材料科学基础复习

第五章

弹性形变：弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。原子处于平衡时，其原子间距为r0，位能U处于最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变形便完全消失，这就是弹性变形。 特点：可消失，可逆，服从胡克定力，变形量小，不能引起组织变化。 滑移系：滑移面和滑移面上的一个滑移方向

临界分切应力：晶体中等滑移系交替滑移所需要的最小分切应力，称为临界分切应力。

实验方法：（1）选择单晶体中合适的取向，使晶体的初始滑移为单滑移；（2）测定晶体的拉伸方向的取向，来取得取向因子 试述孪晶与滑移的异同，比较它们在塑变过程中的作用。相同点：两者都是晶体塑变的基本方式，都是在切应力作用下，沿着一定晶面，晶向发生的切变。变形前后，晶体结构类型不变。不同点：1孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只是集中在一些滑移面上。2滑移时，晶体的已滑移部分与未滑移部分晶体位相相同，而孪生部分与基体位相不同，是具有特殊的镜面对称关系。3孪生变形原子变形位移小于孪生方向原子间距，为其原子间距的分数倍；滑移变形时，原子移动的距离是滑移方向上原子间距的整数倍。4与滑移类似，孪生要素也与晶体结构有关，但是同一结构的孪晶面，孪生方向可以与滑移面、滑移方向不同。5孪生的临界分切应力比滑移的临界分切应力大很多。6孪生变形的应力-应变曲线与滑移不同，呈现锯齿状的波动，主要是孪晶“形核”时，所需要的切应力大于孪晶界面扩展的应力所至。一般情况下，先发生滑移，当滑移难以进行的时候，才发生孪生变形。孪生对于塑变的直接贡献比滑移小得多，但是孪生改变了晶体位相，使硬位向的滑移系转到软位向，激发了晶体的进一步滑移。纤维组织：变形量很大时，晶体模糊不清，晶粒难以分辨呈现出的纤维装条纹多晶体塑性变形：1位错被堵塞在界面附近，滑移受阻，变形量较小，晶粒内部变形量较大不均匀2.：晶粒：越细，强度硬度塑性韧性越高 分析加工硬化、细晶强化、固溶强化与第二相强化在本质上有什么异同？

相同点：都是位错运动受阻，增加了位错滑动的阻力，即提高了塑性变形的阻力，使得材料得到强化。不同点：①加工硬化：位错密度增大，位错阻力和形成割阶消耗外力所做的功；②细晶强化：增加了晶界，增加了位错塞积的范围；③固溶强化：溶质原子沿位错聚集并钉扎位错；④第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错切过或绕过强化相颗粒而额外做功是分散强化的位错机制。包装亚结构：位错运动出现不均匀形成位错缠结，加大变形，位错聚集最终形成柯氏气团：固溶体合金中溶质原子和杂质原子与位错交互作用而形成溶质原子气团 第六章

凝固：由液相转变为固相叫做凝固结晶：凝固后的固体是晶体

液态结构特征：1.原子平均距离比固体稍大2.原子配位数比密排六方的减少3.液态原子间混乱程度增大 结构起伏：也太结构特征中原子排列是长城无序、短程有序、并且短程有序的院子集团不是固定的，她是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳的的结构

能量起伏:形核体系中每个微小体积所实际具有的能量会偏离实际平均能量平均水平二瞬息涨落的现象（补充不足的3分之一临界晶核表面能其余的由液固体积自由能之差补充）

过冷度：纯晶体的熔点Tm与实际凝固温度T之差。 1：△T>0，△G＜0 是结晶的必要条件2:T过冷度越大,Gv越小，越易结晶3.Gv的绝对值是凝固过程驱动力（体积自由能是结晶驱动力，促进晶胚存在和长大，表面自由能的增加使之消失和融化） 均匀形核：均匀形核是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。

非均匀形核：利用液相中的活质子或是固体界面做基地，同时依靠相中的相起伏和能量起伏实现形核垂直生长：对于粗糙界面，由于界面上的一半原子位置空着，液相的院子可以进入这些位置，与晶体结合，晶体边连续的向液相中移动生长，这种长大成为垂直生长。

树枝状生长：树枝状长大：在液体具有负温度梯度条件下，界面处偶然的凸起将伸入过冷的液相中，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成一次晶轴，在一次晶轴侧面仍为负温度梯度，便会分枝形成二次轴以及多级的分枝，直至各枝晶相互接触，液体耗尽为止，这就是树枝状长大。枝晶偏析：固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析。（P263）

固体凝固热力条件：1.缓慢冷至Tm<金属熔点，金属液态没有开始凝固，降低到某一实际温度开始结晶，2.结晶潜热释放使金属温度回升，结晶潜热与冷却中金属向外界散发的热量相等。晶体三种长大：连续增大 （过冷度较小的时候长大速率呈现线性增长，随后有极大值。）二维增长：长大不连续，速度慢， 螺旋形位错增长：螺行位错为晶体生长提供了不消失的台阶源。 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？

根据自由能与晶坯半径的变化关系，可以知道rr*的晶胚才有可能成核；而r=r*的晶胚既可能消失，也可能稳定长大。因此，半径为r*的晶胚称为临界晶核。其物理意义是，过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团，当其尺寸r>r*时，这样的原子团便可成为晶核而长大。临界晶核半径r*，其大小与过冷度有关。

试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。

GLmT/Tm答：分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件△G＜0；由单位体积自由能的变化 V 可知，只有△T>0，才有△

GB＜0。即只有过冷，才能使△GB＜0。动力学条件为液－固界面前沿液体的温度TiA1S3 纯金属生长形态是指晶体宏观长大时界面的形貌。界面形貌取决于界面前沿液体的温度分

(1) 平面状长大：当液体具有正温度梯度时，晶体以平直界面方式推移长大。此时，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液体时，都会使其过冷度减小，长大速率降低或停止长大，而被周围部分赶上，因而能保持平直界面的推移。长大中晶体沿平行温度梯度的方向生长，或沿散热的反方向生长，而其他方向的生长则受到抑制。

(2) 树枝状长大：当液体具有负温度梯度时，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液体时，由于前方液体有更大的过冷度，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成枝晶的一次轴。一个枝晶的形成，其潜热使邻近液体温度升高，过冷度降低，因此，类似的枝晶只在相邻一定间距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高，这种负温度梯度使一次轴上又长出二次轴分枝。同样，还会产生多次分枝。枝晶生长的最后阶段，由于凝固潜热放出，使枝晶周围的液体温度升高至熔点以上，液体中出现正温度梯度，此时晶体长大依靠平界面方式推进，直至枝晶间隙全部被填满为止。

.根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

由凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目Z取决于形核率N和晶体长大速率Vg两个因素，即即Z∝N/Vg 。基本途径：

（1）增加过冷度△T。△T增加，N和Vg随之增加．但是N的增长率大于Vg的增长率。因而，N/Vg的值增加，即Z增多。（2）加入形核质，即变质处理。加入形核质后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。即不但使非均匀形核所需要的基底增多，而且使临界晶核体积减小，这都将使品核数目增加，从而细化晶粒。（3）振动结晶。振动，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使正在生长的晶体破断，可增加更多的结晶核心，从而使晶粒细。

证明均匀形核的临界形核功△G*等于表面能的 1/3 （注：单位面积表面能用σ表示，单位体积固相与液相的自由能差值用△G表示）。

证明： ， △GV 是液、固两相单位体积自由能差，为负值；σ 是晶胚单位面积表面能，为正值；V和A分别是晶胚的体积和表面积。设晶胚为球形，其半径为r，则上式可改写成：

GGVAd(G)432GGVr4rdr3316*2r*GVGV4r28rd(G)0drG3GV2163A4(r)GV2**2G*1A*3GC1VCGV2

VC44233233r*()333GV3GV纯金属凝固时，均匀形核和非均匀形核的形核功大小是否相同？一般情况下两者哪一个大？为什么？什么情况下两者相同？

答：两者不相同，一般情况下，非均匀形核的形核功小。这是因为非均匀形核时，形核是在一定形核位置（如模壁、形核剂颗粒等）上进行的，其形核功的大小取决于晶核和形核位置之间的界面能和接触角，设晶胚的形状为球冠，则非均匀形核功与均匀形核功之比为 *G非23coscos3f()*G均4一般情况下 ，所以非均匀形核的形核功小于均匀形核的形核功。只有在形核位置与金属完全不润湿的情况下，此时 f (  )  1 即非均形核功的形核功才和均匀

f()1形核的形核功相等。 第七章

匀晶转变：液相结晶出单相故溶体的过程共晶转变：有一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。共晶温度：两条液相线的交点所对应的温度。共晶体：液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相这样两相得混合物共晶线：含有三相共存的温度和各相的成分的水平线

伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。离异共晶：由于非平衡共晶体较少，共晶体中的a相依附于初生相a生长，将共晶体中另外一相推到最后的凝固的界处，是共晶体的组织特征消失，这种两相分离的共晶体。包晶转变：有一个特定成分的固相与液相生成另一个特定成分固相的转变。