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阵点在空间呈周期性规则排列,并具有等同的周围环境的模型。
3)晶格(空间格子)
作许多平行的直线把阵点连接起来,构成一个三维的几何格架称为晶格。
4)晶胞
1定义
在空间点阵中,能代表空间点阵结构特点的小平行六面体。
整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。
2晶胞参数
晶胞三条棱边的边长a、b、c及晶轴之间的夹角Q、B、y称为晶胞参数。
4、晶面指数与晶向指数
1)晶向
晶体中的某些方向,涉及到晶体中原子的位置,原子列
方向,表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。
2)晶面
晶体中原子所构成的平面。
国际上通用的是用密勒指数表ZF晶面及晶向。
1晶向指数
2晶面指数
3)金属的三种典型晶体结构
1密排六方hep:
密排面为(0001)ABABAB……
2面心立方fee:
密排面为{111}ABCABCABC……
3体心六方bee:
密排面为(100)ABABAB……
4)配位数和致密度
1配位数
2致密度
5)晶体结构中的间隙
1八面体间隙
2四面体间隙
6)同素异晶性(多型性)
当外界条件(温度、压力)改变时,元素的晶体结构可以发生转变,这种性能称作同素异晶性,或称多型性,这种转变则称为同素异晶转变或多型性转变,转变的产物叫同素异晶体。
第二章合金相结构
①置换
溶体
1、固溶体
2间隙固溶体
2)影响置换固溶体固溶度的因素
1原子尺寸
2化学亲和力(电负性)
3电子浓度(原子价)
4晶体结构
5有序化
3)有序化对合金性能的影响:
1通常提高硬度、强度、降低塑性一一有序强化;
2电阻降低;
3影响铁磁性;
4影响弹性性质
2、固溶体的性质
1)固溶强化
浓度增加,
强度也增力口。
溶体的强度总是比组成它的纯组元高,且随溶质原子
2)改变物理、化学性质
3)改变点阵常数
4)金属间化合物(中间相)
第三章空位与位错
1、空位
空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺陷,原子作热振动,一定温度下原子热振动能量一定,呈统计分布,在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚,迁移至别处,形成空位。
空位形成引起点阵畸变,亦会割断键力,故空位形成需能量,空位形成能(AEV)为形成一个空位所需能量。
2、空位的热力学分析
点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷,而点缺陷是热力学稳定的缺陷。
在一定温度下,晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子,其数量可近似算出。
3、空位的性质
1)晶体中空位在热力学上是稳定的,一定温度T对应一平
衡浓度C;
2)C与T呈指数关系,温度升高,空位浓度大大增大;
3)空位形成能AEV大,空位浓度小。
4、过饱和空位
给定温度下,晶体中存在一平衡的空位浓度。
5、产生过饱和空位条件
1)高温淬火
2)塑性变形
3)高能粒子辐射
4)形成金属间化合物
6、空位的迁移
空位在晶体中的分布是一个动态平衡,其不断地与周围原子交换位置,使空位移动所必需的能量,叫空位移动能Emo
空位移动所造成的原子迁移,即金属晶体中的自扩散。
自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。
7、空位对金属性能的影响
1)对电阻的影响(空位引起点阵畸变,使传导电子受到散
射,产生附加电阻)
2)对力学性能的影响
3)对高温蠕变的影响
8、位错的基本类型及特征
1)刃型位错特征:
1刃型位错有一额外半原子面:
2位错线不一定是直线,可以是折线或曲线,但刃型位错线必与滑移矢量垂直,且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面;
3位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,又有切应
变;
4位错是一管道。
2)螺型位错特征:
1螺型位错无额外半原子面,原子错排呈轴对称;
2螺型位错与滑移矢量平行,故一定是直线;
3位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直。
3)混合位错
位错线上任一点的滑移矢量相同,但两者方向夹角呈任意角度。
4)柏氏矢量b的物理意义
1表征位错线的性质
2b表征了总畸变的积累
3
b表征了位错强度
不稳定O
位错的许多性质,如位错的能量,应力场,位错受力等,都与b有关。
5)位错的运动
①位错移动阻力——点阵阻力,又叫派一纳力(Peiris-
nNabarro),此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
2刃型位错的运动方式:
滑移、攀移
3影响攀移因素:
A、温度:
温度升高,原子扩散能力增大,攀移易于进行。
B、正应力:
垂直于额外关原子面的压应力,促进正攀移,
拉应力,促进负攀移。
6)螺型位错的运动特点
螺位错无多余半原子面,只能作滑移。
7)混合位错的运动
9、位错的应力场(位错的弹性行为)
位错的存在,在其周围的点阵发生不同程度的畸变。
中
心部分畸变程度最为严重,为位错中心区,这部分超出了弹
性应变范围,不讨论,仅讨论中心区以外的弹性畸变区,借助弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质。
1)螺型位错应力场
Gb
G为切变模量
2兀x2+y2
Gbx
=x
2席x2+y2
=0
arr=(Tee=(Tzz-CTr6=(J&
=耳=听=°
2)刃型位错应力场
°
如V)
3+7P
特征:
①只有切应力,无正应力
2t的大小与r呈反比,与G、b呈正比
3T与B无关,所以切应力是轴对称的
8=、9“+巧丿
J=J
/x2-b)
"
”(x2+b)2
G为切变模量,v为泊松比
D=Gbf2g—V}
采用
则为:
应力场特点
1应力的大小与r呈反比,与G、b呈正比
2有正、切应力,同一地点IOxx|>
|Oyy|,oyy较复杂,不作重点考虑
3y>
0,oxx<
0,为压应力
y<
0,oxx>
0,为拉应力
y二0,axx=oyy=0,只有切应力
y=±
x,只有oxx、ozz
3)位错的应变能
位错的存在在其点阵周围产生弹性应变与应力,储存的能量包括:
斫:
位错长程应力场的能量
£
厂中心区域应变能,为总应变能的吉~着,忽略
1螺型位错的应变能
2刃型位错应变能
3混合位错的应变能
任何一个混合位错都可分解为一刃型位错和一个螺型位错,设其柏氏矢量b与位错线交角为8,则:
丑m+Eg
=Gb"
In—(1-vcos20)
4加(1-v)r0
刃位错9=90°
螺位错9=0°
实际晶体中,r。
约为埃的量级(约为1(Tcm);
R约为亚晶尺寸,约为10-3-10-4cm,v取1/3可得单位长度位错应变能E=KGb2,从以上讨论可得:
A、E与X呈正比,b小则应变能低,位错愈稳定。
B、E随R增大而增加,说明位错长程应力场的能量占主导作用,中心区能量小,可忽略。
C、在晶体中最易于形成螺型位错。
D、两点间以直线最短,所以直线位错比曲线位错能量小,位错总有伸直趋势。
位错存在导致内能升高,同时位错的引入又使晶体爛值增加。
由F二E内-TS,通过估算得出,因应变能而引起系统自由能的增加,远大于爛增加而引起系统自由能的减小。
故位错与空位不同,它在热力学上是不稳定的。
10、位错的受力
1)位错的线张力
为了降低能量,位错有由曲变直,由长变短的倾向。
线张力T表示增加单位长度位错线所需能量,在数值上等于位错应变能。
位错在受力弯曲时,单位长度位错线弯曲所需外力为
彳FT•<
18TGb2
7=—==—=K
dsdsRR
2)外力场中位错所受的力
•
作用于单位长度位错线上力为:
••X—
2R
可见平衡条件下,曲率半径R越小,即位错越弯曲,所需与之平衡的切应力T越大。
11、位错与晶体缺陷的相互作用
1)两平行螺型位错间的交互作用
②b,b‘同号,Fr为正值,两位错相互排斥③b,b‘异号,Fr为负值,两位错相互吸引2)两个平衡刃型位错之间的相互作用
_如2X(宀声)
1滑移力Ef“2_2兀(1"
)X+"
=Gb®
y(3x2+尹2)
2攀移力行=62兀(1-7)+y2)2
根据以上两式可推断出,在不同位置所受到的攀移力和
滑移力。
3Fy与y轴方向一致,Fy为正,即指向上,为负即指向下。
故可推知,两位错沿y轴方向是互相排斥的。
4滑移力Fx变化规律为:
A、x2>
y2,Fx指向外,即排斥
D、
x=±
y,Fx二0,处于介稳平衡位置
B、x2<
y2,Fx指向内,吸引
据此可了解金属退火后亚晶界的形成。
如稳定同号位错
沿垂直于滑移面方向排列。
小角度晶界、亚晶界即是这样排列的结果。
3)位错的交截
在滑移面上运动的某一位错,必与穿过此滑移面上的其它位错(称为“位错林”)相交截,该过程即为“位错交截”O位错相互切割后,将使位错产生弯折,生成位错折线,这种折线有两种:
1割阶:
垂直滑移面的折线
2扭折:
在滑移面上的折线
3小结:
位错交截后产生“扭折”或“割阶”o“扭折”可以是刃型、亦可是“螺型”,可随位错线一道运动,几乎不产生阻力,且它可因位错线张力而消失。
“割阶”都是刃型位错,有滑移割阶和攀移割阶,割阶不会因位错线张力而消失。
4)位错的塞积
位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截外,还可能遇到晶界,挛晶界,相界等障碍物而产生“塞积”现象。
1刃位错间相互斥力
_G以2
2位错塞积群对位错源的反作用力x,=T^/_,此力与塞积群中的位错数目成正比。
3障碍物对塞积群的反作用力
该力超过一定值时,就会把障碍物“冲垮”,这意味着
晶体开始发生变形。
反作用力:
T二nTO
可见障碍物与领先位错间的作用力是外加分切应力的n倍,所以在障碍物处产生很大的应力集中,这样可能出现三种情况。
A、使相邻晶粒屈服(即促使相邻晶粒的位错源开动);
B、在障碍物前端萌生微裂纹;
C、障碍物不坚硬时,位错切过。
5)位错与点缺陷之间的交互作用
①位错与溶质原子的交互作用
通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物,称为“科垂耳气团”(CottreIIAtmosphere),这种气团阻碍位错运动产生强化。
用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服点现象。
2位错与空位的交互作用
空位通常被吸引到刃型位错的压缩区,或消失在刃型位错线上,使位错线产生割阶,空位与位错
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