用；（3）溶質(zhì)原子與

基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化越明顯。

7.從位錯和應(yīng)變場相互作用的方面描述解釋應(yīng)變強(qiáng)化（冷加工）現(xiàn)象。

應(yīng)變硬化即是位錯在運(yùn)動過程中由于遇到晶界、第二相質(zhì)點(diǎn)以及位錯間相互作

用，如位錯交割、扭折、增殖等各種障礙，使運(yùn)動受阻，需要不斷增加外應(yīng)力

才能使位錯繼續(xù)運(yùn)動。其表現(xiàn)為應(yīng)力不斷增加，塑性變形才能繼續(xù)進(jìn)行。金屬

晶粒拉長,其位錯密度隨冷加工變形量的增加，冷加工中位錯密度增加也能強(qiáng)化

材料

8.從材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性改變的方面描繪再結(jié)晶。

Recrystallization:再結(jié)晶在冷塑性變形材料的內(nèi)部生成等軸狀新晶粒的過程

叫再結(jié)晶，通常發(fā)生于再結(jié)晶退火熱處理過程中。

通過回復(fù)，雖然金屬中的點(diǎn)缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金

屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

當(dāng)它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始

變化。從破碎拉長的晶粒變成新的

等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相

似，晶格類型相同，把這一階段稱

為“再結(jié)晶”。

再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長

大兩個過程進(jìn)行的。

再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，其所

有性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。

所以再結(jié)晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低,

塑性長高，便于進(jìn)一步加工。

11.描繪半結(jié)晶聚合物塑性變形的各個階段。

彈性形變-屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂

12.討論下列因素對聚合物抗張模量和抗張強(qiáng)度的影響：(a)分子量(b)結(jié)晶度(c)

預(yù)變形(d)不變形材料的熱處理。

(1)化學(xué)結(jié)構(gòu)鏈剛性增加的因素(比如主鏈芳環(huán)、側(cè)基極性或氫鍵等)都有

助于增加抗張強(qiáng)度5。極性基團(tuán)過密或取代基過大，反而會使材料較脆，抗沖

擊強(qiáng)度區(qū)下降。

(2)相對分子質(zhì)量在臨界相對分子質(zhì)量標(biāo)。(纏結(jié)相對分子質(zhì)量)之前，相對

分子質(zhì)量增加5增加，越過標(biāo)，后⑦不變。5隨相對分子質(zhì)量增加而增加，不存

在臨界值。

(3)支化和交聯(lián)交聯(lián)使6和巴都提高。但支化使區(qū)提高，而5下降。

(4)結(jié)晶和取向結(jié)晶度增加，/提高，但區(qū)降低。結(jié)晶尺寸減小，6和弓均

提高。取向使5提高。

總之以上各因素在討論區(qū)時主要考慮分子間作用力的大小，而討論5時主要考

慮自由體積的大小。

(5)應(yīng)力集中物裂縫、銀紋、雜質(zhì)等缺陷在受力時成為應(yīng)力集中處，斷裂首

先在此處發(fā)生。

纖維的直徑越小，強(qiáng)度越高，這是由于纖維越細(xì)，纖維皮芯差別就越小，缺陷

出現(xiàn)的幾率越小。根據(jù)這個原理，用玻璃纖維增強(qiáng)塑料可以得到高強(qiáng)度的玻璃

鋼。

(6)添加劑增塑劑、增量劑(又稱填料)、增強(qiáng)劑和增韌劑都可能改變材料的

強(qiáng)度。增塑使分子間作用力減小，從而降低了強(qiáng)度。惰性填料(如CaCO3)只

降低成本，強(qiáng)度也隨著降低；活性填料有增強(qiáng)作用，如炭黑對天然橡膠的補(bǔ)強(qiáng)

效果。纖維狀填料有明顯的增強(qiáng)作用。塑料增韌的方法是共混或共聚，用少量

橡膠作為增韌劑去改進(jìn)塑料的脆性。

(7)外力作用速度和溫度在拉伸試驗(yàn)中提高拉伸速度和降低溫度都會使強(qiáng)度

降低。在沖擊試驗(yàn)中提高溫度會增加沖擊強(qiáng)度。由于外力作用速度和溫度的改

變，甚至?xí)共牧蠌拇嘈宰優(yōu)轫g性，或反過來。

Importanttermsandconcepts

Coldworking:冷加工、冷變形金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。

Criticalresolvedshearstress（xcrss）:臨界剪切分切應(yīng)力使得晶體開始滑移所

需要的純剪切應(yīng)力，在某一特定滑移面和滑移方向上的分量。

Dislocationdensity:位錯密度材料單位體積內(nèi)的位錯線的總長度，或者在一^f*

隨機(jī)切面上的單位面積內(nèi)切斷的位錯根數(shù)。

Graingrowth:晶粒長大多晶體材料中晶粒尺寸的增大，對大多數(shù)材料來說，

晶粒長大只在升高溫度加熱的時候發(fā)生。

Recovery:回復(fù)冷塑性變形金屬釋放其部分應(yīng)變能的過程叫回復(fù)，通常采用熱

處理的方法。

Recrystallization:再結(jié)晶在冷塑性變形材料的內(nèi)部生成等軸狀新晶粒的過程

叫再結(jié)晶，通常發(fā)生于再結(jié)晶退火熱處理過程中。

Recrystallizationtemperature:再結(jié)晶溫度對于某種合金，在大約一小時的時

間里，完成再結(jié)晶所需的最低溫度.

Slip:滑移位錯移動導(dǎo)致的塑性變形或兩個相鄰原子面的剪切位移。

Slipsystem:滑移系滑移面和該面上一個滑移方向的組合稱為一個滑移系，晶

體滑移（如位錯的移動）可以沿該系統(tǒng)發(fā)生。

Solid-solutionstrengthening:固溶強(qiáng)化由于合金化形成固溶體而導(dǎo)致的材料

硬化和強(qiáng)化，實(shí)質(zhì)在于溶質(zhì)原子對位錯運(yùn)動的阻礙作用。

Strainhardening:加工硬化塑性材料于再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形引起的

硬度和強(qiáng)度升高現(xiàn)象。

Viscosity（T］）：粘性剪切應(yīng)力數(shù)值與其產(chǎn)生應(yīng)變速率的比值叫粘性，用來衡量非

晶材料抵抗永久變形的能力。

QuestionsandProblems

8.7.OneslipsystemfortheBCCcrystalstructureis{110}<l11>.Inamanner

similartoFigure8.6bsketcha{110}-typeplanefortheBCCstructure,

representingatompositionswithcircles.Now,usingarrows,indicatetwo

different<11l>slipdirectionswithinthisplane.

8.8OneslipsystemfortheHCPcrystalstructureis{0001}<1120>.Inamanner

similartoFigure8.6bsketcha{0001}-typeplanefortheHCPstructure,

representingatompositionswithcircles.Now,usingarrows,indicatetwo

different<1120>slipdirectionswithinthisplane.

8.18Describeinyourownwordsthethreestrengtheningmechanismsdiscussedin

thischapter(i.e.,grainsizereduction,solidsolutionstrengthening,andstrain

hardening).Besuretoexplainhowdislocationsareinvolvedineachofthe

strengtheningtechniques.

晶粒細(xì)化強(qiáng)化grainsizereduction：細(xì)化后晶粒有較多的晶界來阻礙位錯的移

動，而使材料硬化和強(qiáng)化

固溶強(qiáng)化solidsolutionstrengthening：由于合金化形成固溶體而導(dǎo)致的材料硬

化和強(qiáng)化，實(shí)質(zhì)在于溶質(zhì)原子對位錯運(yùn)動的阻礙作用。

加工硬化Strainhardening：塑性材料于再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形引起的

硬度和強(qiáng)度升高現(xiàn)象。

8.30Brieflycitethedifferencesbetweenrecoveryandrecrystallizationprocesses.

Recovery:回復(fù)冷塑性變形金屬釋放其部分應(yīng)變能的過程叫回復(fù)，通常采用熱

處理的方法。

Recrystallization:再結(jié)晶在冷塑性變形材料的內(nèi)部生成等軸狀新晶粒的過程

叫再結(jié)晶，通常發(fā)生于再結(jié)晶退火熱處理過程中。

8.36Theaveragegraindiameterforabrassmaterialwasmeasuredasafunctionof

timeat650℃,whichistabulatedbelowattwodifferenttimes.

(a)Whatwastheoriginalgraindiameter?

(b)Whatgraindiameterwouldyoupredictafter150minat650℃.d=0.085mm

解：由公式：dn-d,^=Kt（取n=2）

TimeGrain

(min)Diameter

片-4=心2

(mm)

303.9XIO2

906.6XIO2

v/-d；(6.6X10-2)2-(3.9x102)2..,,.

K=----L=--------——--------=4.725xi1oA5mnr/min

T]90—30

d°=Jd；-Kt、=1.02x10%〃機(jī)

d,=J"：+Kg=8.48x10'2/z?/n=0.085麗

8.D6Acylindricalrodofcopperoriginally16.0mm

indiameteristobecoldworkedbydrawing;

thecircularcrosssectionwillbemaintained

0

Percentcoldwork

0)

duringdeformation.A