第六章 金属及合金强化的位错解释
金属材料的强化方法和位错的关系
陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。
金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。
而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。
另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。
首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。
此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。
其次，滑移赋予了金属材料的延性。
如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。
第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。
把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。
如板条状马氏体钢( F12钢)等。
第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。
第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。
金属的强化strengthening of metals通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。
一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。
第六章 固体材料的变形与断裂
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滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
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6. 单晶体的应力-应变曲线
第Ⅰ阶段----易滑移阶段:屈服后首先进行 单滑移，在应力增加不大时，可发生大 量塑变。此时加工硬化系数dτ／dγ很小， 约为10-4G。 第Ⅱ阶段----线性硬化阶段：加工硬化系 数比第Ⅰ阶段约大30倍且基本为常数。 双滑移造成滑移带的交割，使位错密度 急剧增加并互相缠结，加工硬化系数明 显增高。 第Ⅲ阶段----抛物线型硬化阶段：加工硬 化系数逐渐降低，应力与应变关系为 τ＝Kγ1/2。第Ⅲ阶段位错可通过交滑移克 服滑移障碍，使变形易于进行，从而使 加工硬化系数下降。
11
5 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：处于软取向的一组滑移系首先开动。 多滑移：由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移 系上交替滑移。 交滑移：两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行 的滑移。 （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。
12 12
改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
位移量 不 同 点
对塑变的贡献 变形应力 变形条件
小于孪生方向上的原子间 距，较小。 有限，总变形量小。 所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
21
6.2.3 晶体的扭折 对于那些既不能滑移也不能孪生的地方，为使晶体的形状 与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体会产生局部弯 曲，这种形式的变形叫扭折。扭折是晶体弯曲变形或滑移在某 些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称 扭折带是由好几个楔形区域组成。扭折带的形成能协调相邻晶 粒或同一晶粒中不同部位之间的变形，并能引起晶体的再取向， 促进晶体变形能力的发挥。
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题金属与合金的回复与再结晶复习题一、名词解释：1. 回复：指冷塑性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
2. 再结晶：是指冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。
3. 临界变形度：使晶粒发生异常长大的变形度(2～10%)生产上应尽量避免在临界变形度范围内进行塑性加工变形。
4. 热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。
5. 冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。
二、填空题：1．变形金属的最低再结晶温度是指通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶(＞95%的转变量)的最低温度为再结晶温度。
2．钢在常温下的变形加工称为加工，而铅在常温下的变形加工称为热加工。
3．影响再结晶开始温度的因素预变形度、金属的熔点、微量杂质和合金元素、加热速度、保温时间。
4．再结晶后晶粒的大小主要取决于预变形度和加热温度。
5．金属在塑性变形时所消耗的机械能，绝大部分(占90%)转变成。
6．但有一小部分能量（约10%）是以增加金属晶体缺陷（空位和位错）和因变形不均匀而产生弹性应变的形式（残余应力）储存起来，这种能量我们称之为形变储存能。
7．金属在热加工过程中，由于加工温度高于再结晶温度，金属在塑性变形过程中同时发生回复(动态回复)与再结晶(动态再结晶)，使其发生软化。
三、判断题：1．金属的预先变形度越大，其开始再结晶的温度越高。
（×）2．其它条件相同，变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（√）3．金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。
（×）4．热加工是指在室温以上的塑性变形加工。
（×）5．再结晶能够消除加工硬化效果，是一种软化过程。
石德珂《材料科学基础》考点精讲6
八、包申格效应
材料经预先加载产生少量塑性变形（小于 ４％），而后同向加载则 σｅ升高，反向加载则 σｅ下降，此 现象称为包申格效应。
考点二：滑移和孪生（重要等级 ★★★★★）
［复习思路］掌握
金属发生塑性变形的主要方式 滑移和孪生的概念 滑移和孪生的异同点
滑移
{ 金属塑性变形的主要方式 孪生 晶界滑动（高温下） 滑移带—把试样抛光，适量的塑性变形后，在宏观或光学显微镜下看到的试样表面上平行或交叉 的细线。 滑移线—在电子显微镜下，可以看到滑移带是由更多的一组平行线组成，称为滑移线。
各向同性。
对于 α Ｆｅ多晶体其 Ｅ为 ２１１４００ＭＮ／ｍ２
七、弹性模量在工程上的应用
对零（构）件进行刚度设计
σ
＝
Ｆ Ａ
＝Ｅε→
Ｆ ε
＝ＥＡ
ＥＡ（ＧＡ），代表零件的刚度，产生单位弹性应变所需载荷的大小。
在其它条件相同时，金属的弹性模量愈高，制成的零件或构件的刚度便愈高，即在外力作用时，保
持其固有形状、尺寸的能力愈强。
２．位错运动的点阵阻力
（１）位错的宽度
{越窄 界面能越低
位错宽度
→平衡宽度
越窄 单位体积弹性畸变能高
刃型位错的形成 刃型位错原子模型
偏离 ＝ｂ／４（柏氏矢量）时，叫位错宽度 （２）位错运动的点阵阻力 晶体的滑移必须有外力作用→ 位错运动要克服阻力 →位错运动的阻力首先来自的点阵阻力
弹性变形是塑性变形的先行阶段，在塑性变形中还伴生着一定的弹性变形。可以从原子间结合
力的角度了解其物理意义。
发生弹性变形的难易程度取决于作用力 －原子间距曲线的斜率 Ｓ０
— １６７—
Ｓ０ ＝ｄｄＦｒ＝ｄｄ２ｒｕ２ σ ＝Ｓｒ００ε Ｅ ＝Ｓ０
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
第六章 塑性变形习题集-附部分答案
1.简单立方晶体(100)面有1 个[]010=b 的刃位错(a)在(001)面有1 个b =[010]的刃位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折结还是割阶？ (b)在(001)面有1 个b =[100]的螺位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折还是割阶？解：两位错相割后，在位错留下一个大小和方向与对方位错的柏氏矢量相同的一小段位错，如果这小段位错在原位错的滑移面上，则它是扭折；否则是割阶。
为了讨论方便，设(100)面上[]010=b 的刃位错为A 位错，(001)面上b =[010]的刃位错为B 位错，(001)面上b =[100]的螺位错为C 位错。
(a) A 位错与B 位错相割后，A 位错产生方向为[010]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[010]⋅[100]=0，即小段位错是在A 位错的滑移面上，所以它是扭折；而在B 位错产生方向为[ 010 ]的小段位错，B 位错的滑移面是(001)， [010]⋅[001]=0 ，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
(b)A 位错与C 位错相割后，A 位错产生方向为[100]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[100]⋅[100]≠0 ，即小段位错不在A 位错的滑移面上，所以它是割阶；而在C 位错产生方向为[]010的小段位错，C 位错的滑移面是(001)，[][]0001010=•，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
2.下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的2 个同号刃位错AB 和CD ，距离为x ，他们作F-R 源开动。
(a)画出这2 个F-R 源增殖时的逐步过程，二者发生交互作用时，会发生什么情况？(b)若2 位错是异号位错时，情况又会怎样？解：(a)两个位错是同号，当位错源开动时，两个位错向同一方向拱弯，如下图(b)所示。
在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如上图(c)中的P 处所示。
高等金属学位错课件
位错的应力场：
位错周围的弹性畸变区及其应力 分布→位错的应力场。 一种弹性连续介质模型。
2.5.1 应力、应变分量的表示
• • • • 正应力： 切应力： 正应变： 切应变：
x3 x2 σ22 τ21 τ23 X1
• 极坐标的表示x1=rcosθ, x2=rsinθ, • r=(x12 +x22)1/2, θ=arctg(x2/x1),
﹡柏氏矢量定义位错
b 0 的缺陷称为位错 b 位错线，b t 0，刃位错
b // 位错线，b t 1，螺位错
b t 0 ~ 1，混合位错
• 刃型位错的正负利用右手法则来确定： 食指—位错线方向；中指—柏氏矢量方 向；拇指—代表多余半原子面。 • 拇指向上者为正刃型位错，向下者为负 刃型位错。如图
(b) 位错线周围原子螺型排列
2.2 混合位错
• 实际中的位错一般来说很少是单纯的 刃型位错或是螺型位错，更普遍的是 其混合产物---混合位错。
• 混合位错的滑移矢量不平行也不垂直
位错线，而是与位错线成任意角度。
混合位错
FIGURE 5.9 (a) Schematic representation of a dislocation that has edge, screw, and mixed character.
u 31 2Ge31 G 3 x1
23
u3 2Ge23 G x2
平衡方程
23 31 0 x2 x1
2u3 2u3 G( )0 2 2 x2 x1
上式代入 ▽2u3=0 满足调和
1 2u3 0 2 2 r
方程，化成极坐标为：
合金强化机理
合金强化机理
合金强化是通过在晶体结构的缺陷、位错、固溶体、析出物等方面加强晶体结构，从而提高合金材料的机械性能、物理性能和化学性能。
常见合金强化机理有:
1. 固溶体强化: 将一种金属元素溶解到另一种金属中，使晶粒
尺寸小于1μm，形成均匀的实溶体结构。
这种溶解的过程可
以提高合金的硬度和强度。
2. 相变强化: 合金中添加的元素会在一定条件下形成新的相，
如固溶体、碳化物、氮化物等，这些相可以形成局部的高硬度区域，增加合金的硬度和强度。
同时，这些相也可以在不同温度下发生相变，形成储存和释放弹性能量的结构，提高合金的韧性。
3. 弥散硬化: 在合金中掺入微小的球形或棒状的颗粒，可以在
晶体结构中形成弥散的嵌入物，阻碍位错的移动，从而提高合金的强度和硬度。
4. 冷加工硬化: 将合金材料在低温下进行变形加工，会导致晶
体结构的变形和位错的增加，从而提高合金的硬度和强度。
5. 内应力强化: 通过热处理、表面处理、形状记忆合金等方式，将材料中的位错和应力锁定在一定位置，从而增加材料的硬度和强度。
总之，合金强化机理旨在改善材料的晶体结构，增强材料的性能，以满足不同领域的需求。
金属位错理论
⾦属位错理论⾦属位错理论位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。
当⾦属晶体受⼒发⽣塑性变形时，⼀般是通过滑移过程进⾏的，即晶体中相邻两部分在切应⼒作⽤下沿着⼀定的晶⾯晶向相对滑动，滑移的结果在晶体表⾯上出现明显的滑移痕迹——滑移线。
为了解释此现象，根据刚性相对滑动模型，对晶体的理论抗剪强度进⾏了理论计算，所估算出的使完整晶体产⽣塑性变形所需的临界切应⼒约等于G/30，其中G为切变模量。
但是，由实验测得的实际晶体的屈服强度要⽐这个理论值低3~4数量级。
为解释这个差异，1934年，Taylor，Orowan和Polanyi ⼏乎同时提出了晶体中位错的概念，他们认为：晶体实际滑移过程并不是滑移⾯两边的所有原⼦都同时做刚性滑动，⽽是通过在晶体存在着的称为位错的线缺陷来进⾏的，位错再较低应⼒的作⽤下就能开始移动，使滑移区逐渐扩⼤，直⾄整个滑移⾯上的原⼦都先后发⽣相对滑移。
按照这⼀模型进⾏理论计算，其理论屈服强度⽐较接近于实验值。
在此基础上，位错理论也有了很⼤发展，直⾄20世纪50年代后，随着电⼦显微镜分析技术的发展，位错模型才为实验所证实，位错理论也有了进⼀步的发展。
⽬前，位错理论不仅成为研究晶体⼒学性能的基础理论，⽽且还⼴泛地被⽤来研究固态相变，晶体的光、电、声、磁和热学性，以及催化和表⾯性质等。
⼀、位错的基本类型和特征位错指晶体中某处⼀列或若⼲列原⼦有规律的错排，是晶体原⼦排列的⼀种特殊组态。
从位错的⼏何结构来看，可将他们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。
1、刃型位错刃型位错的结构如图1.1所⽰。
设含位错的晶体为简单⽴⽅晶体，晶体在⼤于屈服值的切应⼒作⽤下，以ABCD⾯为滑移⾯发⽣滑移。
多余的半排原⼦⾯EFGH犹如⼀把⼑的⼑刃插⼊晶体中，使ABCD ⾯上下两部分晶体之间产⽣了原⼦错排，故称“刃型位错”。
晶体已滑移部分和未滑移部分的交线EF就称作刃型位错线。
图1.1 含有刃型位错的晶体结构刃型位错结构的特点：（1）刃型位错有⼀个额外的半原字⾯。
第六章材料科学基础
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
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。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
2.2 位错的基本概念
2.2 位错的基本概念晶体中的线缺陷是各种类型的位错。
其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为3—5个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。
虽然位错种类很多，但最简单，最基本的类型有两种：一种是刃型位错，另一种是螺型位错。
位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑变、扩散、相变等影响显著。
一位错学说的产生位错：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。
）人们很早就知道金属可以塑性变形，但对其机理不清楚。
在位错被提出之前，人们对晶体的塑性变形作了广泛的研究。
实验发现在塑性变形的晶体表面存在大量的台阶，因此，提出了塑性变形是通过晶体的滑移来实现的观点。
晶体的滑移过程如图1所示。
根据晶体塑性变形后台阶产生的方向，发现滑移总是沿着某些特定的晶面和晶体学方向进行的。
这些晶面被称为滑移面；晶体学方向被称为滑移方向。
一个滑移面和其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
当外界应力达到某一临界值时，滑移系才发生滑移，使晶体产生宏观的变形，将这个应力称之为临界切应力。
本世纪初到30年代，许多学者对晶体塑变做了不少实验工作。
1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型，假定滑移时滑移面两侧晶体象刚体一样，所有原子τ＝G／2π(G为切变模量)，与实验结果相比相差3—4同步平移，并估算了理论切变强度mτ值也为G／30，仍与实测临个数量级，即使采用更完善一些的原子间作用力模型估算，m界切应力相差很大。
这一矛盾在很长一段时间难以解释。
1934年泰勒(G．I．Tayor)，波朗依(M.Polanyi)和奥罗万(E．Orowan)三人几乎同时提出晶体中位错的概念。
泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移过程，如图2。
与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲一、课程说明课程编码4300655 课程类别专业方向课修读学期第三学期学分 2 学时32 课程英文名称Fundamentals of Materials Science适用专业应用化学先修课程大学物理、物理化学二、课程的地位及作用材料科学基础是研究材料的成分、结构与性能之间的关系及其变化规律的一门应用基础科学。
本课程的任务是向学生较全面系统地介绍材料科学基本原理，注意材料的共性与个性的结合，实现多学科知识的交叉与渗透。
学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础，同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。
先修课程为物理化学、高等数学。
通过材料科学基础的教学，使学生了解和掌握材料科学的基本理论，培养学生理论思维的能力，为从事材料学教学和科研打下扎实的理论基础。
三、课程教学目标1. 理解金属键、离子键、共价键、分子键和氢键几种典型结合键的，掌握三大固体材料的结构特点、性能特点，建立材料结构与性能之间的关系。
掌握晶体学的基础知识。
2．掌握晶体缺陷的类型、结构特征、性质及其对材料性能的影响3．掌握扩散第一定律、扩散第二定律及其应用、扩散机制、扩散系数的计算、影响扩散的因素和离子晶体的扩散。
4.掌握固体材料变形的基本方式，掌握形变金属及合金在退火过程中的变化。
核的规律，了解熔化熵对晶体生长的影响。
了解固溶体合金的凝固规律，了解材料的非晶态概念。
5. 掌握相图的基本知识，二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法，熟练应用铁碳相图；掌握三元相图类型、定量法则、分析方法、等温截面、变温截面、液态投影图。
四、课程学时学分、教学要求及主要教学内容(一) 课程学时分配一览表章节主要内容总学时学时分配讲授实践第1章原子结构与键合 2 2 0第2章固体结构 6 6 0第3章晶体缺陷 6 6 0第4章固体中原子及分子的运动 4 4 0第5章材料的形变和再结晶 4 4 0第6章单组元相图及纯金属的凝固 4 4 0第7章二元系相图及合金的凝固 6 6 0(二) 课程教学要求及主要内容第一章原子结构与键合教学目的和要求：1. 了解原子结构及建合类型；2. 掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表；3. 熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点；4. 掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。
金属焊接性的位错强化概念
金属焊接性的位错强化概念金属焊接性的位错强化概念是指通过位错在金属焊缝中的形成和运动，增强金属焊缝的强度和硬度。
位错是指晶体中原子的错位和偏移，能够导致金属的塑性变形和畸变。
金属焊接是将两个或多个金属部件通过热或者压力使其熔化或熔融，然后冷却凝固在一起的过程。
焊接过程中，由于局部加热使得金属产生熔融和再结晶，而冷却过程中由于晶体结构的变化会产生位错，这些位错会影响金属焊缝的力学性能。
位错强化在金属焊接过程中起到了重要的作用。
首先，位错可以提高金属的位错密度，增加金属的强度和硬度。
位错的密度越大，金属的强度和硬度就越高。
当金属焊接时，焊接区域的温度升高，晶界扩散和再结晶发生，形成了较高密度的位错。
这些位错错位和偏移，增加了金属的塑性变形和畸变，使焊缝更加结实和坚固。
其次，位错可以阻碍位错的移动，增加金属的延展性和韧性。
位错的移动会导致金属的塑性变形，当位错密度较低时，位错移动比较容易，金属的延展性和韧性较低。
而当位错密度较高时，位错之间互相干扰，移动困难，金属的延展性和韧性相对较高。
这样，在金属焊接时，位错强化能够使焊缝具有较好的延展性和韧性，防止焊缝出现裂纹和断裂。
此外，位错还可以减小晶界的粗化和晶粒的尺寸。
位错的运动和位错在晶体中的堆积可以使晶界细化，在金属焊接时，位错的运动和位错堆积可以使结晶率增大，晶体尺寸变小。
晶界粗化会使金属焊缝的力学性能下降，而位错强化可以减小晶界的粗化，提高金属焊缝的强度和硬度。
总结起来，位错强化是指通过位错在金属焊缝中的形成和运动，增强金属焊缝的强度和硬度。
位错可以提高金属的位错密度，增加金属的强度和硬度；位错可以阻碍位错的移动，增加金属的延展性和韧性；位错可以减小晶界的粗化和晶粒的尺寸。
位错强化对金属焊接性能的影响是多方面的，它能够使焊缝更加结实和坚固，具有较好的延展性和韧性。
因此，位错强化是金属焊接性能优化的重要手段之一。
位错强化
位错强化：金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。
理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。
因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。
方法：通过冷加工变形或相变，使“位错”增殖1 固溶强化：①溶质原子与位错的弹性交互作用在固溶体中,无论是固溶原子或是位错，在其周围都存在着应力和点阵畸变，两个应力场之间的作用就属于弹性交互作用。
这种弹性交互作用力代表固溶原子所提供的阻碍位错运动的力。
固溶体中的溶质原子有时会出现有序化现象，当存在短程序时，塑性变形将改变原来的有序排列而增加势能，表现为短程序强化作用。
在有长程序的固溶体中，位错倾向于两两相随地通过晶体。
第一个位错通过时，使有序结构中跨越滑移面的不同类原子对A-B改变为类原子对A-A和B-B,引起能量升高；当后随的一个位错经过时，A-A和B-B原子对又恢复为A-B对,能量又降下来。
在前后相随的两个位错之间的这段距离上，A-A和B-B原子对尚未恢复，形成所谓反相畴界(antiphase boundary)。
为减少反相畴界的能量，两相随位错倾向于尽量靠近；但是当两个同号位错靠近时，它们之间的斥力急剧上升。
在这两个因素的共同作用下，两个位错间有一个平衡距离，它与两个不全位错间存在的层错很相似。
在塑性变形过程中，有序合金的反相畴界的面积不断增加，从而提高了体系的能量，表现为长程序引起的强化作用。
此外，无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形成气团。
对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃位错受胀区的趋向,反之,富集于受压区。
金属、塑性等变形的位错物理基本理论
1.4.1 位错的滑移运动
（1）刃位错的滑移运动 如1-2图所示,若位错线上的原子沿切
应力方向移动不到一个原子间距,周围其 它原子稍作调整,多余半原子面和位错线 就可以向前移动一个原子间距。可见位 错移动具有易动性。
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
• 图1-2示出了位错由晶体的一端扫到另一端
图1-1
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
=
4Asin 2x
bb
4 A
设m= b
化简得
m=
G 2
——理想晶体的临界切应力。
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
一般工程用金属的切变模量G为 1数0量41级05。N而mm一2般, 纯m应金该属为单1晶03体10的4N临m界m切2, 应力只有（100.1）Nmm2,，由此可见， 理论计算值与实测值相差很大。如Al 计 算值为4.3103Nmm2,实测值为0.8Nmm2, 理论值为实测值的5400倍；Zn 计算值为 6.0103Nmm2,而实测值为0.18Nmm2,， 理论值约为实测值的34000倍；Fe理论计 算为13.5103Nmm2,实测值为17Nmm2, 理论值约为实测值的800倍。
=b\H 如果位错扫过的面积为A，没有扫过晶体
的整个滑移面，这时的位移量为AbA,所 以这时的切应变
=
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
金属、塑性等变形的位错物理基本理 论
1.5 位错在应力场中的受力 晶体塑变是其内部位错滑移的结果。位
错运动：一是受外加应力场驱使；二是晶 体内其它位错的应力场的驱使。 将“作用于位错线上驱使它运动的力”定义
第六章 金属及合金强化的位错解释
、滑动位错与第二相质点的交互作用
晶体中的位错在外力作用 下产生运动，在运动过程 中首先遇到的是第二相质 点周围的应力场（如果有 这种应力场存在的话）， 对其产生阻碍作用，它属 于长程作用。继而有两种 可能，一种是位错切割质 点而过，一种是位错以某 种方式绕过质点
6.5 材料的断裂
6.6.5 影响材料断裂的基本因素
• 1、结合键及晶体结构类型对材料断裂形式 有决定性的影响；
• 2、材料的化学成分及显微组织对断裂行为 也有重要影响；
• 3、裂纹及应力状态的影响； • 4、温度对材料断裂行为的影响。
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位错互相截割后可以 产生割阶(jog)。图6[两 个刃型位错的截割]
为伯格斯矢量互相垂直的两个刃型位错发生截割的情况。 AB在Ⅰ面上移动，CD在Ⅱ面上截割后产生割阶QQ （图6b [两个刃型位错的截割]其伯格斯矢量为。从QQ与相垂直 可知QQ属刃型,位于QQ 与构成的滑移面Ⅲ上, 故可与整个 位错一起运动。因为与AB平行，截割后位错AB不受影响。
金属及合金强化的位错解释
1、cottrell 气团 2、位错的交割和带割阶位错的运动 3、滑动位错与第二相质点的交互作用
1、柯氏气团(Cottrell atmosphere) 围绕于刃型位错(见滑移)周围的溶质原子聚物，又称溶质原子气团或 溶质原子云，溶质原子和刃型位错的相互弹性作用称为柯氏效应。 在含有溶质原子的固溶体合金中，同时存在位错与溶质，其周围均 有一个应力场，这两个应力场会发生交互作用，降低系统的应变能。 溶质原子与位错应力场问的弹性交互作用能越大，则交互作用越强 烈。由于这种交互作用，溶质原子在晶体中将重新进行分布。刃型 位错具有拉应力区及压应力区，因此溶质原子被吸引到拉应力区(见 图)；若置换的溶质原子比溶剂原子小时，则溶质原子被吸引到位错 的压应力区。在间隙固溶体中，溶质原子在刃型位错的拉应力区偏 聚，使溶质原子的浓度提高；而在压应力区，则溶质原子浓度降低。 柯氏气团对位错起钉扎作用，除产生强化效应外，还可解释某些合 金中出现的应变时效和明显屈服点现象的原因。柯氏气团的作用随 着温度的升高而减弱。
位错强化名词解释
位错强化名词解释
位错强化是一种材料强化机制，指的是通过在晶体材料中引入位错（晶体原子的局部不规则排列）来提高其强度。
位错是晶体材料中的一种缺陷，它会阻碍晶体原子的滑移，从而增加了材料的变形抗力。
当晶体材料中存在大量位错时，材料的强度会显著提高。
位错强化的原理是通过在晶体材料中引入位错，增加了材料的晶格畸变和内应力，从而提高了材料的强度。
位错强化的效果取决于位错密度、位错类型、位错的分布和运动等因素。
位错强化是一种非常重要的材料强化机制，广泛应用于金属材料、陶瓷材料和半导体材料等领域。
通过控制材料中的位错密度和分布，可以有效地提高材料的强度和韧性，从而改善材料的力学性能。
位错强化是一种通过引入位错来提高材料强度的机制，它可以有效地提高材料的力学性能，是材料科学领域中的一个重要研究方向。
金属学与热处理位错
派－纳力 滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方 向应是原子最密排方向。
（二）位错的攀移
位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错
线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体 中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑 移外，还可进行攀移运动。 攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。 螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。
2.不全位错
b小于滑移方向的原子间距的位错。 面心立方晶体中，存在两种不全位错：肖克莱不 全位错和弗兰克不全位错。
3.位错反应
由于位错间相互作用力的存在，使得位错
之间有可能发生相互转化或相互作用，此即位
错反应。位错能否发生反应，取决于两个条件：
其一，必须满足伯氏矢量的守恒性；
∑ b前＝ ∑ b后
其二，必须满足能量条件。
（a）混合位错的 形成
（b）混合位错分解为刃位错 和螺位错示意图
图2-6
（c）混合位错线附近原 子滑移透视图
二、位错的柏格斯矢量（Burgers vector）及位错的性质
柏格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面 一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或 畸变。 性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方 向与滑移方向一致。
（a）正攀移（半原子 面缩短）
(b)未攀移
（c）负攀移（半 原子面伸长）
图2-9 刃位错攀移示意图
常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但 是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中， 攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难以
进行的，只有在高温下才可能发生。
四、位错的弹性性质
１.位错的应力场与应变能
中BC线为已滑移区与未滑移区的分界处。在BC与
aa｀线之间上下两层原子发生了错排现象，连接紊乱
金属材料的强化方法和位错的关系
金属材料的强化方法和位错的关系陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。
金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。
而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。
另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。
首先，slip解释了金属的实际强度远低于金属键理论预测的理论强度的原因。
此外，当金属材料拉伸断裂时，通常沿450截面方向断裂，而不是沿垂直截面方向断裂，因为材料在变形过程中滑动。
其次，滑移赋予了金属材料的延性。
如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。
第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。
把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。
如板条状马氏体钢(f12钢)等。
第四，硬化发生在晶体形成和加工过程中，因为在塑性变形过程中位错密度不断增加，从而增加了弹性应力场和位错之间的相互作用，因此位错运动变得越来越困难。
第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。
金属的强化强化金属通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。
一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标不一定有效。
影响强度的因素很多。
最重要的是材料本身的成分、微观结构和表面状态；其次，应力状态，如施力速度、加载方式、简单拉伸或重复应力，将显示不同的强度；此外，样品和测试介质的几何形状和尺寸也有很大的影响，有时甚至是决定性的。
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1、cottrell 气团 2、位错的交割和带割阶位错的运动 3、滑动位错与第二相质点的交互作用
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1、柯氏气团(Cottrell atmosphere) 围绕于刃型位错(见滑移)周围的溶质原子聚物，又称溶质原子气团或 溶质原子云，溶质原子和刃型位错的相互弹性作用称为柯氏效应。 在含有溶质原子的固溶体合金中，同时存在位错与溶质，其周围均 有一个应力场，这两个应力场会发生交互作用，降低系统的应变能。 溶质原子与位错应力场问的弹性交互作用能越大，则交互作用越强 烈。由于这种交互作用，溶质原子在晶体中将重新进行分布。刃型 位错具有拉应力区及压应力区，因此溶质原子被吸引到拉应力区(见 图)；若置换的溶质原子比溶剂原子小时，则溶质原子被吸引到位错 的压应力区。在间隙固溶体中，溶质原子在刃型位错的拉应力区偏 聚，使溶质原子的浓度提高；而在压应力区，则溶质原子浓度降低。 柯氏气团对位错起钉扎作用，除产生强化效应外，还可解释某些合 金中出现的应变时效和明显屈服点现象的原因。柯氏气团的作用随 着温度的升高而减弱。
位错互相截割后可以 产生割阶(jog)。图6[两 个刃型位错的截割]
为伯格斯矢量互相垂直的两个刃型位错发生截割的情况。 AB在Ⅰ面上移动，CD在Ⅱ面上截割后产生割阶QQ （图6b [两个刃型位错的截割]其伯格斯矢量为。从QQ与相垂直 可知QQ属刃型,位于QQ 与构成的滑移面Ⅲ上, 故可与整个 位错一起运动。因为与AB平行，截割后位错AB不受影响。
3、滑动位错与第二相质点的交互作用
晶体中的位错在外力作用 下产生运动，在运动过程 中首先遇到的是第二相质 点周围的应力场（如果有 这种应力场存在的话）， 对其产生阻碍作用，它属 于长程作用。继而有两种 可能，一种是位错切割质 点而过，一种是位错以某 种方式绕过质点
6.5 材料的断裂
6.6.5 影响材料断裂的基本因素
• 1、结合键及晶体结构类型对材料断裂形式 有决定性的影响； • 2、材料的化学成分及显微组织对断裂行为 也有重要影响； • 3、裂纹及应力状态的影响； • 4、温度对材料断裂行为的影响。