材料科學基礎復習ppt課件(留存版)

　　

【正文】 2 +∣b 2∣ 2 位錯的應變能 位錯的能量： 位錯周圍點陣畸變引起的彈性應力場，導致晶體能量的增加 ? 位錯中心畸變能 Ec (大約為總應變能的 1/101/15) ? 位錯應力場引起的彈性應變能 Ee (主要部分 ) 單位長度 刃型位錯 的應變能 : 02ln)1(4 rRGbE ee ??? ??單位長度 螺型位錯 的應變能 : 02 ln4 rRGbE se ?? ?簡化的單位長度位錯的 總應變能 ： E = αGb2 α約為 1 單位長度 混合位錯 的應變能 : 02 ln4 rRKGbE me ?? ?G — 切變模量 K — 角度因素 ? — 幾何系數 b — 柏氏矢量 ? — 泊松比 作用在位錯的力 ? 在 外切應力 ? 的作用下，位錯的移動可以理解為有一個垂直于位錯線的力 Fd 作用于位錯線上。 結構起伏 與 能量起伏 是對應的 結晶過程 ? 晶核形成（形核）： 在過冷的金屬液體中，尺寸較大的晶胚不再被熔化掉，能夠穩定保留下來的 晶胚 就成了開始結晶的 核心 ； ? 晶核長大： 然后 晶核 不斷長大。例如， 1000℃ 時碳在 γFe中的擴散系數 D 僅為 1011 m2/s 數量級。 答案：（ a， b， c） 在負的溫度梯度下，晶體生長以平面狀前推進。 a 是 b 否 答案：（ b） 擴散系數 D值越大，擴散越快。 題中給出的條件可以求得樣品承載后的直徑。 分析、計算、判斷 利用杠桿定律計算成分、利用相律判斷、 FeFe3C相圖中特定成分的冷卻過程及組織形成。 6. 隨著含碳量的增高 ， 亞共析鋼的 （ A） A 強度 、 硬度升高 ， 塑性下降； B 塑性升高 ， 強度 、 硬度下降； C 強度 、 硬度和塑性都升高 。 答案：回復使殘余內應力減少或消除，晶粒保持原來的形狀和大小。 晶體的塑性變形 — 多晶體 增加了多晶體金屬的宏觀 塑性變形抗力 金屬的強化機制： 與約束和釘扎位錯的滑移有關 固溶強化： 柯氏 Cotrell氣團 加工硬化： 冷加工程度， 細晶強化： 彌散強化： %100% 0 ??? A AACWHallPetch 公式 dk y0y ????Cold work Recovery Recrystallization Grain growth 冷變形金屬的加熱 — 組織變化 回復： 晶粒的 形態、大小 與變形態相同，但 亞結構 、 性能 已有變化 再結晶 ： 出現 無畸變的等軸晶粒 ，逐步取代變形晶粒 晶粒長大： 再結晶結束后的 晶粒繼續長大 冷變形金屬的加熱 — 性能變化 — 強度和硬度 ： 回復階段變化小； 再結晶階段變化大 (與位錯密度有關 ) — 電阻： 回復階段已有大的變化 (與點缺陷有關 ) — 內應力： 回復階段消除大部或全部內應力； 再結晶階段全部消除微觀內應力 — 亞晶粒尺寸： 回復階段變化小； 接近再結晶時，顯著增大 — 密度： 再結晶階段急劇增高 (缺陷減少 ) — 儲存能的變化： 再結晶階段釋放多 回復 Recovery 現象： 除 內應力大大減少 外，在光學顯微鏡下看不到金相組織的變化。 a 是 b 否 答案：（ a）這就是穩態擴散的定義。故這兩種可能都存在。長大所需的 界面過冷度 稱為 動態過冷度 ，用 ?Tk表示 ? 具有 光滑界面 的物質，其 ?Tk約為 1~2℃ ；具有 粗糙界面 的物質， ?Tk僅為 ~℃ ? 不同結構類型的界面，具有 不同的長大機制 二維形核 螺位錯長大 過冷度 ?TK 長大速度v g 23 Kg Tuv ??)e x p(2Kg Tbuv???Kg Tuv ?? 1連續長大 晶體長大機制比較 — 長大速率 vs 過冷度 結晶動力學 ? 約翰遜 梅爾 JohnsonMehl 動力學方程： )3e x p(1 43 tNv gr ?? ???? 阿弗拉密 Avrami 方程： )e x p (1 nr kt???? 阿弗拉密方程，是描述結晶和固態相變中轉變動力學的唯象方程 時間 長大速率； 形核率； 已轉變晶核體積分數； ? ? ? ? t v N g r ? 機制相關，取 阿弗拉密指數，與相變 常數 ； 已轉變晶核體積分數； 4 ~ 1 ? ? ? n k r ? 在正溫度梯度： 平面式推進 純金屬晶體的生長形態 正溫度梯度示意圖 負溫度梯度： 樹枝狀生長 負溫度梯度示意圖 固溶體的凝固理論 液態合金 的凝固過程，除了遵循 金屬結晶 的一般規律外，由于 第二組元的加入 ，溶質原子要在 液、固兩相中重新分布 ，這對合金的凝固方式和晶體的生長形態產生重要的影響，而且會引起 宏觀偏析 和 微觀偏析 正常凝固方程 ： 在非平衡凝固過程中，固相質量濃度隨凝固距離的變化規律 1000)1( ??? ks Lxk??— 凝固距離 — 鑄錠長； — 平衡分配系數； — 最初結晶的液相質量濃 度（原合金質量濃度） — 非平衡凝固時固相質量 濃度 x L k s 0 0 ? ? 合金凝固中的成分過冷 成分過冷： 在合金凝固過程中，由于液相中 溶質分布發生變化 而改變了 凝固溫度（理論值） ，與界面前沿液體中的 實際溫度 產生過冷，稱為 成分過冷 形成條件： 能否產生成分過冷及程度，取決于液 固界面前沿液體中 溶質濃度分布 和 實際溫度分布 成分過冷、熱過冷的區別： 熱過冷 是液態金屬的實際溫度低于熔點 Tm引起的過冷， 成分過冷 是合金凝固有別于純金屬凝固的主要特征 鑄錠 (件 )三晶區的形成 1. 表層細晶區 2. 柱狀晶區 研究擴散的有兩種方法 表象理論： 根據所測量的參數描述物質傳輸的速率和數量等 （宏觀層面） 菲克第一定律、菲克第二定律 、達肯方程等 原子理論： 擴散過程中原子是如何遷移的 （微觀層面） 擴散的微觀機制、影響因素原子層次分析等 菲克第一定律 Fick’s first law 菲克第一定律，只適合 穩態擴散 的場合 dxdDJ ???D — 擴散系數 (m2/s)； ? — 擴散物質濃度； — 濃度梯度； “ –”號 — 表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散組元由高濃度區向低濃度區擴散。如“鋼鐵材料滲碳處理時，擴散需要的時間 t 與擴散距離 x 的平方成正比，即 t ∝x 2 ”。 2) 刃型位錯： 滑移方向 與 位錯運動方向 一致； 螺型位錯： 滑移方向 與 位錯運動方向 垂直。在空間三維方向上的尺寸都很小，約為一個、幾個原子間距，又稱 零維缺陷 。 如：價電子濃度（ e/a）： 3/2 — 體心立方（ ? 相） ； 7/4 — 密排六方晶格（ ? 相）； 21/13 — 復雜立方（ ? 相）； 電子化合物的 熔點和硬度都很高 ，而 塑性較差 ，是有色金屬中的重要 強化相 。 間隙固溶體 當溶質原子半徑小，與溶劑原子半徑差?r41% 時，溶質原子可能進入溶劑晶格間隙中形成間隙固溶體 通常原子半徑小于 非金屬元素 ，如 H、C、 N、 O等容易成為溶質間隙原子 由于溶質原子大小比晶格間隙的尺寸大，引起溶劑 點陣畸變 ，故間隙固溶體都是 有限固溶體 面心立方晶格中的間隙 位于晶胞中心，由六個原子所組成的 八面體中心 （共 4個） rB/rA = 位于晶胞體對角線上靠結點 1/4處，由四個原子所組成的 四面體中心 （共 8個） rB/rA = 設原子半徑為 rA, 間隙中能容納的最大圓球半徑為 rB 體心立方晶格中的間隙 位于晶胞六面體的面中心，由六個原子所組成的 八面體中心 （共 6個） rB/rA = 由四個原子所組成的 四面體中心 （共 12個） rB/rA = 設原子半徑為 rA, 間隙中能容納的最大圓球半徑為 rB 注： 體心立方結構的四面體和八面體間隙 不對稱 (其棱邊長度不全相等 )，這會對間隙原子的 固溶 及其產生的 畸變 有明顯的影響。 如： ]111[],111[,]111[晶向族： ?111? 立方晶系常見晶面 晶面族： {100} 六角晶系中的晶向、晶面 （ a）晶向 （ b）晶面 ]0211[]0011[]0001[)0101()1110()0001( 注意 ：三指數系統與 四指 數系統轉換關系 晶 帶 定 律 所有平行或相交于同一直線的晶面構成 晶帶 ，此直線稱為 晶帶軸 ，屬于此晶帶的晶面稱為 晶帶面 。 晶帶軸 [u v w]與該晶帶的 晶面（ h k l） 之間存在以下關系： hu + kv + lw = 0 [u v w] （ h k l） 晶帶軸 晶帶面 晶帶 線 性 與 平面原子密度 線 原子密度 ： 在特定的晶向上，線矢量通過原子中心， 2個原子中心間的 線段長度為 l，此線段中包含的 原子部分的尺寸為 c， c / l為線 原子密度 （ LD）。 置換固溶體 — 溶解度的影響因素 晶體結構： 晶體結構相同是組元間形成 無限固溶體 的必要條件。 間 隙 相 當非金屬原子半徑（ rX）與金屬原子半徑（ rM）的比值rX/rM ，將形成具有 簡單晶體結構 的 金屬間化合物 ，稱為 間隙相 。 包括空位、間隙原子、雜質、溶質原子等。 3) 螺型位錯：如果在原滑移面上運動受阻時，有可能轉移到與之相交的另一滑移面上繼續滑移，這稱為 交滑移 。 以及“同一個擴散系統，擴散系數 D 與擴散時間 t 的乘積為一常數，即 D〃t = 常數 ”解決實際問題。 dxd? 1855年，菲克就提出了：擴散通量 J 與該截面處的濃度梯度 成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。 在相同過冷度的條件下，（下述說法哪些正確？）（多選） a 非均勻形核比均勻形核的形核率高； b 均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑； c 非均勻形核比均勻形核的形核功小； d 非均勻形核比均勻形核的臨界晶核體積小。 1在非穩態擴散過程中，擴散組元的濃度 C也是只隨距離 x變化，而不隨時間 t變化。在電子顯微鏡下觀察，點缺陷有所減少，