材料科学基础(2023秋)

辽宁工业大学 陈扬 齐义辉

目录

  • 1 材料的结构
    • 1.1 空间点阵与晶体结构
    • 1.2 晶向指数与晶面指数
    • 1.3 晶带与晶面间距
    • 1.4 晶体的极射赤面投影图
    • 1.5 三种典型的金属晶体结构
    • 1.6 晶体的原子堆垛方式和间隙
    • 1.7 离子晶体与共价晶体的结构
    • 1.8 固溶体
    • 1.9 中间相
  • 2 晶体中的缺陷
    • 2.1 点缺陷
    • 2.2 位错的特征
    • 2.3 位错的运动与交割
    • 2.4 位错的应力场与应变能
    • 2.5 作用在位错线上的力与位错间的交互作用力
    • 2.6 位错的生成与增殖
    • 2.7 实际晶体中的位错与位错反应
    • 2.8 小角度晶界和大角度晶界
    • 2.9 孪晶界与相界
  • 3 材料中的扩散
    • 3.1 扩散第一定律
    • 3.2 扩散第二定律及误差解
    • 3.3 扩散机制与柯肯达尔效应
    • 3.4 原子跳跃和扩散系数
    • 3.5 影响扩散的因素
    • 3.6 反应扩散
  • 4 单组元相图及纯金属的结晶
    • 4.1 单组元相图的热力学与相平衡
    • 4.2 液态金属的结构与结晶的热力学条件
    • 4.3 形核
    • 4.4 晶体长大与凝固组织
    • 4.5 凝固理论的应用
  • 5 二元相图及合金的凝固
    • 5.1 匀晶相图与固溶体凝固
    • 5.2 共晶相图及其合金凝固
    • 5.3 包晶相图及其合金凝固
    • 5.4 其他类型的二元相图
    • 5.5 钢的凝固过程及平衡组织
    • 5.6 铸铁的凝固过程及平衡组织
    • 5.7 固溶体的正常凝固
    • 5.8 成分过冷与固溶体的生长形态
    • 5.9 共晶体的形核与生长
    • 5.10 合金铸锭(件)的组织与缺陷
  • 6 晶体的塑性变形
    • 6.1 滑移
    • 6.2 Schmid定律及其应用
    • 6.3 派-纳力
    • 6.4 孪生
    • 6.5 多晶体的塑性变形
    • 6.6 固溶体的塑性变形
    • 6.7 弥散强化
    • 6.8 冷变形金属的组织和性能
  • 7 回复与再结晶
    • 7.1 冷变形金属加热时的组织性能变化
    • 7.2 回复
    • 7.3 再结晶形核机制
    • 7.4 再结晶动力学
    • 7.5 再结晶温度及影响因素
    • 7.6 再结晶后的晶粒尺寸
    • 7.7 正常晶粒长大
    • 7.8 再结晶织构与二次再结晶
  • 8 三元相图
    • 8.1 三元相图基础
    • 8.2 均晶相图
    • 8.3 固态互不溶解的三元共晶相图
    • 8.4 固态有限互溶的三元共晶相图
    • 8.5 三相平衡和四相平衡
固溶体的塑性变形
  • 1 内容
  • 2 练习
  • 3 案例


4. 单相固溶体的塑性变形 
1. 固溶强化 
——溶质原子的加入时固溶体强度提高的现象。 
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固溶强化机理: 
①溶质原子与位错的弹性交互作用:溶质原子导致晶格畸变,所形成的应力场与位错的应力场产生弹性交互作用,阻碍位错的运动。 
②溶质原子与位错的化学交互作用:FCC晶体中溶质原子与扩展位错的层错发生交互作用而偏聚到层错附近(形成铃木气团,使化学成分与其它区域不同),对扩展位错的滑移和束集造成困难,因而阻碍位错的运动。 
③溶质源自于位错的静电交互作用:刃位错受张部分电子浓度较高,受压部分的电子浓度较小,成为一个带电的线偶极子,这种偶极子与价数和基体金属不同的溶质原子发生电学交互作用,因而阻碍位错运动。 
影响固溶强化效果的因素: 
①溶质原子引起晶格畸变的程度:畸变程度↑,强化效果↑。间隙原子的强化效果>置换原子的强化效果;对置换原子:与溶剂原子的尺寸差↑,强化效果↑;对间隙原子:与溶剂原子的尺寸差↓,强化效果↑。 
②溶质原子造成晶格畸变的对称性:对称性↑,强化效果↓。球对称:若强化,如置换原子,FCC晶体中的间隙原子;非球对称:强强化,如BCC晶体中的间隙原子。 
③溶质与溶剂原子的价电子数差:价电子数差↑,强化效果↑ 
2. 屈服现象

低碳钢典型的拉伸曲线上有明显的屈服现象。 
吕德斯带:由屈服晶粒构成、与拉伸轴约呈45°角并贯穿试样截面的片状区域。 
在屈服阶段,吕德斯带不断形成、展宽,最后布满整个时样。 
屈服现象的Cottrell气团理论:溶(杂)质原子与位错交互作用,偏聚在位错线附近形成原子(柯垂尔)气团,使位错被钉扎(处于稳定的低能状态)而不易运动。塑性变形时,为使位错运动,须加较高的应力以挣脱气团的钉扎,由此产生上屈服点;位错摆脱其团的钉扎后较易运动,因此应力降落并产生下屈服点和屈服平台。 
位错增殖理论:在一定应变速率下,若晶体中可动位错密度低,则这些位错须高速运动,所需的应力较高,而当位错开始滑移(塑性变形)后由于位错增值使其密度迅速提高,位错运动速度降低,所需应力也降低,即产生屈服现象。 
3. 应变时效 
    退火低碳钢进行少量塑性变形后若卸载后放置一段时间或在200℃加热后再加载,屈服降落又出现,且屈服强度更高,这一现象称为应变时效,如图所示。

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图中:1-预塑性变形;2-卸载后立即重新加载;3-卸载后放置一段时间或在200℃加热后再加载 
原因:退火低碳钢的位错被柯氏气团钉扎,并因脱钉而出现屈服降落;卸载后重新加载时,柯氏气团还没来得及重新形成,故不出现屈服降落。由于塑性变形使位错密度明显增加,故屈服强度升高;若卸载后放置一段时间或在200℃加热后柯氏气团重新形成并钉扎位错,故再加载故屈服降落又出现;同时由于塑性变形使位错密度明显增加,所以屈服强度更高。