1、1第一章 材料中的原子排列第一节 原子的结合方式2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石） 、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力
2、很小，无方向性和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。氢键：（离子结合）X-H-Y（氢键结合） ，有方向性，如 O-HO（4）混合键。如复合材料。3 结合键分类（1） 一次键 （化学键）：金属键、共价键、离子键。（2） 二次键 （物理键）：分子键和氢键。4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。（2）非晶体：不规则排列。长程无序，各向同性。第二节 原子的规则排列一 晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1） 空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图 1-5特征：a 原子的理想排列；b 有 14 种。其中：空间点阵中的点阵点。它是纯
3、粹的几何点，各点周围环境相同。描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。（2） 晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。2 晶胞 图 16（1）：构成空间点阵的最基本单元。（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。（3） 形状和大小有三个棱边的长度 a,b,c 及其夹角 , 表示。（4） 晶胞中点的位置表示（坐标法） 。3 布拉菲点阵 图 1714 种点阵分属 7 个晶系。4 晶向指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向
4、。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。2（1） 晶向指数的标定a 建立坐标系。确定原点（阵点） 、坐标轴和度量单位（棱边） 。b 求坐标。u,v,w。c 化整数。 u,v,w.d 加 。uvw 。说明：a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。（2） 晶面指数的标定a 建立坐标系：确定原点（非阵点） 、坐标轴和度量单位。b 量截距：x,y,z。c 取倒数：h,k,l。d 化整数：
5、h,k,k。e 加圆括号：(hkl) 。说明：a 指数意义：代表一组平行的晶面；b 0 的意义：面与对应的轴平行；c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同） ，空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。e 若晶面与晶向同面，则 hu+kv+lw=0;f 若晶面与晶向垂直，则 u=h, k=v, w=l。（3）六方系晶向指数和晶面指数a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数） 。b 晶面指数的标定标法与立方系相同(四个截距 )；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k)。c 晶向指数的标定标法与立方系相同(四个
6、坐标 )；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点） 。坐标换算法：UVWuvtwu=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。（4）晶带a ：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。晶带轴 晶带面b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴；hu+kv+lw=0c 晶带定律凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。推论：(a) 由两晶面(h 1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴 uvw：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。(b) 由两晶向u 1v1w1u2v2w2求
7、其决定的晶面(hkl)。H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。（5） 晶面间距a ：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。b 计算公式（简单立方）：d=a/(h2+k2+l2)1/2注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方 hkl 不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=奇数时，d (hkl)=d/2。2 离子晶体的结构（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取3决于正负离子的半径比。（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量
8、的负离子配位多面体所共有。（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。3 共价键晶体的结构（1） 饱和性：一个原子的共价键数为 8-N。（2） 方向性：各键之间有确定的方位（配位数小，结构稳定）三 多晶型性元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。四 影响原子半径的因素（1） 温度与应力（2） 结合键的影响（3） 配位数的影响 （高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化。（4） 核外电子分布的影响（一周期内，随核外电子数增加至填满，原子半径减小至一最小值。第三节 原子的不规则排列原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶
9、体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。（晶体缺陷可分为以下三类。 ）点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一 点缺陷1 点缺陷的类型 图 131（1） 空位：肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。（2） 间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3） 置换原子：位于晶体点阵位置的
10、异类原子。2 点缺陷的平衡浓度（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位） ，这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在 G-n 曲线上出现了最低值，对应的 n 值即为平衡空位数。 ）（2）点缺陷的平衡浓度C=Aexp(-Ev/kT)3 点缺陷的产生及其运动（1） 点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2） 点缺陷的运动（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）
11、4 点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。 ）4（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。 ）力学性能（屈服强度提高。 ）二 线缺陷（位错）位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。 ）位错的提出：1926 年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（24 个数量级） 。1934 年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939 年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947 年，柯
12、垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950 年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用 TEM 直接观察到了晶体中的位错。1 位错的基本类型（1） 刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向/位错运动方向。 ）分类：正刃型位错（） ；负刃型位错（） 。（2） 螺型位错模型：滑移面/位错线。 （位错线/晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。 ）分类：左螺型位错；右螺型位错。（3） 混合位错模型：滑移面/位错线。2 位错的性质（1） 形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。（2） 是已滑移区和未滑移区的边界。（3）
13、 不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。3 柏氏矢量（1） 确定方法 (避开严重畸变区)a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为。（2） 柏氏矢量的物理意义a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量） 。b 表示晶体滑移的方向和大小。c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。d 判断位错的类型。（3） 柏氏矢量的表示方法a 表示: b=a/nuvw （可以用矢量加法进行运算） 。b 求模：/b/=a/nu 2+v2+w21/2。4 位错密度（1）
14、 表示方法：K/Vn/A（2） 晶体强度与位错密度的关系（- 图） 。（3） 位错观察：浸蚀法、电境法。5 位错的运动（1） 位错的易动性。（2） 位错运动的方式a 滑移：位错沿着滑移面的移动。刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面螺型位错的滑移：具有多个滑移面。位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用。b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 5机制：原子面下端原子的扩散位错随半原子面的上下移动而上下运动。分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、原子加入） 。应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。（3） 作用在位错上的力（单位距离上）滑移：f=b；攀移：
15、f=b。6 位错的应变能与线张力（1） 单位长度位错的应变能：W=Gb 2。（0.51.0, 螺位错取下限，刃位错取上限。 ）（2） 位错是不平衡的缺陷。（商增不能抵销应变能的增加。 ）（3） 位错的线张力：T=Gb 2。（4） 保持位错弯曲所需的切应力：Gb/2r。7 位错的应力场及其与其它缺陷的作用（1） 应力场螺位错：Gb/2r。 （只有切应力分量。 ）刃位错：表达式（式 19）晶体中：滑移面以上受压应力，滑移面以下受拉应力。滑移面：只有切应力。（2） 位错与位错的交互作用f=b ， f= b （刃位错） 。同号相互排斥，异号相互吸引。 （达到能量最低状态。 ）（3） 位错与溶质原子的相
16、互作用间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。（4） 位错与空位的交互作用导致位错攀移。8 位错的增殖、塞积与交割（1） 位错的增殖：F-R 源。（2） 位错的塞积分布：逐步分散。位错受力：切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻力。（3） 位错的交割位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量（变化方向和大小） 。割阶：位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。扭折：位于。对性能影响：增加位错长度，产生固定割阶。9 位错反应（1） 位错反应：位错的分解与合并。（2） 反应条件几何条件：b 前 =b 后 ；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。能量条件：b
17、 2 前 b 2 后 ; 反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。10 实际晶体中的位错（1）全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。（实际晶体中的典型全位错如表 17 所示）（2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。（实际晶体中的典型不全位错如表 17 所示）（3） 肖克莱和弗兰克不全位错。肖克莱不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。 （结合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。 ）弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。 （只能攀移，不能滑移。 ）（4） 堆垛层错与扩展位错堆垛层错：晶体中原
18、子堆垛次序中出现的层状错排。6扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错称之。三 面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。1 晶界（1） 晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。（2） 分类大角度晶界：晶粒位向差大于 10 度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。小角度晶界：晶粒位向差小于 10 度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界：位向差小于 1 度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。2 相界（1） 相界：相邻两个相之间的界面。（2） 分类：共
19、格、半共格和非共格相界。3 表面（1） 表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。（2） 分类物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。4 界面特性（1） 界面能会引起界面吸附。（2） 界面上原子扩散速度较快。（3） 对位错运动有阻碍作用。（4） 易被氧化和腐蚀。（5） 原子的混乱排列利于固态相变的形核。第二章 固体中的相结构合金与相1 合金（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。（2）组元：组成合金最基本的物质。 （如一元、二元、三元合金（3）合金系：给定合金以不同的比例而
20、合成的一系列不同成分合金的总称。2 相（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。 （如单相、两相、多相合金。）（2）相的分类固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。第一节 固溶体按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。1 置换固溶体（1） 置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。（2） 影响置换固溶体溶解度的因素a 原子尺寸因素原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。r=(r A-r
21、B)/rA当r5000） 。按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物。2 化学组成（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例）（1） 单体：组成高分子化合物的低分子化合物。（2） 链节：组成大分子的结构单元。（3） 聚合度 n：大分子链中链节的重复次数。3 高分子化合物的合成（1） 加聚反应a 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。 （其产物为聚合物）b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。c 分类均聚反应：由一种单体参与的加聚反应。共聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应。（2） 缩聚反应a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子化合物的反应。b 分类均缩聚反
22、应：由一种单体参加的缩聚反应。共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。4 高分子化合物的分类（1） 按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂、涂料等。（2） 按生成反应类型：加聚物、缩聚物。（3） 按物质的热行为：热塑性塑料和热固性塑料。5 高分子化合物的结构（1） 高分子链结构（链内结构，分子内结构）a 化学组成b 单体的连接方式均聚物中单体的连接方式：头尾连接、头头或尾尾相连、无轨连接。共聚物中单体的连接方式：无轨共聚：ABBABBABA交替共聚：ABABABAB嵌段共聚：AAAABBAAAABB接枝共聚：AAAAAAAAAAAB B9B BB Bc 高分子链的构型（按取代基的位置与
23、排列规律）全同立构：取代基 R 全部处于主链一侧。间同立构：取代基 R 相间分布在主链两侧。无轨立构；取代基 R 在主链两侧不规则分布。d 高分子链的几何形状：线型、支化型、体型。（2） 高分子的聚集态结构（链间结构、分子间结构）无定形结构、部分结晶结构、结晶型结构 （示意图）6 高分子材料的结构与性能特点（1） 易呈非晶态。（2） 弹性模量和强度低。（3） 容易老化。（4） 密度小。（5） 化学稳定性好。第五节 玻璃相1 结构：长程无序、短程有序（1） 连续无轨网络模型。（2） 无规密堆模型。（3） 无轨则线团模型。2 性能（1） 各向同性。（2） 无固定熔点。（3） 高强度、高耐蚀性、高导
24、磁率（金属） 。第三章 凝固与结晶凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。第一节 材料结晶的基本规律1 液态材料的结构结构：长程有序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。2 过冷现象（1） 过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 （见热分析实验图）（2） 过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。T=Tm-T (见冷却曲线)注：过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行） 。3 结晶过程（1） 结晶的
25、基本过程：形核长大。 （见示意图）（2） 描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用 N 表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用 G 表示。第二节 材料结晶的基本条件1 热力学条件（1）G-T 曲线（图 34）a 是下降曲线：由 G-T 函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-S10b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d2G/d2T=-Cp/Tc 液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。（2）热力学条件Gv=L mT/T ma T0, Gv0 时, G k 非 0；能量条件：能量起伏；结
26、构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相率分析，必要性：成分均匀化。 ）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。3 固溶体的不平衡结晶（1） 原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀） 。（2） 结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图） ；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。（3） 成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。 ）4 稳态凝固时的溶质分布（1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。（2）平衡分配系数：
27、在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。k0=Cs/Cl（3）溶质分布：液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）a;固相不混合、液相完全混合b;固相不混合、液相完全不混合c；固相不混合、液相部分混合d。（4） 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响（1） 成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。（2） 形成：界面溶质浓度从高到低液相线温度从低到高。（图示：溶质分布曲线匀晶相图液相线温度分布曲线实际温度分布曲线成分过冷区。 ）（3）成分过冷形成的条件和影响因素13条件：G/R2.11%）4 平衡结晶过程及其组织（1） 典型合金（7 种）的平衡结晶过程、组
28、织变化、室温组织及其相对量计算。（2） 重要问题：Fe 3C , Fe3C , Fe3C 的意义及其最大含量计算。Ld-Ld转变。二次杠杆的应用。5 含碳量对平衡组织和性能的影响（1） 对平衡组织的影响（随 C%提高）组织：Fe 3C LdFe 3C ；相： 减少，Fe 3C 增多；Fe3C 形态：Fe 3C （薄网状、点状） 共析 Fe3C（层片状） Fe3C （网状） 共晶 Fe3C（基体） Fe3C （粗大片状） 。（2） 对力学性能的影响强度、硬度升高，塑韧性下降。（3） 对工艺性能的影响适合锻造：C%3 12 Cu,Al,Ni,Au1106 2 12 Fe,W,Mo体心立方 1211
29、2 1 12 Fe,W12324 1 24 Fe00011 3 3 Mg,Zn,Ti密排六方 1010 3 Mg,Zr,Ti1011 6 Mg,Ti一般滑移系越多，塑性越好；滑移系数目与材料塑性的关系： 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关（c） 。（3）滑移的临界分切应力（c）c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。外力在滑移方向上的分解。c 取决于金属的本性，不受 ， 的影响； 或 90时， s ；c scoscos s 的取值 ，45时， s 最小，晶体易滑移；软取向：值大；取向因子：coscos 硬取向：值小。（4）位错运动的阻力 派纳力： P-N=2G
30、/(1-v)exp-2a/(1-v)b主要取决于位错宽度、结合键本性和晶体结构。4 滑移时晶体的转动（1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向（力轴方向不变） 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。几何硬化：， 远离 45，滑移变得困难；（2）取向因子的变化几何软化；， 接近 45，滑移变得容易。5 多滑移多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。（1） 滑移的分类 双滑移：单滑移：（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。6 交滑移（1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。螺位错的交滑移：螺位错从一个滑
31、移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；（2） 机制 螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。单滑移：单一方向的滑移带；（3）滑移的表面痕迹 多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。二 孪生23（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。孪生面 A1111, A2112, A31012（2）孪生的晶体学 孪生方向 A1,A2, A3孪晶区（3）孪生变形的特点滑移 孪生相同点 1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。晶体位向 不改变（对抛光面观察无重现性） 。改变，形成镜面对称关系（对抛
32、光面观察有重现性）位移量 滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献 很大，总变形量大。 有限，总变形量小。变形应力 有一定的临界分切压力 所需临界分切应力远高于滑移变形条件 一般先发生滑移 滑移困难时发生不同点变形机制 全位错运动的结果 分位错运动的结果第二节 多晶体的塑性变形1 晶粒之间变形的传播位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变2 晶粒之间变形的协调性（1） 原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2） 要求：各晶粒之间变形相互协调。 （独立变形会导致晶体分裂）（3） 条件：独立滑移系5 个。 （保证晶粒形状的自由变化）3 晶
33、界对变形的阻碍作用（1） 晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2） 晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。（3） 晶粒大小与性能的关系a 晶粒越细，强度越高( 细晶强化：由下列霍尔配奇公式可知 )s=0+kd-1/2原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 （有尺寸限制）晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。b 晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。第三节 合金的塑性变形一 固溶体的塑性变形1 固溶体的结构2 固溶强化（1）固溶强
34、化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。晶格畸变，阻碍位错运动；（2）强化机制柯氏气团强化。（3）屈服和应变时效24现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展） 。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。（4） 固溶强化的影响因素溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。二 多相合金的塑性变形1 结构：基体第二相。2 性能（1） 两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）
35、软基体硬第二相第二相网状分布于晶界（二次渗碳体） ；a 结构 两相呈层片状分布（珠光体） ；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体） 。弥散强化：位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b 强化沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）第四节 塑性变形对材料组织和性能的影响一 对组织结构的影响晶粒拉长;1 形成纤维组织杂质呈细带状或链状分布。2 形成形变织构（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。 （拉拔时形成）（2）常见类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。 （轧制时形成）力学性能：
36、利：深冲板材变形控制；弊：制耳。（3）对性能的影响：各向异性物理性能：硅钢片织构可减少铁损。3 形成位错胞变形量 位错缠结 位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。 ）二 对性能的影响1 对力学性能的影响（加工硬化）（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。强化金属的重要途径；利 提高材料使用安全性；（2）利弊 材料加工成型的保证。弊 变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。2 对物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。25三 残余应力（约占变形功的 10）第一类残余应
37、力（ ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。1 分类 第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2 利弊弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。3 消除：去应力退火。第八章 回复与再结晶第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化一 回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。二 显微组织变
38、化（示意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。三 性能变化1 力学性能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。2 物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。四 储存能变化（示意图）1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（10）变形功。弹性应变能（312）2 存在形式 位错（8090） 是回复
39、与再结晶的驱动力点缺陷3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。五 内应力变化回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。第二节 回复一 回复动力学（示意图）1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x0 原始加工硬化残留率；x退火时加工硬化残留率；c0比例常数；t加热时间；T加热温度。2 动力学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。二 回复机理移至晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动 空位间隙原子 消失 缺陷密度降低26
40、（0.10.2Tm） 空位聚集（空位群、对）异号位错相遇而抵销2 中温回复：位错滑移 位错缠结重新排列 位错密度降低（0.20.3Tm） 亚晶粒长大3 高温回复：位错攀移（滑移） 位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚（0.30.5Tm）晶粒） 弹性畸变能降低。三 回复退火的应用去应力退火：降低应力（保持加工硬化效果） ，防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。第三节 再结晶亚晶合并形核亚晶长大形核机制 亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分）1 形核 （变形量较大时）晶界凸出形核（晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向）（变形量较小时）驱动力：畸变能差2 长大方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。注：
41、再结晶不是相变过程。二 再结晶动力学（示意图）（1） 再结晶速度与温度的关系v 再 Aexp(- QR/RT)（2） 规律开始时再结晶速度很小，在体积分数为 0.5 时最大，然后减慢。三 再结晶温度1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在 1h 内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度。高纯金属：T 再 (0.250.35)Tm。2 经验公式 工业纯金属：T 再 (0.350.45)Tm。合金：T 再 (0.40.9)Tm。注：再结晶退火温度一般比上述温度高 100200。变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；3 影响因素 纯度越高，再结晶温度越低；加热速度太低
42、或太高，再结晶温度提高。四 影响再结晶的因素1 退火温度。温度越高，再结晶速度越大。2 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。4 微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。5 第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图）再结晶晶粒的平均直径d=kG/N1/41 变形量（图） 。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。2 原始晶
43、粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒细化。3 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化。4 温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶粒粗化；退火温度越高，临27界变形度越小，晶粒粗大。六 再结晶的应用恢复变形能力改善显微组织再结晶退火 消除各向异性提高组织稳定性再结晶温度：T 再 100200。第四节 晶粒长大驱动力：界面能差；长大方式：正常长大；异常长大（二次再结晶）一 晶粒的正常长大1 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。2 驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。晶界趋于平直3 晶粒的稳定形状 晶界夹角趋于 120二维坐标中晶粒边
44、数趋于 64 影响晶粒长大的因素（1） 温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。（2） 分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一般有晶粒稳定尺寸 d和第二相质点半径 r、体积分数 的关系：d=4r/3（3） 杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。（4） 晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。二 晶粒的异常长大1 异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。钉扎晶界的第二相溶于基体2 机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并大晶粒吞并小晶粒 各向异性织构明显 优化磁导率3 对组织和性能的影响 晶粒大小不均 性能不均降低强度和塑韧性晶粒粗大 提高表面粗糙度三
45、 再结晶退火的组织1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。 （图）2 再结晶织构。再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织构消除，也可形成新织构。3 退火孪晶。再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。第五节 金属的热变形一 动态回复与动态再结晶1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。包含亚晶粒，位错密度较高特点 反复形核，有限长大，晶粒较细应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小晶粒。二 金属的热加工冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。1 加工的分类 热加工：在再结晶温度以上的加
46、工过程。硬化、回复、再结晶。2 热加工温度：T 再 T 热加工 T 固 100200。3 热加工后的组织与性能（1） 改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。（2） 形成纤维组织（流线） 。组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。28性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。（3） 形成带状组织形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。影响：各向异性。消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散退火或正火。4 热加工的优点（1） 可持续大变形量加工。（2） 动力消耗小。（3） 提高材料质量和性能三 超塑性1 超塑性：某些材料在特定变形条件下
47、呈现的特别大的延伸率。2 条件：晶粒细小、温度范围（0.50.65Tm） 、应变速率小（10.01%/s） 。3 本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。 第九章 固态相变第一节 概述一 固态相变的特点界面能增加1 相变阻力大 额外弹性应变能：比体积差 固态相变扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 困难 2 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系* 新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。共格界面类型 半共格 为降低界面能，形成共格、半共格界面 位向关系非共格3 惯习现象* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。惯习方向 （母相）惯习面原因：沿应变能最小的方向和界面能最
48、低的界面发展。4 母相晶体缺陷促进相变点缺陷类型 线 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。面 （思考：晶粒细化对相变的影响）5 易出现过渡相* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） Fe 3C +(3Fe+C)例 M +Fe3C二 固态相变的分类1 按相变过程中原子迁移情况（1）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C 都可扩散。 ）（2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，Fe,C 都不扩散。 ）（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe 切变，C 扩散。 ）2 按相变方式分类（1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。大多数固态相29变属于此类。（2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。3 按热力
