材料科學基礎課件

緒論關于材料材料的性能材料的分類研究內(nèi)容及目的第一節(jié)材料

經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象。一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。材料是人類賴以生存與發(fā)展、征服及改造自然的物質基礎,是人類活動不可缺少的東西。材料是社會生產(chǎn)力發(fā)展的標志，生產(chǎn)中使用的材料性質反映了人類社會的文明水平?，F(xiàn)代一個國家的實力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展。什么是材料材料工程技術人員學習材料科學知識的意義

評價一個設備、部件、零件的優(yōu)劣或質量：①必需保證使用的基本性能（力學、物理），具有一定的壽命（疲勞、磨損、腐蝕）；②便于制造，即可以生產(chǎn)出來；③可接受的成本。這幾點要求是相互矛盾的，但是必需利用各項知識，從中找到一個合理的配合，可見其中材料起到相當重要的決定性作用。

在機械產(chǎn)品的設計和維護中，不要單看材料僅僅是圖紙標題欄中諸多內(nèi)容中的一項，用的得當可以代表一個設計的先進性，達到價廉物美的效果；否則可能是一個落后的設計，或者是閉門造車，根本生產(chǎn)制造不出來，甚至會隱藏禍根，導致在使用時災難。第二節(jié)材料的性能

材料的性能是指材料的性質和功能。性質是本身所具有的特質或本性；功能是人們對材料的某種期待與要求種可以承擔功效，以及承擔該功效下的表現(xiàn)或能力。力學性能物理性能化學性能工藝性能。材料的性能：力學性能

材料的力學性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質等)時，在外力或能量以及作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。材料的性能

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負荷。材料的主要力學性能有：

彈性強度塑性硬度

沖擊韌性疲勞特性耐磨性拉伸試驗過程：力學性能外力增加，試樣伸長。得到P－L曲線，換算為

－

曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮、斷裂。彈性與剛度彈性變形：力學性能彈性模量與剛度：

在OA’段為直線，即應力與應變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律。并且在外力卸載后試樣恢復到原始長度?？梢赃_到的最大應力成為彈性極限(比例極限)。強度與塑性屈服強度：σsσ0.2

力學性能塑性：斷裂前可發(fā)生永久變形的能力?？估瓘姸龋害襜

材料開始發(fā)生塑性變形的最小應力。

材料發(fā)生斷裂前能承受的最大應力。硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。力學性能莫氏硬度：材料名稱硬度級別滑石1石膏2螢石4鈉長石6黃玉8剛玉9金剛石10布氏硬度：

用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上一定時間,壓痕直徑為d。實用于較軟的塑性材料。硬度力學性能洛氏強度：

用120度圓錐金剛石壓頭，1470N(150kgf)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來度量材料的硬度。用于硬度較高的淬火鋼件。

用對面夾角136度四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到…0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來觀察，用于測量表層或微區(qū)。維氏強度：沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗ak值來表示。以帶缺口標準試樣快速沖斷時，單位橫截面積吸收的功。沖擊韌性是材料強度和塑性綜合作用的結果。力學性能試樣尺寸試驗方法斷裂韌性斷裂韌性是材料中存在缺陷時，材料抵抗脆性斷裂的能力。力學性能

斷裂韌性指標為KIC，有專門的測定方法。工程應用要求：

大型構件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應力作用，都存在應力集中，其中裂紋受張開應力作用為最危險。Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長度的一半。疲勞強度

零件在低于屈服應力的交變應力的反復作用下，而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷的積累過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展、瞬間斷裂三各階段。應力大小和循環(huán)次數(shù)有關。力學性能低周疲勞又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的次數(shù)下能承受的應力極限值。（可以有效發(fā)揮材料的作用）高周疲勞對稱應力作用趨于水平線的最大應力為σ-1,作為永久可用的疲勞強度極限。實際大多以107次未斷裂的應力來測定。耐磨性

一個零件相對另一零件有摩擦運動而造成接觸面的尺寸變化、質量損失現(xiàn)象成為磨損。力學性能

磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動質量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損(切削)、粘著磨損(分子作用力)；此外接觸疲勞有人作為磨損，也有人算另一類損傷形式。

測定方法讓兩試樣組成摩擦付，在設定條件(力、潤滑劑)進行一定時間的摩擦運動后，測定試樣的尺寸減小值/質量的損失值/摩擦表明外觀形貌來比較不同材料的耐磨性。物理性能

材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時他們的變化程度。材料的性能密度與比容導熱性

熱膨脹系數(shù)α單位體積物質的質量Kg/M3單位質量的物質所占的體積M3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/M時，在單位時間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(M.K)

溫度上升1℃時，單位長度的伸長量mm/(℃.mm)或℃-1

物理性能材料的性能電阻與電導電阻溫度系數(shù)熔點導磁率物質由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結合力。電阻率

為單位長度和單位截面積導體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導率S/M西門子/米溫度上升1℃時，電阻率

的變化系數(shù)，單位℃-1

電子導電的特點是溫度升高，電阻率上升；離子導電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。

超導現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個值降為零的特征。每種材料有自己的轉變溫度，某些化合物的轉變溫度達到100K以上。從鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能?；瘜W性能

反映材料與各種化學試劑發(fā)生化學反應的可能性和反應速度大小的相關參數(shù)。材料的性能

工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學材料有的考察電極電位、儲能密度等。

材料由于周圍環(huán)境介質侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。發(fā)生腐蝕的化學過程有化學腐蝕(氧化)、電化學腐蝕和應力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質、溫度、應力、輻照……因素有關。腐蝕不僅影響零件表明質量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設計應考慮材料的選擇和防腐措施相結合。工藝性能

材料的工藝性能是材料力學、物理、化學性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產(chǎn)或零部件加工過程的可能性或難易程度。材料的性能1.材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2.鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。流動性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性工藝性能材料的性能3.鍛造性：材料進行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。4.焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。連接能力：焊接頭部位強度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。工藝性能材料的性能5.切削加工性：材料進行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導熱性等有關。6.熱處理性能：可以實施的熱處理方法和材料在熱處理時性能改變的程度。切削抗力加工表面質量排屑難易程度切削刀具的使用壽命

隨著科技進步的發(fā)展，對材料工藝性能的評價標準也在不斷發(fā)展和變化。材料性能總結決定材料性能實質：構成材料原子的類型：材料的成分描述了組成材料的元素種類以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性質有關以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過程有密切的關系。研究的意義：性能決定了材料的用途。性能決定了材料和零部件生產(chǎn)方法。性能的變化規(guī)律為改變材料性能達到人們需求提供途徑。第三節(jié)材料的分類工程材料：主要利用其力學性能制作結構件。建筑材料結構材料工具材料按材料用途（性能）功能材料：主要利用其物理、化學性能或效應制作具有特定功效的器件。半導體材料磁性材料激光材料熱電材料光電材料聲電材料等等材料的分類金屬材料：純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有金屬性的材料。金屬性的關鍵特征是具有正的電阻溫度系數(shù)，這是由于它的導電是自由電子的運動所決定的。鋼鐵材料(黑色金屬)按材料成分：鋼鑄鐵非鐵金屬材料(有色金屬)輕金屬AlMgCaNa…重金屬CuNiPbSnZn…貴金屬AgAuPbRbIr稀有金屬ZrTiNb…稀土金屬Re(YNd…)放射性金屬RaUTh…材料的分類高分子材料：有機聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：瓷：原以氧化鋁陶：硅酸鹽為主廣義陶瓷(特種陶瓷)：金屬與氧、碳、氮、硅等化合物熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠陶瓷材料：一種或多種金屬氧化物或其他化合物。復合材料：兩種或兩種以上性質不同的材料組合起來的一種固體材料。第四節(jié)學習內(nèi)容與目的組織：人門用肉眼或借助工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等）看到的形貌。材料科學研究對象服役狀態(tài)性能要求材料的組織加工過程成分

材料的成分、加工工藝與組織、性能之間的關系及其相關規(guī)律。了解和學會現(xiàn)有材料的使用方法研究開辟現(xiàn)有材料的新工藝、新用途研究和創(chuàng)建新材料目的

材料的塑性變形塑性變形引言

塑性變形是塑性材料的一個極其重要的性能，也是材料成型的一種重要加工方法。大多數(shù)金屬均具有良好的塑性變形能力，這也是金屬材料獲得廣泛應用的重要原因之一。塑性變形可以改變金屬的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同時塑性變形也會改變材料的內(nèi)部組織和結構，從而影響到它的宏觀性能，可使材料的某些性能如強度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時，也會給材料的組織和性能帶來某些不利的影響，為了消除塑性變形(冷加工)這些不利的影響，在加工之后或加工過程中，通常還對材料進行加熱，使其內(nèi)部發(fā)生回復和再結晶過程。所以，塑性變形和再結晶是材料研究中的重要問題。

第一節(jié)變形概述名詞概念變形過程

彈性變形

塑性變形

塑性變形的方式

變形過程中的名詞概念變形：物體在外力的作用下，其形狀和尺寸的改變。應力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應力”或“法向應力”，同截面相切的稱為“剪應力”或“切應力”。應變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值稱為“線應變”；物體內(nèi)兩互相垂直的平面在變形后夾角的改變值稱為“剪應變”或“角應變”；變形后物體內(nèi)任一微小單元體體積的改變同原單位體積之比值稱為“體積應變”。變形過程低碳鋼的拉伸曲線如圖所示。

在應力低于彈性極限σe時，材料發(fā)生的變形為彈性變形；應力在σe到σb之間將發(fā)生的變形為均勻塑性變形；在σb之后將發(fā)生頸縮；在K點發(fā)生斷裂。彈性變形定義：變形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢復，變形消失。特點：服從虎克定律，及應力與應變成正比比例系數(shù)E稱為彈性模量G稱為切變模量，它反映材料對彈性變形的抗力，代表材料的“剛度”。實質：彈性變形的實質是在應力的作用下，材料內(nèi)部原子間距就偏離了平衡位置，但未超過其原子間的結合力。晶體材料反應為晶格發(fā)生了伸長(縮短)或歪扭。原子的相鄰關系還未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結合力便可以使變形完全恢復。塑性變形定義：不能恢復的永久性變形叫塑性變形。當應力大于彈性極限時，材料不但發(fā)生彈性變形，而且還發(fā)生塑性變形，即在外力去除后，其變形不能得到完全的恢復，而具有殘留變形或永久變形。塑性：是指材料能發(fā)生塑性變形的量或能力，用伸長率(δ%)或斷面減縮率(ψ%)表示。實質：塑性變形的實質是在應力的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物體將留下永久變形。塑性變形過程－－屈服屈服：材料開始發(fā)生塑性變形。屈服現(xiàn)象：即使外力不再增加，試樣也會繼續(xù)變形，這種變形屬于塑性變形，在拉伸曲線上會出現(xiàn)鋸齒狀的平臺。這是部分材料所具有的特征。屈服強度：表示材料對開始發(fā)生微量塑性變形的抗力，也稱為屈服極限，用σs表示。對具有屈服現(xiàn)象的材料用屈服現(xiàn)象發(fā)生時對應的應力表示；對屈服現(xiàn)象不明顯的材料，則以所產(chǎn)生的塑性應變答0.2%時的應力值表示。塑性變形過程－－均勻變形均勻變形：在屈服后的變形階段，試樣整體進行均勻的塑性變形。如果不再增加外力，材料的變形將不能繼續(xù)下去。原因：維持材料均勻變形的原因是材料發(fā)生了加工硬化。已經(jīng)發(fā)生變形處的強度提高，進一步變形困難，即變形要在更大的應力作用下才能進行。下一步的變形發(fā)生在未變形或變形相對較小的位置，達到同樣變形后，在更大的應力作用下發(fā)生變形。塑性變形過程－－頸縮頸縮：試樣將開始發(fā)生不均勻的塑性變形，產(chǎn)生了頸縮，即塑性變形集中在一局部區(qū)域進行。特點：頸縮發(fā)生后，宏觀表現(xiàn)為外力在下降，工程應力在減小，但頸縮區(qū)的材料承受的真實應力依然在上升。極限強度：材料開始發(fā)生頸縮時對應的工程應力σb

，這時試樣出現(xiàn)失穩(wěn)，頸縮真實應力依然在上升，但能承受的總外力在下降。塑性變形過程－－斷裂斷裂：變形量大至K點，試樣發(fā)生斷裂。實質：斷裂的實質原子間承受的力超出最大吸引力，原子間的結合破壞而分離。韌性斷裂：在斷裂前有明顯塑性變形后發(fā)生的斷裂叫“韌性斷裂”。在晶體構成的材料中，內(nèi)部的晶粒都被拉長成為細條狀，斷口呈纖維狀，灰暗無光。脆性斷裂：斷裂前因并未經(jīng)過明顯塑性變形，故其斷口常具有閃爍的光澤，這種斷裂叫“脆性斷裂”。脆性斷裂可沿晶界發(fā)生，稱為“晶間斷裂”，斷口凹凸不平；脆性斷裂也可穿過各個晶粒發(fā)生，稱為“穿間斷裂”，斷口比較平坦。

塑性變形的方式

材料在外力作用下發(fā)生塑性變形，依材料的性質、外界環(huán)境和受力方式不同，進行塑性變形的方式也不相同，通常發(fā)生塑性變形的方式有：滑移、孿生、蠕變、流動。 其中滑移是晶體材料塑性變形的基本方式。而非晶體材料原子為無規(guī)則堆積，像液體一樣只能以流動方式來進行，衡量變形的難易程度的參數(shù)為粘度。在重力作用下能發(fā)生流動的為液體，可以維持自己形狀的位固體、第二節(jié)單晶體的滑移滑移概念

過程說明滑移系施密特定律

臨界分切應力滑移變形的主要特點

滑移概念滑移：滑移是在外力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對滑動滑移過程說明

在切應力的作用下，先使晶格發(fā)生彈性外扭，進一步將使晶格發(fā)生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶體不能恢復到原來的形狀，而保留永久的變形。大量晶面的滑移將得到宏觀變形效果，在晶體的表面將出現(xiàn)滑移產(chǎn)生的臺階。

作用在晶格上的正應力只能使晶格的距離加大，不能使原子從一個平衡位置移動到另一平衡位置，不能產(chǎn)生塑性變形；正應力達到破壞原子間的吸引力，晶格分離，材料則出現(xiàn)斷裂。

材料在正應力作用下，在應力方向雖然不能發(fā)生塑性變形，但應力的分解在另一方向就有切應力，可使晶格沿另外的方向上發(fā)生滑移。滑移系滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面，通常為晶體的最密排晶面；滑移滑動的方向稱為滑移方向，通常也為晶體的最密排方向；一種滑移面和該面上的一個滑移方向構成一個可以滑移的方式稱為“滑移系”。

典型晶格的滑移系FCC滑移系對性能的影響晶體中滑移系愈多，晶體發(fā)生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一個滑移面上存在的滑移方向數(shù)目比滑移面數(shù)目的作用更大。

在金屬材料中，具有體心立方晶格的鐵與具有面心立方晶格的銅及鋁，雖然它們都具有12個滑移系，但鐵的塑性不如銅及鋁，而具有密排六方晶格的鎂及鋅等，因其滑移系僅有3個，故其塑性遠較具有立方晶格的金屬差。

施密特定律

直接推動滑移的是在滑移方向上的分切應力。在同一外加應力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，對應的分切應力也不相同。圖示一單晶體單向拉伸，滑移面法線方向與外力的夾角為φ，滑移方向和拉力軸的夾角為λ，注意到滑移方向、拉力軸和滑移面的法線三者一般不在一平面，即

φ+λ≠900

。施密特定律

滑移方向上的分切應力為：

其中稱為取向因子或施密特因子。當φ+λ=900，取向因子有最大值0.5。施密特定律

滑移方向上的分切應力為：

稱為施密特定律，τc是一常數(shù)，但材料的屈服強度σs則隨拉力軸相對于晶體的取向不同而不同，即晶體材料存在各向異性。臨界分切應力與首開滑移系

臨界分切應力：當外力在某個滑移面的滑移方向上的分切應力達到某一臨界值時，這個滑移系開始出現(xiàn)滑移，材料開始發(fā)生塑性變形，這個切應力值叫臨界分切應力，它是決定材料強度的直接因素。首開滑移系:

在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系將有最大的分切應力，外力加大，它將首先達到臨界分切應力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子最大的滑移系稱為這個外力下的首開滑移系。等效滑移系:

在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系將有相同分切應力，外力加大，它將同時達到臨界分切應力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子相同滑移系稱為這個外力下的等效滑移系。

滑移變形的主要特點

滑移只能在切應力的作用下發(fā)生?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。這是因為只有在最密晶面之間的面間距最大，原子面之間的結合力最弱，沿最密晶向滑移的步長最小，因此這種滑移所需要的外加切應力最小?；茣r晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結果會在晶體的表面上造成臺階。

滑移的同時必然伴隨有晶體的轉動。

滑移變形的主要特點

滑移變形在晶體表面形成的滑移線滑移時晶體的轉動

當外力作用于單晶體試樣上時，它在某些相鄰層晶面上所分解的切應力使晶體發(fā)生滑移，而正應力和垂直滑移方向的另一分切應力因滑移錯開組成一力偶，使晶體在滑移的同時向外力方向發(fā)生轉動。轉動的趨勢為滑移面趨于平行拉力方向，滑移方向也趨于平行拉力方向。第三節(jié)滑移的位錯理論分析滑移的實質是位錯的運動位錯的增殖位錯的交割位錯的塞積加工硬化滑移的實質是位錯的運動

大量的理論研究證明，滑移原來是由于滑移面上的位錯運動而造成的。圖示例子表示一刃型位錯在切應力的作用下在滑移面上的運動過程，通過一根位錯從滑移面的一側運動到另一側便造成一個原子間距的滑移。

滑移的實質是位錯的運動

對應于位錯運動，在滑移的過程中，只需要位錯中心上面的兩列原子（實際為兩個半原子面）向右作微量的位移，位錯中心下面的一列原子向左作微量的位移，位錯中心便會發(fā)生一個原子間距的右移。由此可見，通過位錯運動方式的滑移，并不需要整個晶體上半部的原子相對于其下半部一起位移，而僅需位錯中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應力便遠遠小于整體剛性滑移。

滑移的實質是位錯的運動

位錯的滑移面就是晶體的滑移面，柏氏矢量的方向就是晶體的滑移方向。為了使位錯的能量較低，在結構容許的條件下，盡量減小柏氏矢量，所以原子的密排方向就成為了位錯的柏氏矢量的方向。

位錯的增殖

塑性變形的過程中，盡管位錯移出晶體產(chǎn)生滑移臺階，但位錯的數(shù)量(位錯密度)卻在不斷的增加，這是因為在外應力作用下發(fā)生塑性變形時位錯會發(fā)生增殖。

例如位錯的增殖

利用Fnak-Read源說明增殖的過程。若滑移面上有一段位錯，CD兩點釘住不可滑移，在外力作用下位錯應向右移動，這段位錯將彎曲、擴張，相遇為異號位錯相消，產(chǎn)生一位錯環(huán)，內(nèi)部CD段還存在。反復可生成一系列的位錯環(huán)，擴展到晶體外的產(chǎn)生滑移臺階可為柏氏矢量的整數(shù)倍。

位錯的交割

不在同一個滑移面上的兩位錯運動的過程中可發(fā)生交割。圖示例子表示如果位錯AB向下運動掃過位錯CD，由于掃過區(qū)間的晶體兩邊發(fā)生了柏氏矢量大小的滑移，在位錯CD上產(chǎn)生了EF轉折，EF長度為AB的柏氏矢量，EF位錯的柏氏矢量不發(fā)生變化，位錯的性質和原來可能不一樣。位錯的交割

若AB為一個源發(fā)出的一批位錯，EF則為多倍長。如果CD為如圖的刃位錯，AB上也留下一轉折。轉折的性質不一樣，有的在位錯的線張力作用下可消失，或以相同滑移方向一起滑移的稱為扭折；有的不僅不能消失，而且滑移面也不同而不能一起運動，這種稱為割階。割階成為位錯運動的阻礙。位錯的塞積

位錯運動時，在其前沿如果有障礙(如晶界、不可變形的硬質點……)，就停留不能前進，若同一位錯源不斷產(chǎn)生一系列位錯源源而來，在此將產(chǎn)生塞積。

位錯的塞積在該處產(chǎn)生大的應力，可能帶來的后果有：①螺位錯可改變滑移面而發(fā)生交滑移；②晶界處的應力可能迫使相鄰晶粒中的位錯運動來松弛應力；③無發(fā)松弛就有可能在此處造成裂紋。加工硬化

材料在變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。這種加工硬化的作用在拉伸時的應力--應變曲線中可看出，材料屈服后要繼續(xù)變形只有不斷增加外力。原因：塑性變形是通過位錯的運動來實現(xiàn)的，位錯運動一旦受阻，塑性變形就難以進行，要繼續(xù)進行變形只有增加外力。分析：變形過程中，位錯沿滑移面運動，各種位錯會頻繁相遇，發(fā)生一系列復雜的交割作用，出現(xiàn)位錯的纏結等等現(xiàn)象，使位錯的運動受阻，位錯源不斷發(fā)出的位錯不能順利地移出晶體，發(fā)生位錯地塞積，造成位錯密度的逐漸增大。變形量越大，位錯密度就越大，變形的抗力也越就大。隨著位錯密度的升高，位錯之間的平均距離減小，它們之間的相互干擾和交互作用進一步增強，因而強度和硬度也就越來越大。返回第四節(jié)多晶體的塑性變形晶界和晶粒位向的影響

變形的傳遞

變形的協(xié)調

多晶體的塑性變形過程

塑性變形過程的不均勻性 晶粒的位向同時也在發(fā)生轉動

晶粒大小對材料強度與塑性的影響 強度

塑性

變形的傳遞

當一個晶粒在某一滑移系發(fā)生滑移動作，即位錯發(fā)生運動，位錯遇到晶界時，由于各個晶粒的位向不同，不能直接從一個晶粒移動到另一晶粒，便塞積起來；加之晶界處的雜質原子也往往較多，增大其晶格畸變，在滑移時位錯運動的阻力較大，難以發(fā)生變形，可見晶界的存在可以提高材料的強度。

位錯在晶界處的塞積產(chǎn)生了大的應力集中，當應力集中能使相鄰晶粒的位錯源開動，相鄰取向不利的晶粒也能開始變形，相鄰晶粒的變形也使位錯塞積產(chǎn)生的應力集中得以松弛，原來變形的晶?？梢赃M一步的變形，這就是滑移的傳播過程。變形的協(xié)調

多晶體的變形中要保持晶界處的連續(xù)性，即晶界處的原子既不能堆積也不能出現(xiàn)空隙或裂縫，晶界兩邊的變形需要達到互相協(xié)調。

晶界兩邊的晶粒取向不一樣，靠單一的滑移系的動作將不能保證這種協(xié)調，為了適應變形協(xié)調，不僅要求鄰近晶粒的晶界附近區(qū)域有幾個滑移系動作，就是已變形的晶粒自身，除了變形的主滑移系統(tǒng)外，在晶界附近也要有幾個滑移系統(tǒng)同時動作。變形的協(xié)調

為了滿足變形協(xié)調，理論計算本應有6個獨立的滑移系，以保證6個獨立的應變分量使晶粒的形狀自由變化，在體積不變的情況下，有實際只有5個變量是獨立的。

對面心和體心立方金屬，是容易滿足這個變形協(xié)調條件的，但對密排六方金屬，由于滑移系一般只有三個，為了實現(xiàn)變形協(xié)調，有兩種方式：一種是在晶界附近區(qū)域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱錐面等較難滑移的晶面作為滑移面；另一種則是產(chǎn)生孿晶變形，孿晶和滑移結合起來，連續(xù)地進行變形。

至少應有5個獨立的滑移系才能協(xié)調多晶體的塑性變形。塑性變形過程的不均勻性

在多晶體金屬中，由于每個晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每個晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切應力便不同。凡滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45度，即施密特因子較大(接近1/2)，必將首先發(fā)生滑移變形，通常稱這種位向的晶粒為處于“軟位向”；而滑移面或滑移方向處于或接近于與外力相平行或垂直，即施密特因子較小(接近0)的晶粒則處于“硬位向”，它們所受的分切應力將較小，較難發(fā)生滑移。由此可見，由于多晶體金屬中每個晶粒所取的位向不同，金屬的塑性變形將會在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個不均勻的塑性變形過程。晶粒的位向的影響作用分批滑移：多晶體材料在外力作用下，當首批處于軟位向的晶粒發(fā)生滑移時，由于晶界的影響及其周圍處于硬位向的晶粒尚不能發(fā)生滑移而只能以彈性變形相適應，便會在首批晶粒的晶界附近造成位錯堆積，隨著外力增大至應力集中達到一定程度，形變才會越過晶界，傳遞到另一批晶粒中。晶粒的轉動：隨著滑移的發(fā)生，伴隨晶粒的轉動會使其位向同時也在變化，有的位向在硬化，有的位向在軟化，軟位向的晶粒開始滑移變形。所以，多晶體的塑性變形是一批批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形，變形過程要比單晶體中復雜得多。晶粒大小對材料強度的影響

材料的塑性變形抗力，不僅與其原子間的結合力有關，而且還與材料的晶粒度有關，即材料的晶粒愈細，材料的強度愈高。因為材料晶粒愈細，晶界總面積愈大，晶界對變形的阻礙作用愈明顯，對塑性變形的抗力也便愈大。對純金屬、單相合金或低碳鋼都發(fā)現(xiàn)室溫屈服強度和晶粒大小有以下關系：式中的d為晶粒的平均直徑，k為比例常數(shù)。這是個經(jīng)驗公式，但又表達了一個普遍規(guī)律。該公式常稱為霍爾-佩奇(Hall-Petch)關系。晶粒大小對材料塑性的影響

效果：塑性材料的晶粒愈細，不僅強度愈高，而且塑性與韌性也較高。原因：因為晶粒愈細，單位體積中晶粒數(shù)量便愈多，變形時同樣的形變量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，晶粒轉動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調，產(chǎn)生較均勻的變形，不致造成局部的應力集中，而引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展。因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性形變量，具有較高的沖擊載荷抗力。意義：所以在工業(yè)上通過各種方法(凝固、壓力加工、熱處理)使材料獲得細而均勻的晶粒，使目前提高材料力學性能的有效途徑之一。第五節(jié)其他塑性變形方式

孿生

蠕變

粘滯性流動在切應力作用下的變形孿生變形孿晶：晶體的一部分相對于一定的晶面(孿生面)，沿著一定的方向(孿生方向)發(fā)生切變，形成對稱的晶格排列，發(fā)生切變部分叫做孿生帶，或簡稱為孿晶。切變部分和未切變部分呈鏡面對稱，對稱面為孿生面。孿生：在外力作用下，以切變生成孿晶而發(fā)生塑性變形方式稱為“孿生”。產(chǎn)生條件：孿生僅在滑移困難時才會發(fā)生。一般孿生出現(xiàn)在滑移系很少的晶體結構的材料中(如密排六方晶格金屬)；此外在某些容易發(fā)生滑移的晶格材料僅在較低溫度或受沖擊時因來不及滑移又有較大的應力作用時才可能產(chǎn)生孿生。

孿生變形面心立方孿生變形發(fā)生時原子的遷移與晶格對稱圖孿生變形特點在孿晶帶中，每層原子面對于相鄰原子面的移動量都相同，其移動量不是原子間距的整倍數(shù)(一般為原子間距的分數(shù))，但它們在孿生后各自移動的距離和離孿生面的距離成正比。孿生帶的晶格位向發(fā)生了變化，抗腐蝕性和光學反射性也也將有差異，拋光腐蝕后在顯微鏡下可見到孿晶組織。孿生變形在晶體表面可形成浮凸。孿生是在切應力作用下產(chǎn)生的，但產(chǎn)生孿生所需要的切應力比滑移要大得多。孿生變形特點孿生變形得速度很快，接近于聲速。孿生變形會在周圍得晶格中引起很大得畸變，因此所產(chǎn)生的塑性變形總量不大，一般不超過10%。孿生對變形的作用另一方面還表現(xiàn)在生成的孿生改變了晶體的位向而幫助滑移。在外力作用下以孿生方式生成的孿晶稱為變形孿晶變形孿晶：變形孿晶組織形貌鋅中的孿晶

滑移與孿生在晶體表面變化蠕變

蠕變：所謂蠕變是指材料在高溫下(高于0.3Tm)的變形不僅與應力有關，而且和應力作用的時間有關。

蠕變過程：整個的蠕變過程可分為三個階段。由蠕變速率(dε/dτ)逐漸減慢的第一階段到恒速蠕變的第二階段。在蠕變過程后期，蠕變速率加快直至斷裂，視為蠕變第三階段。隨著溫度與應力的提高，蠕變的第二階段漸短，金屬的蠕變很快由第一階段過渡到第三階段，使高溫下服役的零件壽命大大減少。

蠕變

蠕變機理：蠕變過程是一熱激活過程，蠕變現(xiàn)象可看著在應力作用下原子流的擴散。原子的定向流動本身可造成材料的變形。借助原子的擴散會發(fā)生位錯的攀移，位錯滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯攀移產(chǎn)生的高溫回復，這兩個過程的速率相等，便形成了恒定的蠕變速率過程。所有影響自擴散系數(shù)的因數(shù)均按相同的方式影響蠕變速率。

粘滯性流動粘滯性流動：在液體狀態(tài)下，原子呈無規(guī)則排列，沒有固定的形狀，處于可流動的狀態(tài)。液體的流動性用黏度來度量，當黏度大到可以維持自己的形狀時，材料就處于固態(tài)。在固態(tài)下處于非晶態(tài)的材料可以看著是過冷的液體，在外力作用下，非晶態(tài)的材料當能克服黏度的阻力時，可以象液體那樣發(fā)生流動，自己的形狀和尺寸發(fā)生變化，材料的性質未發(fā)生改變，可視為一種塑性變形。

變形實例：非晶態(tài)材料處于玻璃化溫度Tg以上可以發(fā)生塑性變形的方式。多晶體材料的晶界滑動。

第六節(jié)塑性變形對組織

性能的影響冷變形對力學性能影響

塑性變形對組織和結構的影響可能出現(xiàn)變形織構殘余內(nèi)應力

冷變形對力學性能影響產(chǎn)生加工硬化：材料在變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降。（前面已分析）加工硬化的工程意義：加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強化的金屬材料。加工硬化有利于金屬進行均勻變形。因為金屬已變形部分產(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)的變形主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗，在對材料要進行較大變形量的加工中將是不希望的，在金屬的變形和加工過程中常常要進行“中間退火”以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。塑性變形對組織和結構的影響

晶粒變形：金屬塑性變形時，隨著外形的改變，內(nèi)部晶粒的形狀也相應變化。通常晶粒沿變形方向被拉長(拉伸)或壓扁(壓縮)。變形的程度愈大，則晶粒形狀的代表也愈大。塑性變形對組織和結構的影響

晶界模糊：當變形量很大時，晶界變得模糊不清，這是由于位錯移出晶粒在邊界造成的臺階使晶界交錯，同時也進一步降低了晶界的耐腐蝕性。纖維組織：在金屬變形較大時，材料中的夾雜物也沿變形方向被拉長，形成了纖維組織。纖維組織的出現(xiàn)造成材料在不同方向上表現(xiàn)出不同的力學性能，即產(chǎn)生一定程度的各向異性，一般沿纖維方向的強度和塑性遠大于垂直方向，等等。塑性變形對組織和結構的影響

亞結構形成：在金屬未變形或少量變形時，位錯密度的分布一般是均勻的。但在大量變形之后，由于位錯的運動和交互作用，位錯不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。亞晶粒邊界上聚集大量位錯，而內(nèi)部的位錯密度相對低得多。隨著變形量的增大，產(chǎn)生的亞結構也越細。整個晶粒內(nèi)部的位錯密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。

變形織構的產(chǎn)生變形織構：金屬晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶粒有各向異性，所以宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。但是當金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后，由于晶粒的轉動造成晶粒取向趨于一致，形成了晶體的“擇優(yōu)取向”，即某一晶面在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結構叫做變形織構，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。

形成原因：滑移塑性變形時伴隨晶粒的轉動，造成各晶粒的滑移面或滑移方向趨于平行外力方向。變形織構的類型類型：一種是各晶粒的某一晶向趨于一致，稱之為“絲織構”，它多出現(xiàn)在高度冷拔之后，例如低碳鋼鐵素體的<110>平行于拔絲方向；另一種是各晶粒的某一晶面趨于平行且此晶面上的某一晶向趨于一致，這種織構稱之為“板織構”，它多發(fā)生于高度冷軋之后，例如低碳鋼的板織構為{001}<100>。

性能影響：織構使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。

變形織構的影響對工程應用的影響：在大多數(shù)情況下是不利的，如有織構的金屬板材沖制筒形零件時，由于不同方向上塑性的差別較大，深沖之后零件的邊緣不齊出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象；另外在不同方向上變形不同，制成的零件的硬度和壁厚會不均勻，等等。但織構有時也能帶來好處，制造變壓器鐵芯的硅鋼片，利用織構可大大提高變壓器的效率。防止措施：織構形成后很難消除，工業(yè)生產(chǎn)中為了避免織構，較大的變形量往往通過幾次變形來完成，并進行中間退火。

殘余內(nèi)應力殘余內(nèi)應力：殘余內(nèi)應力是指去除外力之后，殘留于材料內(nèi)部、且自身平衡于材料內(nèi)部的應力。塑性變形后材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應力明顯增加，它主要是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻所造成的。分類：材料表層和心部變形不均勻或這一部分和那一部分變形不均勻，會造成平衡于它們之間的宏觀內(nèi)應力，通常稱為第一類內(nèi)應力。相鄰晶粒取向不同引起變形不均勻，或晶內(nèi)不同部位變形不均勻，會造成微觀內(nèi)應力，通常稱為第二類內(nèi)應力。由于位錯等缺陷的增加，會造成晶格畸變，通常也稱為第三類內(nèi)應力。

殘余內(nèi)應力

經(jīng)過塑性變形，外力對材料試樣或構件作的功絕大部分(90%以上)在變形過程中轉化成熱而散失，只有少數(shù)(10%以下)能量轉化為內(nèi)應力殘留在材料中，使其內(nèi)能增加。 其中，第三類內(nèi)應力占絕大部分，這是使變形金屬強化的主要原因。但會使材料，如金屬的耐腐蝕性下降。第一、二類內(nèi)應力占的比例不大，但當進一步加工會打破原有平衡，引起材料的變形；或者和零件使用應力發(fā)生疊加，引起材料的破壞。所以一般都要用退火的辦法盡量將其消除。本章小結材料發(fā)生塑性的主要方式和條件晶體滑移與外力、晶體取向的關系晶體的滑移和位錯運動的關系冷塑性變形對材料的組織和性能帶來的影響

材料的相結構概述固溶體化合物第一節(jié)相關概念合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱為合金。組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學反應的穩(wěn)定化合物也可成為組元。相：凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻組成部分，稱之為相。在固態(tài)材料中，按其晶格結構的基本屬性來分，可分為固溶體和化合物兩大類。組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分布等。

組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。第二節(jié)固溶體一、固溶體：

當材料由液態(tài)結晶為固態(tài)時，組成元素間會象溶液那樣互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結構中包含有其它元素原子的新相，稱為固溶體。與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質，其含量與溶劑相比為較少。固溶體即一些元素進入某一組元的晶格中，不改變其晶體結構，形成的均勻相。

溶質原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度。在一定的條件下，溶質元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質元素在固溶體中的溶解度。濃度或溶解度一般用溶質元素所占的重量百分比來表示(%Wt)；有時也用溶質元素所占的原子數(shù)量百分比來表示，這時也稱為摩爾濃度(%Wa)。二、固溶體的分類第二節(jié)固溶體1.按溶質原子在固溶體(溶劑)晶格中的位置不同可分為：

1)置換固溶體溶質原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體。2)間隙固溶體溶質原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結點位置。二、固溶體的分類第二節(jié)固溶體2.按溶解度溶質原子溶于固溶體中的量稱為固溶體的濃度，一般用重量百分比表示，即也可以用原子百分比表示，即1)無限溶解固溶體溶質可以任意比例溶入溶劑晶格中。構成無限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質。2)有限溶解固溶體溶質原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過這個限度就會有其它相(另一種固溶體或化合物)的形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C、N、H、O、B等元素為溶質。二、固溶體的分類第二節(jié)固溶體2.按溶質原子在溶劑晶格中的分布特點1)無序固溶體溶質原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計角度上是均勻分布的。

2)有序固溶體溶質原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結點上。

在有些材料中，固溶體還存在有序化轉變，即在一定的條件(如溫度、壓力)下，無序固溶體和有序固溶體之間會發(fā)生相互轉變。三、影響固溶體溶解度的因素第三節(jié)固溶體

在一定條件下，溶質元素在固溶體中的極限濃度叫該元素在固溶體中的溶解度。影響溶解度的因素很多，目前還在研究中，現(xiàn)在公認的有：1．尺寸因素

在置換固溶體中，溶質原子的尺寸和溶劑相近，溶解度也愈大，Δr小于15%時才有利于形成置換固溶體，要能達到無限互溶，Δr的值還要小一些。間隙固溶體的形成的基本條件D質/D劑<0.59。在間隙固溶體中，顯然D質/D劑愈小，即溶質原子的尺寸愈小，溶解度也大。間隙固溶體只能有限溶解。三、影響固溶體溶解度的因素第三節(jié)固溶體2．晶體結構因素

組元間晶體結構相同時，固溶度一般都較大，而且才有可能形成無限固溶體。若組元間的晶體結構不同，便只能生成有限固溶體。3．電負性差

電負性為這些元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨撾x子的能力。反映兩元素的化學性能差別。兩元素間電負性差越小，則越容易形成固溶體，且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大，溶解度減小，當其差別很大時，往往形成較穩(wěn)定的化合物。三、影響固溶體溶解度的因素第三節(jié)固溶體4．電子濃度

在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數(shù)可能不同，電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質的原子百分比濃度(摩爾分數(shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質的價電子數(shù)。

一方面，溶質和溶劑的價電子數(shù)目相差大，它們的電負性的差別也大，溶解度會下降。另一方面，當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，因此它們的溶解度也就受到相應的限制。四、固溶體的性能特點第三節(jié)固溶體由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上發(fā)生一些改變。

固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質的濃度(含量)的增加而加大。

以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質的溶入，強度將提高，稱為固溶強化，溶質的溶入可造成晶格畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時塑性略有下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力學性能的途徑之一。

第三節(jié)化合物一、化合物（中間相）概念

當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。若新相為另一組元的晶體結構，則也是另一固溶體。若其晶體結構與組元都不相同，表明生成了新的物質。所以，化合物是構成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質?；衔锝Y構的特點，一是有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。

在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵外，金屬鍵在不同程度上也參與一定的作用，如果生成的化合物也具有金屬性，則稱之為金屬化合物。二、金屬化合物的類型第三節(jié)化合物1.正常價化合物兩組元服從原子價規(guī)律而生成的正?；瘜W中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負性差起主要作用，兩組元間電負性差較大，它們符合一般化合物的原子價規(guī)律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其結合鍵為離子鍵；也有的是共價鍵，如SiC；少數(shù)也有以金屬鍵結合,如Mg2Pb。2.電子化合物電子濃度在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數(shù)可能不同，電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質的原子百分比濃度(摩爾分數(shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質的價電子數(shù)。二、金屬化合物的類型第三節(jié)化合物2.電子化合物電子化合物這類化合物大多是以第Ⅰ族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正?；瘜W價規(guī)律。當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型也就不同。常間的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物可參看教材。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復雜立方晶格。二、金屬化合物的類型第三節(jié)化合物3.間隙化合物尺寸因素化合物(間隙相與間隙化合物)

主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素(X)與金屬元素(M)原子半徑比不同，結構也有所不同。當rX/rM<0.59時，形成具有簡單晶體結構的化合物，如fcc、bcc、cph或簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，相應的分子式也較簡單，如M4X、M2X、MX、MX2等。當rX/rM>0.59時，形成的化合物的晶體結構也較復雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應的分子式也較復雜，如鋼中常見的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。二、金屬化合物的類型第三節(jié)化合物3.間隙化合物通常晶體結構較復雜

二、金屬化合物的類型第三節(jié)材料的相結構4.拓撲密堆相(TCP相)

同種類的等直徑原子球堆垛，配位數(shù)最大為12，最大致密度為0.74。如果都是金屬原子(性質接近)，尺寸盡管有一定的相差，以大小原子的一定比例搭配(固定的原子比)，形成的新相配位數(shù)大于12，或致密度大于0.74，統(tǒng)稱為拓撲密堆結構相。

屬于這類結構的有：β-W結構、Laves相、σ相結構等。結構的細節(jié)從略。二、金屬化合物的類型第三節(jié)材料的相結構5.溶劑為化合物的固溶體1)金屬化合物為溶劑：

溶質為化合物中的某一組元，相當于原子比可在一定范圍內(nèi)變動，晶格未發(fā)生變化。也可能溶質為化合物中組元之外元素的原子。溶質原子的相互置換

Fe3C中溶入一定的Mn，形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C。溶質為化合物的組成原子在化合物中再固溶一定量的組元原子，例如在電子化合物中常見，晶格中有少量的一種組元原子替換另一組元原子位置，因為溶質為化合物中的某一組元，相當于原子比可在一定范圍內(nèi)變動，晶格未發(fā)生變化。二、金屬化合物的類型第三節(jié)材料的相結構5.溶劑為化合物的固溶體2)正常價化合物為溶劑：等價代換為了保持電中性，溶質原子的價電子應和溶劑相同，這種置換稱為等價代換。例如K+與Na+離子的互相代換。異價代換如果溶質原子的化學價與溶劑不同，在置換原子時就會造成電性能的變化，為了保持電中性，表現(xiàn)形式有，①兩對異價互補，同時按比例溶入一高一低的兩種溶質；②離子變價，對某些可變化學價的元素采取變價來維持化學價和電中性；③形成點缺陷(晶格空位)，一種元素被異價的溶質置換，引起化合物對應的另一元素數(shù)量的變化，當晶格維持不變，在晶格中將產(chǎn)生空位(間隙原子)，例如在ZrO2中溶入少量的Y2O3，就會形成氧離子空位。三、金屬化合物的性能特點第三節(jié)化合物

大多數(shù)化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高(結合鍵強的表現(xiàn)之一)，力學性能表現(xiàn)為硬而脆。

另一方面，化合物往往由特殊的物理、化學(電、磁、光、聲等)性能，從而在功能材料中的應用得到迅速發(fā)展。

單一由化合物在金屬材料中比較少見，而陶瓷材料則是以化合物為主體。少量硬度高的質點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強度，即第二相強化機制。小結

合金組元相組織組織組成物固溶體化合物電子濃度固溶體和化合物的類型、結構特點，影響其結構的因素。相結構與材料的性能之間的關系。名詞概念理解內(nèi)容

材料熱力學

與固態(tài)相變基礎引言平衡狀態(tài)：系統(tǒng)吉布斯自由能處于最低所對應的狀態(tài)。

相圖：表述物質的成分、環(huán)境條件與平衡狀態(tài)下存在相之間關系的圖形。

相圖的測定方法：一般用物理方法來進行，利用不同組成相所具有的不同物理性能特征參數(shù)或性能變化時的表現(xiàn)出物理兩地變化特征來進行測定工作。例如常用的熱分析法、熱膨脹系數(shù)/比容變化、磁性法等等。計算法預測相圖：由材料的成分判斷可能組成的相結構，計算在某一溫度下的自由能，找出合適組成相或他們之間的組合，達到能量最低的狀態(tài)(平衡態(tài))，從而確定相圖的結構。隨著熱力學數(shù)據(jù)的積累，計算機能力提高和普及，這種設想現(xiàn)在逐步可以實現(xiàn)。第一節(jié)固溶體自由能的計算

純組元自由能與溫度的關系

兩相混合自由能的計算

固溶體的自由能與成分溫度的關系

混合過程中S的變化

混合過程中H的變化

純組元自由能與溫度的關系其中H0和S0為標準狀態(tài)下(25℃,一個大氣壓)的值，可以查相關的熱力學資料得到。兩相混合自由能的計算

設同樣有A、B兩組元組成的兩相α和β，α的成分(原子百分比)為x1，β的成分(原子百分比)為x2，α和β兩相所占地比例分別為N1和N2(原子百分比),顯然N1＋N2＝1。在G－X的圖形中，G1、G、G2三點在一直線上，并服從杠桿定律。固溶體自由能與成分溫度的關系

在溫度T下，尋找G－x之間的關系。設NA和NB為固溶體中A、B的原子數(shù)，XA和XB為兩組元的摩爾濃度，即在溫度T下，G0為混合前的自由能，ΔGm為混合過程中自由能變化。G0A的值由純組元公式計算出。先計算混合過程中H、S的變化量，可以計算ΔGm變化?；旌线^程中S的變化

熵表征為系統(tǒng)的混亂程度，固態(tài)下系統(tǒng)的熵構成：主要是混合熵(配置熵)，決定于原子可能排列的方式；其次還有振動熵，決定于溫度和缺陷。每摩爾物質有原子，在二元系統(tǒng)中，A、B各自的原子數(shù)為NA、NB，即NA＋NB＝N，材料的成分和濃度為：XA＝NA/N、XB＝NB/N(XA＋N＝1)。 混合時熵的變化：配置熵定義：K－波耳茲曼常數(shù)W－可能構成的排列方式混合過程中S的變化混合過程中H的變化

利用溶液的準化學模型：①設A、B組元尺寸相接近，排列無序；②混合過程中體積基本不變，即ΔV＝0；③原子只與最近鄰的原子之間存在相互作用，即只計算最近鄰原子之間的結合能。設兩最近鄰原子之間的結合能分別為uAA、uBB、uAB，固溶體和組元的配位數(shù)均為Z。由于H=u+PV，混合過程中H的變化固溶體自由能與成分溫度的關系

注意這個表達式的推導用的假設，即使用條件，這是一最簡單的情況，其它情況下應根據(jù)使用環(huán)境來加以修正。結論：第二節(jié)自由能隨成分變化規(guī)律

數(shù)學表達關系分析

當ΔHM=0時的狀態(tài)當ΔHM<0時的狀態(tài)當ΔHM>0時的狀態(tài)數(shù)學表達關系分析自由能隨成分變化規(guī)律

當ΔHM=0時：這時為理想溶液模型，即G(x)為下垂線，即曲線的凹向朝上。

自由能隨成分變化規(guī)律

ΔHM<0時：這時異類原子的結合力大于同類原子之間的結合力。表現(xiàn)為在溶解時會放出熱量。G(x)為下垂線，曲線的凹向朝上。由于ΔHM和TΔSM的同時作用，曲線下垂更大。ΔHM>0時自由能隨成分變化規(guī)律

溶解時會吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關。

混合所提高的內(nèi)能全部由熱溫熵來補充，ΔGm≤0，G(x)依然為下垂曲線，僅僅下垂的程度小一點。

下頁ΔHM>0時自由能隨成分變化規(guī)律

構成的曲線有三個極值點和兩個拐點，在靠近坐標軸(x接近0或1)處為上凹曲線，有兩個極小值，而中部位凹向朝下的上凸曲線，會有一極大值。

在這種情況下，存在兩個必然的規(guī)律：其一是任何組元，少量的溶解其它組元都會使其吉布斯自由能下降，絕對的不能溶解其它元素是不存在的，得到絕對的純凈物資是不可能的，即“金無赤足”。其二是當出現(xiàn)上凸時，吉布斯自由能會提高，自發(fā)的趨勢是形成兩相混合物可以降低體系的自由能，兩組元表現(xiàn)為有限溶解。ΔHM>0時自由能隨成分變化規(guī)律

溶解時會吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關。

若T＝0時，兩組元的混合全部表現(xiàn)為提高自由能，由于絕對0度是不可能的，所以這種情況不可能出現(xiàn)。第三節(jié)相平衡原理相平衡原理化學位的圖解求法單相平衡兩相平衡－公切線法則體系的自由能最低；每一組元在平衡各相中的化學位相等。相平衡原理化學位的圖解求法

在某固定的溫度下，由AB兩組元構成的某一相α，其自由能與成分之間的關系如圖所示，當其成分為XB時，求這時A、B組元在該相中的化學位？由成分xB在G(x)曲線上的位置M，過M作曲線G(x)的切線交坐標兩端P、Q點，截距即為這時A、B組元的化學位。若已知G(x)與成分xB的關系如圖所示?；瘜W位的圖解法證明單相平衡2、當曲線為“上凹”時，應為均勻成分xB的自由能最低。如果某一處出現(xiàn)高出xB的成分時，因為物質不滅，必然存在另一處為低于xB的成分，這時系統(tǒng)的自由能將高于均勻成分時的自由能，系統(tǒng)未達到平衡，在動力學條件滿足時，趨于形成單一均勻成分。例如枝晶偏析較平衡態(tài)的能量高，均勻化退火加熱時通過擴散達到成分均勻的過程是自發(fā)的。

穩(wěn)定的單相為在某一溫度下，該相的自由能最低，并且在該成分點出的G(x)~x曲線為“上凹”。1、在溫度T下，AB組元可能形成α、β兩種相，為了降低系統(tǒng)的自由能，顯然將以單一的α存在比β相或α＋β兩相混合時的自由能低一些。

兩相平衡－公切線法則a點為組元A在α和β的化學位，b點為組元B在α和β的化學位,顯然二者相等，所以P點的α相成分為x1；Q點的β相成分為x2；它們是平衡相。兩相的數(shù)量滿足杠桿定律，以這兩相混合的自由能在M點。這時的自由能最低，它們才是這個溫度下的平衡相。

在二元的情況，溫度T一定時,若AB組元可能形成α、β兩種相，其自由能與成分的關系曲線如圖所示,合金成分為X時:以單一的α相存在,自由能在1點；以單一的β相存在,自由能在2點；作Gα、Gβ的公切線，切點分別為P、Q，延長交坐標軸為a、b。兩相平衡－公切線法則成，近兩相的數(shù)量因合金的成分不同而異。對應在PQ之外，無法由P點的α相和Q點的β相混合而成，以自由能較低的單相存在，P點的左邊為合金成分的單一α相，Q點的右邊為合金成分的單一β相。

注意平衡相是以共切點的成分來分配，如果連接兩曲線的最低點，以這樣的成分的兩相混合，盡管每一相的自由能比切點低，但數(shù)量按杠桿定律分配后的混合自由能在3點，依然高于M點，所以平衡相是以公切線對應的切點作為確定點。在PQ之間，所有成分的合金都由P點的α相和Q點的β相混合而多相平衡－公切線法則結論：二元合金兩相平衡的條件是能夠作出這兩相自由能曲線的工切線。公切線在兩條曲線上的切點的成分坐標值便是這兩個相在給定溫度下的平衡成分。

推論：三個溶體平衡共存的條件是在給定的溫度下，公切線能同時切過三條自由能曲線。或曰這三個溶體的自由能曲線有公切線。這三個切點的成分坐標值便是這三個相在給定溫度下的平衡成分。第四節(jié)相圖與吉布斯

自由能曲線

二元勻晶相圖

二元共晶相圖

二元包晶相圖

增幅分解

二元勻晶相圖二元勻晶相圖二元共晶相圖二元共晶相圖二元包晶相圖二元包晶相圖增幅分解(Spinodel)

在無限溶解固溶體中，如果溶解時為吸熱過程，當溫度較低時，自由能曲線中部有上凸(凹向朝下)部分出現(xiàn)，這時單一的固溶體的自由能不是最低，可以分解為結構相同而成分不同兩個相混合物。相圖如圖所示，其中實線為不同溫度下公切線的切點軌跡，而虛線是曲線上拐點變化的軌跡。

增幅分解是單相固溶體分解為兩相混合物的一種特殊方式，其特殊之點是在這一分解過程中不需要信相的形核。增幅分解(Spinodel)

在實線和虛線之間的區(qū)域。成分為CN的合金有分解的熱力學動力，但形核時成分的偏離會造成能量的提高，只有達到一定數(shù)量(大小)后其自由能才會降低，表明形核時要求一定的臨界尺寸，開始能量的聚集來源于那目光了起伏。這種狀態(tài)和固溶體中第二相形成相同。增幅區(qū)外的分解：增幅分解(Spinodel)

成分在虛線范圍內(nèi)時，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細小的成分的偏離都會使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集。增幅區(qū)內(nèi)的分解增幅分解(Spinodel)

成分在虛線范圍內(nèi)時，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細小的成分的偏離都會使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集，自發(fā)地加大偏離的幅度，所以把這種分解稱為增幅分解。分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅區(qū)內(nèi)的分解增幅分解(Spinodel)

分解過程自發(fā)地加大成分偏離的幅度，所以稱為增幅分解。這種分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅分解組織第五節(jié)固態(tài)相變概論

概述

按熱力學分類

按原子運動的方式分類

新相形成時的能量變化

新相形成過程

固態(tài)相變的特點

概述

固態(tài)相變：固態(tài)物質內(nèi)部的組織結構的變化稱為固態(tài)相變。

相是成分相同、結構相同、有界面同其他部分分隔的物質均勻組成部分，相變是從已存的相中生成新的相。之所以為新相，生成部分與原有部分存在著或成分不同、或相結構不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原來部分有界面分隔。原來的部分稱為母相或反應相，在轉變過程中數(shù)量減少，生成部分稱為新相或生成相，在轉變過程中數(shù)量增加。

在熱處理過程中，材料處于固態(tài)下，但內(nèi)部都有不同的固態(tài)相變發(fā)生，先分析固態(tài)相變基本規(guī)律。

按熱力學分類

由熱力學知，系統(tǒng)總是相著吉布斯自由能降低的方向自發(fā)轉變。兩個存在的相處于互相平衡狀態(tài)，不發(fā)生轉變，二者的吉布斯自由能相等。這時構成材料的組元在兩個相中的化學位相等,即μ1＝μ2，否則組元會從一個相中向另一相轉移，即有相變發(fā)生。臨界點：在一定的溫度和壓力下，兩相處于平衡，這個平衡時對應的溫度和壓力稱為他們的臨界點，固態(tài)轉變中，壓力影響較小，一般臨界點大多指在一個大氣壓下平衡是對應的溫度。兩相處于臨界點時:按熱力學分類一級相變：在臨界點處，如果：

當T或P發(fā)生變化(偏離臨界點),平衡就被破壞，體系的熵S和體積V會改變，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，就有一相減少而另一相增加，這時發(fā)生的相變稱為一級相變。所以一級相變過程會伴隨潛熱的釋放(或吸收)和體積改變的發(fā)生。過去相圖中介紹的合金凝固過程是一級相變，熱處理中發(fā)生的固態(tài)相變也主要是一級相變。

按熱力學分類二級相變：在臨界點處，

按熱力學分類二級相變：在臨界點處，這時兩相的化學位、熵S和體積V相同，但等壓熱容量CP、等溫壓縮系數(shù)k、等壓熱膨脹系數(shù)α可能不相同。

當T或P發(fā)生變化(偏離臨界點)，平衡也被破壞，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，這時發(fā)生的相變稱為二級相變。所以二級相變過程中無潛熱和體積的改變，一般兩相的成分也相同(成分的變化一般會改變其熵)。常見的二級相變有磁性轉變、有序－無序轉變、超導轉變等，大多伴隨材料某種物理性能的變化。

按原子運動的方式分類擴散型（非協(xié)同型）：原子從母相以擴散方式向新相遷移。原子可以改變相鄰關系；轉變的速度由原子擴散遷移速度控制，在固態(tài)中進行較慢；轉變過程大多伴隨成分的改變(新舊相成分不相同)；轉變產(chǎn)物無固定的形狀，決定于界面能，為減少界面面積，有可能是為球面。脫溶、共析、增幅分解屬于這種類型。

協(xié)同型（非擴散型）：在相變過程中沒有原子的擴散運動，相變前后沒有成分的變化，原子以切變的方式，即相對周圍原子發(fā)生有規(guī)律的少量的偏移，基本維持原來的相鄰關系，而發(fā)生晶體結構的改變，這就是協(xié)同型相變。轉變的結果是新舊相成分相同，為減少原子偏移的距離，新相的取向與母相原來的取相有一定的延續(xù)關系；轉變中新舊相的界面有共格關系，轉變要求較大的驅動力來補償共格應變能；轉變速度快，但大多不能進行到底。以下要介紹的馬氏體相變就是屬于協(xié)同型相變。

混合型：介于二者之間的，具有擴散型和協(xié)同型的綜合特征的中間過渡型轉變稱為混合型，如熱處理中的貝氏體轉變。新相形成時的能量變化1、體積自由能下降：當溫度偏離臨界點后，新舊兩相的體積吉布斯自由能不相等。當新相的自由能低于母相的自由能時，新相形成是吉布斯自由能下降的自發(fā)過程，臨界點溫度和實際溫度的差為過冷度(加熱轉變時為過熱度)，這時的體積自由能差ΔGV為轉變提供的動力，轉變方向為ΔGV＜0。

2、新舊相之間的界面能：兩個相的成分或結構不相同，二者之間存在相界面分隔，界面處的原子在很小的區(qū)間內(nèi)的平衡位置為從一個相到另一相的過渡狀態(tài)，這樣能量較低，但還是高于在各自相區(qū)內(nèi)部平衡態(tài)，高出部分組成了它們的界面能。

新相形成時的能量變化依相界面結構方式不同，①兩相的取向之間沒有相依的關系的界面稱為非共格界面，各處的界面能大致差不多，類似大角度晶界，原子排列過渡較困難，界面能較高。②如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列完全相同，兩相以這個晶面來過渡分界，界面能將非常低，這是兩相之間存在固定的取向關系，這就是完全共格界面。③如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列不能達到完全相同，但相近，這樣形成的界面在小區(qū)域內(nèi)可以利用少量得到彈性變形來維持共格關系，適當利用位錯的半原子面來進行補償，達到能量較低，這就是半共格界面，在半共格界面中的界面能主要是為維持共格的彈性應變能。當二者相差較小，位錯的半原子面較少，共格的程度較高，界面的能量較低；隨著二者相差加大，位錯的半原子面需要較多(距離密集)，共格的程度下降，界面的能量隨之提高。共格程度可以用共格度(反之也用錯配度)來表示，共格度太小(或錯配度過大)，就失去了共格的意義，就是非共格界面。

新相形成時的能量變化3、新相形成時的體積應變能：由于成分或結構的差別，新舊兩相的比容不同，即比體積也不同，因此在新相形成和長大時必然要發(fā)生體積的變化。又因為母相是固體，不象液體那樣可以因流動來容納這個變化，受母相的約束，新相和母相都將產(chǎn)生彈性應變，例如相變時體積要是膨脹，則新相就承受壓應力而壓縮變形，母相承受拉應力而發(fā)生拉伸變形，彈性應變將帶來彈性應變能的增加。

決定彈性應變能的大小一方面是新舊兩相的比容差越大，材料的彈性模量越大，體積應變能越大；另一方面與新相的幾何形狀有關，設新相為橢球形，半徑比為c/a，在同樣的體積下，體積應變能和c/a的關系如圖所示。

新相形成時的能量變化4、晶體缺陷的作用：如果新相在母相的晶體結構缺陷處形成，原來的晶體缺陷消失，那部分能量的釋放可以補充其消耗。隨便指出，新舊相成分有變化時，母相的缺陷集中處對異類原子偏聚對形核還有另一方面的作用。

在一定過冷度(過熱度)下，第一項為負數(shù)，是轉變的驅動力；第二項是增加的界面能，第二項是增加的體積應變能，都是轉變的阻力；第四相為晶體缺陷消失釋放的能量，在數(shù)值上為負數(shù)。在有些資料為區(qū)分動力和阻力，將式中第一、四相前加上負號，這樣，計算時其變化量不是用