第一节金属变形概述--西安交大材料科学基础
大学材料科学基础第八章材料的变形与断裂(1)
六方晶系则需画图判定。
滑移系数量与金属的塑性 滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。 面 心 立 方 金 属 ： Cu，Al，Au，Ag,，Ni，γ－Fe， 奥氏体钢，体心立方金属α－Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。
金属拉伸曲线分析。 1 弹性变形阶段：ζ－ε呈直线关系。
（弹）塑性变形阶段： ζ-ε不遵循虎克定律
2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：ε增加，ζ基本保 持不变， ζ－ε呈非线性关系。 3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。 4 断裂阶段：从颈缩到断裂。
拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：
拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
θ－滑移面法线与拉伸轴的夹角
4 力轴作用在任意方向
二、孪晶（孪生）变形
孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下， 金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑 移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行， 称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属，当 处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方式进 行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般不发 生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速度极 快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。
西安交通大学-2019年-硕士研究生 804材料科学基础考试大纲-01
《材料科学基础》（804）考试大纲一、《材料科学基础》（804）参考教材如下：
石德珂编著，《材料科学基础》第二版，机械工业出版社，2003二、《材料科学基础》考试大纲
第一章材料结构的基本知识
1、原子结构
2、原子结合键
3、原子排列方式
4、晶体材料组织
5、材料的稳态结构与亚稳态结构
第二章材料中的晶体结构
1、晶体学基础
2、纯金属的晶体结构、
3、离子晶体的结构
4、共价晶体的结构
第三章高分子材料结构
1、概述
2、高分子链的结构与构象
3、高分子的聚集态结构
4、高分子材料的性能与结构
第四章晶体缺陷（本章对位错的能量与交互作用不做要求）
1、点缺陷
2、位错的基本概念
3、位错的能量及交互作用。
金属塑型变形优秀课件
➢ 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外 力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞 积位错前端的应力达到一定程度，加上 相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处 于不利位向滑移系上的位错开动，从而 使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒， 当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示 出明显的塑性变形。
（三）晶粒大小对金属力学性能的影响
• 滑移只能在切应力的作用下发 生。产生滑移的最小切应力称 临界切应力.
（2）滑移系
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。
通常是晶体中的密排面和密排方向。 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原
子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最 弱，产生滑移所需切应力最小。
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
• 晶粒位向的影响 ➢ 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了
保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹 性变形来与之协调。这种弹性变形
便成为塑性变形晶粒 的变形阻力。由于晶 粒间的这种相互约束， 使得多晶体金属的塑 性变形抗力提高。
➢ 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方 晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立 方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在， 这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称 退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形 （一）特点 • 单个晶粒变形与单晶体相似，每
金属塑型变形优秀课件
第一节 金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在任何
晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 性变形及解理断裂。只有在
西安交大材科基教学大纲
西安交通大学《材料科学基础》课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Materials Science课程编号：MATL3001学时：96 学分：6适用对象：材料科学与工程专业本科生先修课程：大学物理、普通化学、物理化学、工程力学课程的性质和目的“材料科学基础”是材料科学与工程学科各专业本科生的必修课，是后续各门专业课程的理论基础课，也是材料科学与工程学科各专业的材料工作者从事材料科学基础研究以及开发新材料、新工艺必备的基本知识和基本能力。
学习本课程的目的，是使学习者深刻理解材料的成分-结构-工艺-组织-性能诸方面的内在联系的根本原因、基本知识和基本应用，为学习后续专业课程奠定坚实的基础理论知识；为将来创造新理论、研制新材料、开发新工艺提供新思路和理论指导课程教学内容绪论第一章材料结构的基本知识第一节原子结构一、原子的电子分布;二、元素周期表及性能的周期性变化第二节原子结合键一、一次键;二、二次键;三、混合键;四、结合键的本质及原子间距第三节原子排列方式一、晶体与非晶体;二、原子排列的研究方法第二章材料中的晶体结构第一节晶体学基础一、空间点阵和晶胞;二、晶系和布拉菲点阵;三、晶向指数和晶面指数;四、晶面间距;五、晶带及晶带定理;六、晶体的极射赤面投影图第二节纯金属的晶体结构一、金属的典型晶体结构;二、多晶型性;三、晶体的原子半径;第三节离子晶体的结构一、离子晶体的主要特点;二、离子半径、配位数和负离子配位多面体;三、离子晶体的结构规则;四、离子晶体的典型结构第四节共价晶体的结构一、共价晶体的主要特点;二、共价晶体的典型结构第三章晶体缺陷第一节点缺陷一、点缺陷的类型;二、点缺陷的浓度;三、点缺陷与材料行为;第二节位错的基本概念一、位错学说的产生;二、位错的几何形态;三、位错的运动第三节位错的弹性性质一、应力和应变分析;二、位错的应力场;三、为错的应变能第四节作用在位错线上的力一、Petch-Koehler公式;二、外加应力对位错的作用力;三、位错间的互作用力;四、位错与溶质原子的互作用力; 五、位错的线张力; 六、位错运动的点阵阻力;七、晶体表面对位错的作用力——映像力第五节实际晶体结构中的位错一、全位错;二、堆垛层错;三、不全位错;四、位错反应第六节晶体中的界面一、晶界的结构与晶界能;二、表面及表面能;三、表面吸附与晶界内吸附;四、浸润行为;五、界面能与显微组织形貌的变化第四章材料的相结构与相图第一节材料的相结构一、固溶体;二、化合物第二节二元相图及其类型一、相图的基本知识;二、一元系相图;三、二元系相图;四、材料性能与相图的关系第三节复杂相图分析一、分析方法;二、复杂相图分析举例;三、铁-碳合金相图第四节相图的热力学基础一、固溶体的吉布斯自由能-成分曲线;二、克劳修斯-克莱普隆方程;三、相平衡条件;四、由吉布斯自由能-成分曲线推测相图第五节三元系相图及其类型一、三元相图的成分表示方法;二、三元匀晶相图;三、三元系中的相平衡分析;四、具有四相共晶反应的三元系相图;五、三元系相图实例分析第五章材料的凝固第一节材料凝固时晶核的形成一、结晶的基本规律;二、均匀形核;三、形核率;四、非均匀形核第二节材料凝固时晶体的生长一、晶核长大的必要条件;二、固/液界面的微观构造;三、晶核长大方式第三节固溶体的凝固一、固溶体的平衡凝固;二、固溶体的不平衡凝固;三、成分过冷及其影响第四节共晶合金的凝固一、共晶体的形态;二、共晶体的形核及生长;三、先共晶相的形态第五节制造工艺与凝固组织一、铸锭和铸件凝固的组织与偏析;二、连续铸造和熔化焊的凝固组织第六节用凝固法材料的制备技术一、区域提纯;二、制备单晶;三、用快速冷凝法制备金属玻璃;四、定向凝固第六章高分子材料的结构第一节高分子材料概述一、高分子材料的基本概念;二、高分子材料的合成;三、高分子材料的分类第二节高分子链的结构及构象一、高分子链的化学组成;二、结构单元的键接方式和构型;三、高分子链的几何形状;四、高分子链的构象及柔顺性第三节高分子的聚集态结构一、晶态聚合物的结构;二、非晶态聚合物的结构;三、聚合物的结晶度与玻璃化温度第四节高分子材料的性能与结构一、高分子材料的主要性能特点;二、高分子材料性能与结构的关系;三、改变高分子材料性能的途径第七章固态扩散第一节扩散定律及其应用一、扩散第一定律;二、扩散第二定律第二节扩散的微观机制一、扩散的主要机制;二、扩散系数;三、扩散激活能第三节扩散的驱动力及反应扩散一、扩散的驱动力;二、反应扩散第四节影响扩散的因素一、温度的影响;二、原子键力的影响;三、晶体结构的影响;四、固溶体类型及浓度的影响;五、晶体缺陷的影响第八章材料的变形与断裂第一节金属变形概述第二节金属的弹性变形一、弹性变形的主要特点;二、弹性模量的物理意义;三、弹性模量在工程上的应用第三节滑移与孪生变形一、晶体的滑移与观察;二、滑移机制;三、晶体的滑移系;四、孪生变形第四节单晶体的塑性变形一、施密特定律;二、晶体的始滑移系;三、夹头固定情况下滑移过程中的晶体转动;四、晶体滑移的种类;六、单晶体表面滑移线方位（晶向指数）的确定第五节多晶体的塑性变形一、多晶体塑性变形的特点;二、细晶强化及其机理第六节纯金属的形变强化一、金属的形变强化;二、形变强化的位错机理;三、单晶体的形变强化;四、形变强化的工程意义第七节合金的变形与强化一、固溶体的变形与固溶强化;二、多相合金的变形与强化第八节冷变形金属的组织与性能一、冷变形金属的组织变化;二、冷变形金属的性能变化第九节金属的断裂一、理论断裂强度;二、实际断裂强度第十节冷变形金属的回复和再结晶一、冷变形金属加热时的组织和性能变化;二、冷变形金属的回复;三、冷变形金属的再结晶;四、再结晶后的晶粒长大第十一节金属的热变形、蠕变及超塑性一、金属的热变形;二、金属的蠕变;三、金属的超塑性第十二节陶瓷晶体的变形一、陶瓷晶体变形的特点;二、影响陶瓷晶体变形的主要因素第十三节高分子材料的变形一、热塑性塑料的变形;二、热固性塑料的变形第九章固体材料的电子结构与物理性能第一节固体的能带理论一、能带的形成;二、金属的能带结构与导电性;三、费米能;四、半导体与绝缘体第二节半导体一、本征半导体;二、掺杂半导体;三、化合物半导体第三节材料的磁性一、原子的磁矩;二、抗磁体、顺磁体和铁磁体;三、磁化曲线与磁畴结构第四节材料的光学性能一、光子的能量;一、光的吸收与透射;二、材料的发光性能第五节材料的热学性能一、摩尔热容;二、热膨胀;三、导热性能第六节形状记忆合金一、问题的提出;二、形状记忆现象;三、形状记忆效应;四、形状记忆原理简介;五、常用形状记忆合金;六、形状记忆合金应用举例;七、工程设计练习;八、本节小结;九、一道课后思考题课程重点在上述教学内容中，重点为以下四部分：第二章材料的晶体结构一般情况下，金属材料都是晶态，陶瓷材料中大多呈晶态，而高分子材料为部分晶态。
第一节 金属塑性成性原理
（2）晶粒位向对多晶体变形的影响：
多晶体中各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时， 为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必 以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的 变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑 性变形抗力提高。
２）残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时，内部变 形不均匀而引起的。
金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留
于金属中。
３ 、回复与再结晶：
加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态， 具有自发恢复稳定状态的趋势（但室温不行). 也就是，金属经冷变形后 , 组织处于不稳定状态 , 有自发恢 复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定 状态可长时间维持。 而加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结 晶和晶粒长大。
1)回复
金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶 格扭曲。加工硬化部分消除，原子获得能量, 振动加剧，回复正 常排列。 T回＝（0.25～0.3）T熔 （室温＋273）K T回、T熔分别位金属回复、熔化的绝对温度。
2)再结晶
温度再增加，金属原子获得更多能量，加热到一定温度时 ,则以 某些碎晶和杂质为核心重新结晶生长成新的晶粒 , 加工硬化完全 消除。 (1）再结晶过程特点: a）原子热振动加剧 b）以某些质点为核心重新结晶 c）加工硬化全部消除
(2)再结晶温度 再结晶不是恒温过程，而是自某一温度开始，在一定温度范围内 连续进行的过程。金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度， 称为再结晶温度。 T再=0.4T熔, T再—金属绝对再结晶温度。
材料科学基础 西安交大1原子与结构键合教案
（1）离子键
形成原因：金属元素特别是IA,IIA族金属在满壳层外面有少数 价电子，他们很容易逸出；另一方面，VIIA,VIA族的非金属 电子的外壳层只缺少1～2个电子便成为稳定的电子结构。当两 类原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结构，从而降低了体系的 能量。
最强
有方向性键、低配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、即使在熔态也不导 电
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
最弱 无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
二、键合多重性 ——有主有次、多种共存
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
类型
作用力来源
离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力
键合强弱
形成晶体的特点
强 无方向性键、高配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、固态不导电、熔态 离子导电
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力
N.Bohr将
M.Plank和A.Einstein量子论 Rutherford 原子有核模型
原子结构的量子理论
原子核
中子
原
质子
子
电子
电子的分布不仅决定了单个原子的 行为，也对材料内部原子的结合以 及材料的某些性质起着决定性作用。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数 （quantum numbers）表示
原子结合：正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。涉及到 原子外层电子的重新分布，电子在键合后不再仅仅属于原来的 原子 ，电子转移，结合力大，无方向性和饱和性。
导论-西安交大材料科学基础
● 材料科学 ——研究各种材料的结构、 制备加工工艺与性能之间关系的科学 ● 材料工程——目的在于经济地而又能 为社会所能接受地控制材料地结构、性能 和形状 ● 宏观材料学（Micro-Materialogy）— —着眼于从整体上分析材料问题。即以材 料的整体作为研究对象——系统,考虑它与 环境（自然的及社会的）之间的交互作用;
P = f(e,S) S = {E,R}
E——事物（或系统）内组元（Element）的集 合
R——组元间关系（Relationship）的集合
四、材料科学与工程
“材料学的体系”及“材料的应用与发展”
1引论 材料学
2失效
微观材料学
宏观材料学
3性能
4结构
5工艺
7选用
6经济
8科研
9系统
10展望
材料按空间尺度从大到小有：宇观→宏观→细观→微 观→介观
二、各种材料概况
金属材料（钢铁材料、有色金属） ●按属性分 陶瓷材料 （工程陶瓷、结构陶瓷） 高分子材料（塑料、合成纤维、橡胶） ●按使用性能分 结构材料
功能材料 ●材料在工业中的应用：
•汽车中各种材料的比例
•波音767飞机所用的各种材料比例
•航天飞机上的先进结构陶瓷返回源自三、材料性能与内部结构的关系
上页 下页
分析在环境的作用下,材料内部宏观组元 （各类材料、各种材料）的自组织问题。 微观材料学（Macro-Materialogy）—— 着眼于材料在自然环境（力、热、电、磁、 光、化学等）作用下所表现出来的各种行 为（即性能）,以及这些行为与材料内部 结构之间的关系。 “行为”——材料的性能,用于表征材料 在给定外界条件下的行为。
上页 下页
★材料的五要素
西安交大研究生材料科学基础判断题
1 晶体结构不同的晶体可能有相同的晶体点阵。
正确错误2 晶体中与每一个阵点相对应的基元都是相同的。
正确错误3 晶体中与一个阵点相对应的基元都是一个原子。
正确错误4 晶体中与一个阵点相对应的基元可能是一个原子，也可能是多个原子。
正确错误5 如果晶体中与一个阵点相对应的基元是多个原子，这些原子必定不是同一种原子。
正确错误6 在由一种原子组成的晶体中，与一个阵点相对应的基元必定是一个原子。
正确错误7 对不同的晶体，与一个阵点相对应的基元必定都是不相同的。
正确错误8 一个简单正交晶体的。
正确错误9 对一个简单正交晶体：。
正确错误10 根据立方晶系晶面间距的计算公式，计算得纯铜晶体的。
正确错误11 体心立方晶体{110}中的所有晶面属于同一个晶带。
正确错误12 晶体中任意两个相交晶面一定属于同一个晶带。
正确错误13 、、三个晶面属于同一个晶带。
正确错误14 体心立方晶体{100}晶面族中的晶面属于[100]晶带。
正确错误15 Zn是密排六方结构，属简单六方点阵。
正确错误16 晶体中面密度越高的晶面，其面间距必定也越大。
正确错误17 晶体中非平衡浓度空位及位错的存在都一定会使晶体的能量升高。
正确错误18 晶体中的位错环有可能是一个纯刃型位错，但绝不可能是一个纯螺型位错。
正确错误19 晶体中的不全位错一定与层错区相连，反之亦然。
正确错误20 如果晶体中的亚晶界是由刃位错墙构成的，则相邻亚晶粒间的位向差越大，位错墙中位错的间距就越大。
正确错误21 如果晶体中的亚晶界是由刃位错墙构成的，则相邻亚晶粒间的位向差越大，亚晶界的比界面能越大。
正确错误22 位错线的运动方向总是垂直于位错线。
23 位错线的运动方向总是平行于位错线。
正确错误24 位错线的运动方向总是垂直于其柏氏矢量。
正确错误25 位错线的运动方向总是平行于其柏氏矢量。
正确错误26 位错运动所引起的晶体滑移方向总是平行于其柏氏矢量。
正确错误27 位错运动所引起的晶体滑移方向总是垂直于其柏氏矢量。
西安交通大学材料科学基础课件-考研必备
a a 1) 确定已知晶面的指数（hkil）
(1) 建坐标．四轴坐标，坐标轴为(0110)、(0110)、(1010) 和
(1 010) ，坐标原点不能位于待定晶面内
(2) 求截距．以晶格常数为单位，求待定晶面在 坐标轴上的截距值
(3) 取倒数．将截距值取倒数
(4) 化整数．将截距值的倒数化为一组最小整数
(2) 求截距．以晶格常数为单位，求待定晶面在 坐标轴上的截距值
(3) 取倒数．将截距值取倒数
(4) 化整数．将截距值的倒数化为一组最小整数
(5) 加括号．（hkl）
THE END
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI`AN JIAOTONG UNIVERSITY
THE END
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI`AN JIAOTONG UNIVERSITY
a a
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI`AN JIAOTONG UNIVERSITY
1) 晶向指数 — 晶体点阵中阵点列的方向指数 2) 确定已知晶向的指数 (Miller指数) (1) 建坐标．一般为右手坐标，坐标原点位于待
定晶向上某一阵点，坐标轴为晶胞棱边
(2) 求投影．以晶格常数为单位，求待定晶向上 任一阵点的投影值
(3) 化整数．将投影值化为一组最小整数
(4) 加括号．［uvw］
基元 — 晶体中在空间有规则的周期性重复 排列的基本单元
(a)
(b)
(c)
基元
基元 晶体及其基元
基 元
西安交大材料科学基础学习知识课后规范标准答案
第一章8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例(1)NaF (2)CaO (3)ZnS解：1、查表得：X Na =0.93,X F =3.98根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21(0.93 3.98)4[1]100%90.2%e ---⨯=共价键比例为：1-90.2%=9.8% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21(1.00 3.44)4[1]100%77.4%e---⨯=共价键比例为：1-77.4%=22.6%3、ZnS 中离子键比例为：21/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e--=-⨯=中离子键含量共价键比例为：1-19.44%=80.56%10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。
稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。
稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。
但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。
第二章1．回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］ (2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和 （112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。
(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。
解：12．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。
某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。
材料科学基础第8章 材料的变形与断裂
100 ）或棱锥面（ 1-101 ），滑移系分别为 3 个和6个。但滑移方向都是<11-20>。
21
因而金属的塑性，面心立方晶格
> 体心立方晶格 > 密排六方晶格。
22
四、孪生
是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿 着一定的晶向（孪生方向）移动而发生 的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。 在切变区域内，与孪晶面平行的各层 晶面的相对位移是一定的。 实质就是一个肖克莱不全位错的移动。
45
分切应力τ大小为：
F cos cos cos A
cos cos 称为取向因子，其值越大，
则分切应力τ越大。
46
当
φ=45º时（λ也为45º），取向 因子有最大值1/2，此时，得到最大 分切应力τmax 。
在拉伸时：
s
k cos cos
1、实质：与单晶体基本相同。
2、特殊性：晶界阻滞效应和取向差
效应。
65
1）晶界阻滞效应：
90%以上晶界是大角度晶界； 其结构复杂，由约几个纳米厚的
原子排列紊乱的区域；
使滑移受阻而不易直接传到相邻
晶粒。
66
67
2）取向差效应：
多晶体中，不同位向晶粒的滑移系
取向不相同；
滑移不能从一个晶粒直接延续到另
2
第一节
金属变形概述
金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以
下的高分子材料属于能弹性；
弹性回复力是键长和键角的微小改变
所引起的焓变所引起的，而熵变所引 起的弹性回复力可忽略。
处于高弹态的橡胶则属于熵弹性。
3
无应力作用时大分子链呈无规线团
西安交通大学-材料科学基础难点解答
一失效分析1 断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？答：1）根据材料断裂前所产生的宏观变形量大小，将断裂分为韧性断裂和脆断裂。
2）韧性断裂是断裂前发生明显宏观塑性变形。
而脆性断裂是断裂前不发生塑性变形，断裂后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。
2 断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断裂过程的区别在哪里？答：1）无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段。
裂纹自形成到扩展至临界长度的过程称为裂纹亚稳扩展阶段，在这一阶段裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢；而把裂纹达到临界长度后的扩展阶段称为失稳扩展阶段，在这一阶段裂纹扩展阻力小，扩展速度很快。
2）对于韧性断裂，裂纹形成后经历很长的裂纹亚稳扩展阶段，裂纹扩展与塑性变形同时进行，直至达到临界裂纹长度，最后经历失稳扩展阶段而瞬时断裂，因此韧性断裂前有明显的塑性变形。
对于脆性断裂，裂纹形成后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度极快，故脆性断裂前无明显塑性变形。
3 什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标有哪些？答：1）韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是材料强度和塑性的综合表现。
材料韧性好，则发生脆性断裂的倾向小。
2）评价材料韧性的力学性能是冲击韧性和断裂韧性。
冲击韧性是材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。
断裂韧度KIC是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
4 材料韧性指标的含义及应用？答：1）冲击吸收功Ak是衡量材料冲击韧性的力学性能指标，冲击吸收功由冲击试验测得，它是将带有U形或V形缺口的标准试样放在冲击试验机上，用摆锤将试样冲断。
冲断试样所消耗的功即为冲击吸收功Ak，其单位为J。
Ak越高和韧脆转变温度TK越低，则材料的冲击韧性越好。
2）断裂韧度KIC是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，其单位为MPa·m1/2或MN·m-3/2。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（3）在不同滑移面的交线上，通过位错反 应形成固定位错，在被定扎的位错后面产生 位错的塞积，它将阻碍后续位错的继续运动。
二、滑移面及滑移方向
●为什么滑移面都是原子最密排面，滑移 方向都是最密排方向？
后退 下页
●三种典型金属的滑移面及滑移方向
后退 下页
滑移系 12个
晶格点 阵类型 fcc
滑移面
滑移方向
第八章 材料的变形与断裂
概述 金属变形概述 金属的弹性变形
滑移与孪晶变形 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 纯金属的变形强化 合金的变形与强化
冷变形金属的组织与性能 金属的断裂 冷变形金属的回复阶段
冷变形金属的再结晶 金属的热变形、蠕变与超塑性 陶瓷晶体的变形 高分子材料的变形
后退
概
述
弹性变形：E,实质，原子结合力大， 熔点高，则E越大 滑移面 滑移方向
后退 下页
●扩展位错的交滑移：首先扩展位错会 先束集，然后交滑移到另一滑移面，再 分解为两个不完美位错，中间夹一层错； 层错能大，则d减小，扩展位错易于交滑 移。
●螺位错的交滑移
●扩展位错的交滑移
返回
后退 下页
返回
返回
第五节 多晶体的塑性变形
一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响 晶界：晶粒越多，晶界越多，位错运动 阻力越大。 晶粒位向差：位向差越大，则位错运动 阻力越大。 为了满足多晶体变形协调，至少应有5 个独立的滑移系动作。 后退 下页
图8-18 由于两滑移面的交割方向 [1 1 0] ，而位错的 b a [1 1 0 ] ， 6
三、位错的增殖
1.F-R源 作用于弯曲位错线上的外加切应力：
Gb 2R
R—位错线弯曲半径 后退 下页
●图8-19
CD位错两端被钉扎， 当其受切应力作用时,会 发生弯曲由前面所介绍 的知识,弯曲严重两处位 错必为异号位错,相互抵 消,使位错线形成了位错 环而扫出晶体，CD位 错在线张力的作用下拉 直继续重复该过程，直 到受阻而停止。
●多滑移：当有几个滑移系统上的分切 应力最大并达到 c 时，就发生多滑移。 比如fcc中，{111}为滑移面,<110>为滑移
后退 下页
方向,4个{111}面构成八面体,当拉力 轴为[001]时,就有8个滑移系具有相 c 同的施密特因子，故可同时达到 , 同时动作。 ●交滑移：当螺位错在某一滑移面 上运动受阻，会转到另一滑移面上 继续滑移，滑移方向不变。
●材料的变形 滑移：晶体滑移系
塑性变形
●单晶体的塑性变形
c
孪生面 孪生： 孪生方向
s
cos cos
单系滑移、多系滑移、交滑移
属材料的一个重要特点是在具有高强度的同时还具 有优良的塑性，也就是说在高温和常压下，金属材料可以 在外力作用下改变形状而不破坏，从而具有优越的加工成 型性能。同时在塑性变形的过程中，金属内部的组织和亚 结构发生着一系列的变化，导致其强度、韧性等力学性能 的变化。 金属的塑性和强度是两个十分重要的概念。屈服强度 就是指材料抵抗塑性变形的能力。 金属在外力作用下的行为可通过应力-应变曲线来描 述，一般分为三个阶段：
面心立方晶体的孪生变形
后退 下页
●孪晶与滑移的区别
滑移 (1)一部分晶体沿滑移面相 对于另一部分晶体作切变, 切变时原子移动的距离是 滑移方向原子间距的整数 倍。 (2)滑移面两边晶体的位相 不变。 孪晶 (1)一部分晶体沿孪晶面相 对于另一部分晶体作切变, 切变时原子移动的距离不 是滑移方向原子间距的整 数倍。 (2)孪晶面两边晶体的位相 不同，成镜向对称。
后退 下页
●孪生与滑移的区别(续)
滑移 孪晶
（5）滑移过后，除了不全 （5）而发生孪晶后，在 位错运动会在滑移面上造 晶体内部将出现孪晶和孪 成层错外，一般在滑移面 晶界。 上不留下任何痕迹
（6）滑移的应力应变曲线 （6）孪晶的应力应变曲 比较平滑 线将产生锯齿形变化
返回
后退 下页
第四节 单晶体的塑性变形
cos a0 / 3a0
由施密特定律
c c cos cos
1 69 0.707MPa 28.1MPa 3
后退 下页
二、单滑移、多滑移、交滑移
●单滑移：当只有一个滑移系统上的分 切应力最大并达到 c 时，只发生单滑 移，其位错在滑移过程中不会与其它位 错交互作用，故加工硬化很弱。
— 滑移面法线方向与外力夹角 — 滑移面方向与外力夹角
下页
后退
后退 下页
例题
如在面心立方晶胞[001]上施加一 69MPa的应力，试求滑移系(111) [1 01] 上的分应力。
后退
下页
解：确定该滑移系对拉力轴的相对取向， 先画出上图。可以看出，滑移方向和拉 力轴的夹角 45度 , cos 0.707 ，滑移 面的法线和拉力轴的夹角为 ，
不可动割阶
当割阶的滑移方向与原位错滑移方 向不一致时，不能随原位错一起滑 移，明显增加位错运动的阻力，甚 至对位错起钉扎作用。 后退 下页
不论原位错属于什么类型，割阶的最终 状态一定是刃型位错。 刃位错被交割所产生的割阶最终一定是 可动割阶
螺位错被交割所产生的割阶最终一定是 不可动割阶
位错交割
后退 下页
二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响 （细晶强化）
？
为什么晶粒越细，材料 的强度、硬度增大，塑 性、韧性下降？ 后退 下页
由ys
0 kyd 可知
1 2
晶粒直径 ys d
晶粒小
晶粒小
晶界多
位错运动阻力 强度
返回
塑变分散在较多的晶粒上， 不易造成应力集中，断裂前 有较大塑变量。 后退 下页
由于位错交割形成割阶，造成位错运动 增大，故强度提高。
问题
认真理解扭折与割阶的概念极其形 成过程。
二、位错反应
两个滑移面上的位错相遇，在一定条 件下可发生位错反应，形成一个不动位错。 后退 下页
在面心立方金属中，一个全位错可分 为两个不全 位错，中间夹一层错。
1 1 1 (1 1 1)面： 10 1 21 1 1 1 2 2 6 6 1 1 1 ( 1 11)面： 0 1 1 1 1 2 1 21 2 6 6
一、单相合金的变形与强化 固溶强化：合金在形成单相固溶体后， 变形时的临界切应力都高于纯金属。
？
固溶强化机理是什么？
思 路
溶质原子偏聚到位错周围形成柯氏气团使位错 被钉扎，位错运动必须甩脱柯氏气团，使材料 强度提高。
后退 下页
二、低碳钢的屈服和应变时效 后退 下页
例题
试求退火钢中形成饱和柯氏气团 的碳浓度。
对于单晶体而言，其塑性变形中，滑 移是位错在切应力作用下滑移面及滑移方 向进行，其滑移必须满足临界分切应力定 律，即 一、施密特定律
c c cos cos
后退 下页
图8-10
即当在滑移面的滑移方向上，分切应力 达到某一临界值 c 时，晶体就开始屈 服 s ，位错就开始滑移。
后退 下页
●孪生与滑移的区别(续)
滑移 (3)滑移所造成的台阶经抛 光后，即使再侵蚀也不会 重现。 (4)滑移面是一种不均匀的 切变，它只集中在某一些 晶面上大量进行，而各滑 移带之间的晶体并未发生 滑移。 孪晶 (3)由于改变了晶体的位向， 因而孪晶经抛光和侵蚀后 仍能重线。 (4)孪晶是一种均匀切变， 而在切变区内与孪晶面平 行的每一层原子面均相对 于其相邻晶面沿孪生方向 位移了一定距离。
第六节 纯金属的变形强化 一、位错的交割
两位错交叉通过的行为，即为位错交割。
扭折：交割形成的位错台阶仍在原滑移面 上。扭折的形成有利于提高位错的易动性， 扭折一般不阻碍位错的滑移。
割阶： 可动割阶
交割形成的位错滑移面不在原滑移面 上
不可动割阶
后退 下页
可动割阶
当割阶的滑移方向与原位错滑移方 向一致时，可随原位错一起滑移， 只增加位错运动的阻力，并不防碍 位错的滑移。
111 110 112 123 0001 1 1 10
110
bcc
111
48个
hcp
1 1 001 2 1 0
11 2 0
3个
后退 下页
后退
下页
三、孪晶变形
后退 下页
孪晶变形特点： 1.孪晶变形有镜面对称的孪晶，孪晶也沿 一定的孪晶面及晶向方向，如：fcc中,孪晶 面（111），孪晶方向 [ 2 ] ; 11 2.孪晶中原子移动受严格限制，同一晶面 原子移动距离相等； 3.孪晶变形速度很快，形变过程与声波在 晶体中的传播速度相近； 4.孪晶变形量很小，但由于孪晶造成位向 改变，故孪晶发生后可能有利于滑移；
º
n
n
(3)1cm长的位错线上铁原子数为：
1cm 7 1 4.03 10 8 2.8610 cm
后退 下页
因位错线长为 10
8
返回
后退 下页
第二节 金属的弹性变形
单值性： ●弹变特点 可逆性 变形量小
●在正应力下σ=Eε，在 切应力下τ=Gγ E G= 2(1+υ)
后退 下页
●弹性模量E、G是一重要的物 理的和力学的参量。 ①弹性模量是原子间结合力的反 映和度量。所以它是一个对组织不敏 感的性能指标。 E越大，则弹性变形 越难。 ②它在工程技术上标示材料的刚 度。
后退 下页
？
1）为什么CD位错线会弯曲，且形成 位错环？ 2）位错环不断放出，是否满足能量 守恒？ 3）为什么F-R源会使材料强度增大？ 4）金属强化的本质是什么？
后退 下页
2.双交滑移机制
A
E E B
S
(110)
(110)
C E
S