材料科学基础第5章(2)

26
27
固溶强化的本质：位错被溶质原子气团钉扎而难 于启动，增加了位错滑移的阻力。 固溶强化的作用机制有以下四种情况：

溶质原子与位错的弹性交互作用而形成科垂耳
（Cotrell）气团或斯诺克（Snoek）气团。位错
滑移时，需要拖着气团一起运动，或挣脱气团而
运动，故所需切应力增大，强度提高。
28

积分数所确定，因此大多数输运的物质发生在体扩
散中。但是低温时晶界扩散的作用急剧增加。
13
5.3.5 其他面缺陷
5.3.5.1 孪晶界
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿
一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶
体就称为“孪晶 ”，此公共镜面就称为“孪晶
面”。 孪晶界可分为两类：

共格孪晶界 非共格孪晶界

面密度（S） 穿过单位截面积的位错线数目，即 S = n/A
式中，n为在面积A中所见到的位错线的露头数目。
35
36
5.5.3 细晶强化
实践证明，金属多晶体的强度，特别是屈服强度 随着晶粒的细化而提高。 因此，细化晶粒是提高材 料强度的有效途径之一，称为“细晶强化”。 多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径d的关系可 以用著名的霍尔－佩奇（Hall-Petch）公式表示： s = 0 + Kd-1/2
多晶体的塑性变形抗力，使多晶体产生强化。 晶界数量取决于晶粒大小。一定体积内晶粒越小， 晶界数量越多，则晶界的强化作用越大，即产生细 晶强化现象。
38
39
必须指出，细晶强化不适应于高温，因为高温下 的晶界在应力作用下会产生粘滞性流动，发生晶粒 沿晶界的相对滑动。所以，细晶粒组织的高温强度 反而较低。
式中，0和K是与材料有关的两个常数；s为屈服
强度；d为晶粒平均直径。
37
细晶强化的产生原因
常温下晶界具有阻碍变形的强化作用。一方面， 晶界的存在会阻碍位错运动。当位错运动到晶界处 时发生塞积，产生应力集中。另一方面，晶界的存 在降低了多晶体均匀变形的能力。因此常温下晶界
对多晶体的变形过程具有明显的阻碍作用，会增大
金属在冷加工过程中，要不断地塑性变形，就需
要不断增加外应力，这说明金属对塑性变形的抗力
随着变形量的增加而增加。这种流变应力随应变的 增加而增加的现象就称为应变硬化或加工硬化。
31
曲线的斜率=d/d称为加工硬化率或加工硬化 系数，表示切应力 随切应变 增大的速率。
32
加工硬化的产生原因
同。
43
① 不可变形粒子的强化作用 —— 位错绕过机制（奥
罗万Orowan机制）
44
Ni合金中位错绕过Ni3Al相的电镜照片
45
46
位错按照绕过机制方式移动时，既要克服第二
相粒子的阻碍作用（弯曲需要额外做功），又要 因此位错运动遇到的阻力很大，需要增大外力做
功，故使合金的强度提高。
克服第二相粒子周围的位错环对位错的反作用力，
共格ห้องสมุดไป่ตู้界
18
② 半共格相界
若相邻两相在界面处 的晶面间距相差较大， 则在相界面上将产生一 些位错，以降低界面的
弹性应变能，这时界面
上两相原子部分地保持
半共格相界
匹配，这样的界面称为 半共格相界或部分共格 相界。
19
③ 非共格相界
完全没有共格关系的相界面称为非共格相界，经
常发生在两相的点阵类型或点阵常数差别很大时。
与第二相粒子的体积分数（f）和尺寸大小（r）有关。
强化效果都随着微粒体积分数的增加而增大。

相异：位错绕过机制的强化效果随第二相粒子尺寸
的减小而增大；位错切过机制的强化效果随粒子尺 寸的增大而增大。
52
End
53

当变形温度低于0.5Tm(K)或变形速率较大时，晶界
具有阻碍变形的强化作用。

当变形温度高于0.5Tm(K)或变形速率较小时，则变
形可通过晶界移动而显示出软化效应。
40
5.5.4 弥散强化
当合金中的第二相以细小弥散的质点均匀分布在 基体相上时，通过对位错运动的阻碍作用而产生很 大的塑性变形抗力，使合金表现出显著的强化效果， 称为弥散强化。
位错之间的交互作用阻碍了位错的运动。随着塑
性变形量的增大，位错密度增加，位错之间的交互
作用加剧，形成了塞积群、缠结和胞状亚结构等， 减小了位错运动的平均自由程，增大了位错运动的 阻力，大大增加了不能移动位错的数量，因此显著 提高了继续变形的流变应力，使合金产生强化。
33
理论研究表明，塑性变形过程中的流变应力与位
3-D丛聚。
23
24
5.5 金属中的强化机制
金属强化的基本原理：

减少位错，获得无缺陷的理想晶体

增大位错移动的阻力
25
5.5.1 固溶强化
固溶体合金中的溶质原子，不论是以置换方式或
填隙方式溶入基体金属，都会对金属的塑性变形产
生影响。主要表现是使变形抗力提高，应力－应变 曲线升高，变形能力（塑性）下降，这就是“固溶 强化”。
5.3 面缺陷
原子偏离理想状态的区域在二维方向上都较 大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷称为面 缺陷，包括晶界、相界、外表面、层错等等。

气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面 （surface）；

凝聚相与凝聚相之间的分界面称为界面
（interface）。
1
外表面（自由表面）
对称倾侧晶界
小角度晶界 非对称倾侧晶界
11
5.3.3 晶粒尺寸的测量
美国材料及测试协会（ASTM）的晶粒尺寸级别N， 由如下方程定义： n=2N-1 其中，n是在放大倍数100下每in2的晶粒数目。
12
5.3.4 晶界扩散
实验发现，晶界扩散的激活能大约是体扩散激活
能的一半。因此在同一温度下沿晶界的扩散速度一
般比体扩散的高。但是每种扩散机制传输的总物质 量不仅由扩散速度而且由扩散过程中涉及的材料体
溶质原子与位错的化学交互作用形成铃木（Suzuki）
气团（溶质原子在堆垛层错区中形成局部偏聚），使 层错宽度增加，对位错的运动起阻碍作用，从而使合 金强度提高。

溶质原子与位错的静电交互作用。在刃位错周围，
因应力场的不同而引起自由电子重新分布，形成电偶 极子，与溶质原子发生不同程度的静电交互作用，使 溶质原子在刃位错周围偏聚。这也对位错的滑移产生 阻力，引起强化。但其强化效果不很显著。
错密度存在一定关系： = 0 + Gb1/2 = 0 + K1/2 式中，0是形变前的流变应力；G为切变模量；b
是位错强度；为比例常数（0.3～0.5）。
34
位错密度

体密度（V） 单位体积晶体中所含位错线的总长度，即 V = L / V
式中，L为位错线总长度，V是晶体的体积。位错密度的 量纲为m-2或cm-2。
49
50
在位错切过机制中，强化作用主要决定于微粒本
身的性质和结构。其强化机制甚为复杂，且因合金
而异。
位错切过机制引起的附加阻力与体积分数、微粒
半径间的关系大致为： ∝ f1/3~1/2r1/2 即微粒越大，数量越多，则强化效果越显著。
51
两种强化机制的比较

相同：位错绕过机制和位错切过机制的强化效果都
非共格相界
20
5.3.5.3 堆垛层错（层错）
实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有 可能遭到破坏或错排，称为堆垛层错，简称层错。
21
一个插入型层错相当于两个抽出型层错。
22
5.4 体缺陷

空洞（孔洞）：空位的3-D丛聚。对材料的力
学性能有显著的有害影响。

沉淀相：间隙原子或置换原子或者二者兼有的
29

在固溶体中，存在溶质原子偏聚区和短程有序。
当位错运动通过这些区域时会使短程有序态和偏聚
区遭到破坏，引起能量升高，从而增加位错运动的
阻力，导致强化。
说明：化学交互作用对强度的贡献比弹性交互作用 小，但弹性交互作用随温度上升而减小，而铃木效 应随温度变化不大，故在高温时它显得比较重要。
30
5.5.2 应变硬化
于位错中心的原子错排能。
小角度晶界的晶界能随着相邻晶粒位向差的增加
而增大。
9
10
5.3.2.2 大角度晶界的界面能
由于大角度晶界的结构模型还不完善，因此界
面能的理论计算还不可能，只能用实验的方法加
以测定。 大角度晶界的界面能大体上是一常数（0.25～ 1.0J/m2范围内），不随相邻晶粒的位向差而变。
47
位错线绕过时所需的切应力：

6 Tf 1 2 br
式中，T－位错的线张力； f－第二相粒子的体积分数； b－位错强度； r－第二相粒子的半径。
在位错绕过机制中，第二相粒子的细化及其体
积分数的增加，均会增大合金的强化效果。
48
② 可变形颗粒的强化作用
当第二相微粒可随基体一起变形时，位错将会直接 切过微粒，结果使微粒分成上下两部分，并沿滑移面 产生一个柏氏矢量的相对位移。
新表面所割断的结合键数目近似表达，即
（表面）＝（被破坏的化学键数目／形成的新表
面的面积）（每个键的能量）
3
4
5
5.3.2 晶 界
属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称
为晶界。晶界是一种内界面。而每个晶粒有时又
由若干个位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶 粒之间的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常 在0.015～0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径 则通常为0.001mm数量级。
41
另一种分类：

第二相质点是通过时效处理从过饱和固溶体中 第二相质点是借助粉末冶金方法加入的 — 弥 沉淀强化和弥散强化统称为第二相强化。
析出的 — 沉淀强化或时效强化。

散强化。

42
弥散强化的产生原因
细小弥散分布的第二相质点（微粒）与位错交互 作用，阻碍了位错的运动，增大了塑性变形抗力， 从而提高了合金的强度。通常可将第二相粒子分为 “不可变形的”和“可变形的”两类。这两类粒子 与位错交互作用的方式不同，其强化的途径也就不
面缺陷
晶 界
大角度晶界 共格孪晶界
扭转晶界
孪晶界 内界面
非共格孪晶界 共格相界
相 界 半共格相界
非共格相界
堆垛层错
2
5.3.1 晶体表面
与晶体内的原子不同，固体外表面的原子有一部分 键被切断，以悬空键（dangling bonds）的形式存 在，使表面具有较高的自由能。 与晶体中的原子键合状态相比，由于晶体表面原子 的部分结合键如同被割断，因此表面能可用形成单位
6
7
根据相邻晶粒之间位向差角的大小不同，可将
晶界分为两类：

小角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10的晶
界。亚晶界均属于小角度晶界，一般小于2。

大角度晶界——相邻晶粒的位向差大于10的晶
界。多晶体中90%以上的晶界属于此类。
8
5.3.2.1 小角度晶界的界面能
小角度晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关： = 0 (A - ln) 式中0 = Gb/[4(1-)]为常数，取决于材料的切变模 量G、泊松比和柏氏矢量b；A为积分常数，取决
14
AZ31镁合金薄板中的形变孪晶
15
16
5.3.5.2 相 界 具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。 按结构特点，相界面可分为

共格相界 半共格相界 非共格相界
17
① 共格相界
相邻两相在某种晶面上具有相同的原子排列方式 及相近的原子间距时，两相的晶格在界面上能够相 互衔接，一一对应，这种界面称为共格相界。