材料科学基础(2025春)

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
多晶体的塑性变形
  • 1 内容
  • 2 练习
  • 3 案例


    低温或室温变形的基本方式与单晶体相同,即滑移和孪生。但由于晶界的存在,使其塑性变形与单晶体相比有不同的特点。 
1. 晶粒取向的影响                                                               
    由Schmid定律可知,各晶粒开始滑移不同时:各晶粒取向不同,作用在初始滑移系上得分切应力也不同。取向有利(初始滑移系取向因子大)的晶粒先开始滑移;各晶粒变形不均匀:变形量不同、滑移方向不同。 
    晶粒间的变形须相互协调:各晶粒的取向不同,在外力作用下初始滑移系产生的变形方向不同。 为保持晶界连续,各晶粒的变形须相互协调、配合(要求晶粒能任意变形)。 
    任意变形要求晶粒有6各独立的滑移系,产生exx 、eyy、 ezz 、e xy、 exz 、 eyz ,由于变形时⊿V= exx+eyy+ezz=0 ,去掉一个应变分量。所以,多晶体塑性变形需要晶粒有5各独立的滑移系。 
FCC晶体和BCC晶体的独立滑移系不少于5个,故相邻晶粒间的变形易于协调,塑性较好;HCP晶体只有3个滑移系,相邻晶粒间的变形不易协调,故塑性不好。 
2. 晶界的影响                                                                     
    晶界处原子排列不连续-原子排列不规则、两侧点阵取向不同,阻碍位错运动,从而导致以下结果。                                                
晶粒范围内变形不均匀:晶界附近变形较小,晶内变形较大。例:金属冷变形后表面的“桔皮”现象——晶粒边界和中心处变形量不同,导致表面凸凹不平,像鹅卵石铺的路面或桔子皮。晶粒越粗大,桔皮现象越明显; 
阻碍滑移的传递,导致细晶强化——多晶材料的强度、硬度、塑性及韧性随晶粒细化而提高。 
细晶强化是唯一能同时提高强度和韧性的强化方法,所以工程实践中广泛应用。 
3. Hull-Petch公式 
    多晶体材料的屈服强度随晶粒尺寸的变化符合下面经验公式: 
f                                                  
式中,ss-屈服强度;d-晶粒直径;s0-常数,相当于大单晶体的ssk- 常数,反映晶界对ss的影响程度,与晶界结构有关。 
上式即Hull-Petch公式。                                                
Hull-Petch公式普遍适用:亚晶尺寸与片间距的关系、晶粒尺寸与流变应力的关系、脆断应力与晶粒尺寸的关系、疲劳强度和硬度与晶粒尺寸间的关系等。