物理冶金原理阶段复习与习题参考答案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料,Materials,有机高分子材料,Polymers,and Rubbers,无机非金属材料,Ceramics,and Glass,复合材料,Composites,(,MMCs,CMCs,PMCs,),材料的分类,Classifications of Materials,Metallic Materials,(Metals and Alloys),非金属材料,Non-Metallic Materials,按功能分类：,结构材料,（按组成、性质、用途）,功能材料,（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料）。,陶瓷材料的性能优点：,共价键及离子键原子间结合键强、化学稳定性高,高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好,硬度高、耐磨性优异,导热系数低、隔热性能好(TBCs),不导电，绝缘材料,陶瓷材料的性能缺点,无塑性、几乎无韧性、,脆性极大、难承受动载荷、应用面窄；,对缺陷极其敏感、无损伤容忍性,(No DamageTolerance)、,使用不安全,加工制造困难(切削加工困难；无法焊接、锻压、扎制、锚接、无法修复等),回收利用(Recycling)难度大、成本高,Characteristics of Metallic Bond,金属键及其特点,自由电子公有化,无方向性,无饱和性,不选择结合对象,种类及潜力无穷,塑性变形及加工硬化,“Gas”of Free Electrons；,Metallic Ions,自由电子云；,金属离子,金属材料的特点,Characteristics of Metallic Materials,(Metals and Alloys),1、种类繁多,(占周期表,三分之二,),合金种类及潜力,无穷！,（FeAlTiCuMg等很少几个体系）,金属间化合物及其合金,用量最大(结构及功能材料),2.优异的物理性能,：,磁、光、电子、信息、储能等,优良的导电性及正的电阻温度系数,优异的导热性,.,4.优异的成形加工性能Processing ability,优异与灵活的,凝固加工,成型性能：,铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件,焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造,独特的,塑性变形及加工硬化,特性,与优异的,冷加工成型能力,：,冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压,.,冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）,优异的,热加工成型能力,：,锻造、热轧、热挤压、,5.,独特的抗过载能力及使用安全性,(加工硬化),零件局部过载,塑性变形,加工硬化,材料强度提高,不但不会失效、承载能力反而提高、,使用安全；,加工硬化,避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用,加工硬化,避免变形集中、材料均匀变形,冷加工热加工成型成为可能。,7.制造技术成熟、材料可重复利用,铸、锻、焊、热处理等热加工制造技术,车、铣、刨、磨等机械技工技术,旋压、冲压、板金、铆接等各种冷加工制造技术,表面强化与表面加工制造技术,几乎完全可回收利用,Materials Recycling,Fully-Recyclable,Environment-Friendly Materials-,Ecomaterials,非晶合金的结构及性质,原子排列长程无序或短程有序,无晶界、无成飞偏析、成分完全均匀,没有固定熔点,各向同性,高强度、无加工硬化、低塑形,高弹性、高耐蚀、高耐磨,优异的磁性、储氢性能,金属的结构,Structure of Metals and Alloys(Atomic Arrangements),晶体学基础,金属的,晶体结构,合金的相结构,晶体缺陷（位错、界面）,固体中原子的扩散,1-2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A(0,1/2,1/2),B(1/2,1,1/2),C(1/2,1/2,0),D(0,1,0)，写出该四面体中四个面的晶面指数及六条边的晶向指数。,金属的晶体学结构,fcc,、bcc、,hcp,致密度、配位数、原子半径,间隙、间隙半径,1-3、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP）晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；,八面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 方向,四面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 方向,合金的相结构,合金、组元、相及合金分类,固溶体：置换固溶体-间隙固溶体；有限固溶体-无限固溶体；有序固溶体-无序固溶体,固溶强化,中间相：正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物、TCP相,同素异构转变：一些金属，在固态下随温度或压力的改变，还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化,1-6、何谓固溶强化？试分析影响金属固溶强化效果的因素,固溶强化理论最主要的是位错的钉札机制，即位错与溶质原子的交互作用。溶质原子向位错偏聚，形成溶质气团，降低位错的应变能和系统能量，使位错难于移动。,影响因素：固溶体类型；原子尺寸差；晶体结构；电化学性质；元素固溶度。,1-7、试比较间隙固溶体与间隙相的结构特征及性能特点,间隙固溶体属于一次固溶体，位于相图端部和纯组元相连接，它的晶体结构保持纯组元的晶体结构，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙中，只能有一定的溶解度。,间隙相：具有完全不同于各组成元素的晶体结构，各组元原子按一定规则在晶格中呈有序排列。结合键为金属键与共价键的混合。具有较高的硬度和熔点。,1-8、组元A具有面心立方晶体结构，组元B固溶于A中形成置换式固溶体，试问A,3,B还是A,2,B成分的固溶体更易形成有序固溶体？,组元B溶于A中，置换面心立方中的顶点位置的A组元，面心位置仍有A组元占据，每个晶胞中A、B比例符合A,3,B，故A,3,B更易形成有序固溶体。,1-10.试述固体合金中原子扩散的微观机制及影响金属原子扩散的主要因素,原子扩散微观机制：,1.空位机制：置换式溶质原子 2.间隙机制：间隙溶质原子 3.交换机制 4.晶界扩散及表面扩散,影响金属原子扩散的主要因素：,温度：,D=D,o,exp(-,Q,/R,T,),扩散元素性质：,熔点、原子间结合力，同溶剂原子间的原子尺寸差、化学亲和力等,熔点,越高扩散激活能越大扩散系数越小 ,原子间结合力越强,扩散激活能越大扩散系数越小,原子尺寸差,越小晶格奇变越小扩散系数越小,化学亲和力越高,（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小,溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能,晶体结构,致密度越高（,BCC与 FCC相差1500倍,),原子,扩散激活能越高、扩散系数越小,熔点,越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小,与溶质原子化学亲和力,越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小,同溶质原子的尺寸差,越小晶格奇变越小扩散系数越小,晶体缺陷密度：,空位浓度:过饱和空位（固溶后不能停留太长时间）,位错及层错密度：是扩散的快速通道,晶界（晶粒尺寸）:纳米材料（表面纳米化渗氮）,相界:,表面曲率：曲率半径越小、表面自由能越高、扩散驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大）,其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响,溶质浓度,晶体缺陷（位错、界面）,点缺陷、线缺陷、面缺陷,位错及其性质；,刃位错、螺位错特征及运动特点,柏氏矢量b，,方向表示位错的性质与位错取向，即位错运动导致晶体滑移的方向，模表示畸变程度，即位错强度。,柏氏矢量的守恒性决定了一根位错线具有唯一的柏氏矢量，柏氏矢量不仅决定位错的组态及运动方向，对位错的一系列属性，如位错的,应力场,、,应变能,、位错的受力状态、位错的增殖与交互作用，,位错的反应(几何、能量条件),等都有影响。,3-2,简述刃位错、螺位错的基本特征及其运动特点,刃位错：,柏氏矢量与位错线垂直,滑移面唯一,运动,滑移,攀移,形状：,直线、平面曲线,平面折线、环状,螺位错：,柏氏矢量与位错线平行,滑移面不固定,运动,易发生交滑移,不能攀移,形状：,纯螺位错只能是直线,3-4 根据位错理论，简述细晶强化、加工硬化、固溶强化及粒子强化（饶过粒子及切割粒子两种情况）的微观机制,细晶强化,：,Hall-Petch关系 Hall-Petch Equation,s,=,s,o,+k,d,-(1/2),细化晶粒，增加晶界，增大了位错移动的阻力,加工硬化：,机制：位错之间的交互作用,位错增殖、位错密度急剧增加、位错难于移动 位错交割形成大量割阶、钉扎位错,位错交割形成位错网、钉扎位错 位错反应形成Lomer或CottrellLomer位错锁,固溶强化：,机制：位错与溶质原子的交互作用,溶质原子向位错偏聚，形成溶质气团，降低位错的应变能（和系统能量），使位错难于移动,！,偏聚于刃位错线,Cottrell 气团 偏聚于扩展位错层错区Suzuki气团,偏聚于螺位错附近Snoek气团,粒子强化：,弥散强化,：,位错绕过粒子,强化效果只取决于粒子尺寸及粒子间距！与粒子本性无关！,沉淀强化,：位错切割粒子,强化效果取决于粒子的本性！,(界面共格错配度、界面能、弹性模量差、,层错能差、有序度等）,3-5 简述位错的起源机制及增殖机制与观察位错的基本方法,位错的起源机制：,温度梯度热应力引起塑性变形,生长晶体,自重引起的塑性变形,液体对流引起晶体塑性变形,籽晶中位错的遗传,空位集团的崩塌,多相材料线膨胀系数的差别,晶体表面微缺口应力集中.,观察位错的基本方法,：,间接测量晶体的物性质变化（量热、XRD）,晶体生长表面形貌观察(Crystal Surface)：,表面腐蚀（蚀坑法Etching Pits）：,缀饰法（Decoration）:,TEM、HRTEM：,STM,Planar Defects,面缺陷,晶界,Grain Boundaries,相界,Interfaces,表面,Free Surface,小角度晶界,（small angle GB）,大角度晶界,（large angle GB）,共格界面,coherent,非共格界面,non-coherent,半共格界面,semi-coherent,扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量相互垂直的螺位错组成（螺位错网）,倾斜小角度晶界：由刃位错墙组成,大角度晶界：结构复杂，重合位置点阵模型（,CSL,模型）的适用及局限,晶界的性质：晶界的高能量,位错运动的不可逾越的障碍：,Hall-Petch关系（,ts=to+kd-1/2 ss=so+kd-1/2）,、细化晶粒同时提高金属材料常温强度、塑性与韧性的唯一方法；,原子扩散的快速通道：,固态相变形核之场所：,溶质原子平衡偏聚的场所：,晶界偏聚对材料物理、化学、力学性质及加工制备工艺性能具有重要影响。,降低晶界能：,晶界结合力提高：,晶界结合力降低或变脆：,腐蚀、氧化、熔化等自晶界开始：,晶粒易长大,高温变形之薄弱环节：晶界滑动、晶界迁移,晶界迁移的驱动力,相邻晶粒内能差,晶界自由能差：小晶粒缩小消失、大晶粒长大,应变能差：高应变晶粒缩小消失、低应变晶粒长大,表面自由能：表面曲率引起的晶粒内部附加压力,正曲率晶粒缩小、负曲率晶粒长大,小晶粒缩小、大晶粒长大,（马太效应）,影响晶界迁移运动的因素,温度:,D=Doexp(-Q/k,T,),晶界能:小角度晶界、低能晶界,晶粒内晶体缺陷密度及均匀性：,晶界元素偏析情况,晶界第二相：,晶界结构（锯齿状晶界、弯曲晶界等）,晶体性质（晶体结构、熔点、原子间结合力、层错能等）,相界面,共格界面,半共格界面,非共格界面,界面能很低、应变能很高,碟状、片状、针状：,比表面积最大、应变能最低,沉淀强化：位错切割粒子,，,强化效果取决于粒子的本性。故利用共格粒子沉淀,强化是强化高温结构材料的主要途径之一,弥散强化：位错绕过粒子，强化效果只取决于粒子的尺寸,d(,粒子间距,),，与粒子,本性无关。,界面能很高、应变能很低,球状：,比表面积最小，表面能最低！,3-9 从原子扩散及晶界运动观点出发，试述强化高温金属结构材料可采取的主要方法,基体材料：,高熔点金属、高原子间结合力材料：,致密的晶体结构（FCC）、低的层错能,合金元素：,加入高熔点、难扩散合金元素固溶强化,低界面能,共格粒子,沉淀强化（粒子不长大）,高稳定粒子弥散强化：ODS,晶界强化：,阻止晶界滑动：晶界上析出第二相粒子钉扎晶界、锯齿状晶界、弯曲晶界等,微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：阻止晶界迁移,消除横向晶界：定向凝固柱状晶合金,消除全部晶界：单晶合金,4-3 比较滑移与孪晶塑性变形的主要特点,滑移只在晶体表面留下滑移变形痕迹（滑移台阶：滑移线、滑移带），不改变晶体位向，在晶体内部没有变形之痕迹（但位错、空位等晶体缺陷密度增加）,孪晶变形后在晶体表面形成表面浮凸或表面倾侧，晶体内部晶体取向改变，在晶体内部留下变形痕迹,滑移变形极不均匀（变形局部化）：滑移集中于滑移带中，滑移带之间晶体不发生任何变形,孪晶变形使晶体整体发生均匀切变，相邻晶面间位移小于一个原子间距，原子间位邻关系不变,滑移的变形量几乎不受限制，可以很大（无穷大、超塑性）,孪晶本身变形量很小，对变形的贡献在于改变晶体之取向，使原来处于硬取向方向的晶体转向可滑移的软取向方向,4-4 比较单晶与多晶金属塑性变形的特点,单晶体塑性变形的两个基本方式是滑移和孪生。滑移和孪生都是切应变，而且只有当外加切应力分量大于晶体的临界分切应力时才能开始。,多晶塑性变形比单晶体复杂得多。,必须有至少五个以上的滑移系同时开动，才能保证变形过程中晶界处的连续性及相邻晶粒变形的协调性,（Deformation Accommodation and Continuum at Grain Boundaries）,多晶材料一开始变形就处于多滑移阶段，加工硬化指数高！,位错受晶界的强烈阻碍，屈服应力高！,不同晶粒位向不同，变形不同时性与不均匀性,4-6 画出金属单晶体的典型加工硬化曲线，简述该曲线三个阶段的基本特征及其位错机制，分析晶体位相、晶体结构等因素对单晶体加工硬化曲线的影响,Stage I:Single-Slip Stage：只有一个滑移系开动，滑移容易，加工硬化指数很低，晶体表面出现细长均匀的滑移线；,Stage II:Multi-Slip Stage：由于晶体转动，两个以上滑移系同时开动，多个滑移系之间发生位错交割（形成割阶、网络、缠结）、位错反应（形成L-C位错锁等）：加工硬化强烈、加工硬化指数高，由于层错能低，难交滑移，线性硬化阶段很长,Stage III:Cross-Slip Stage(Dynamic Recovery Stage),在外力作用下，扩展位错束集，位错发生交滑移，异号位错抵消，加工硬化指数随应变增加而降低,FCC晶体：屈服应力低，但难交滑移，,加工硬化指数高，线性硬化阶段很长,BCC晶体：屈服应力高，极易交滑移，,加工硬化指数低，第二阶段很短,HCP晶体：屈服应力低，滑移系很少，,第一阶段很长,4-7 简述金属塑性变形后的组织与性能变化,组织变化：,晶粒拉长：形成纤维组织、带状组织,晶体转动与拉长：产生变形织构、性能各向异性,晶体内部位错密度、孪晶密度、空位浓度急剧提高，形成各种位错亚结构,晶格常数增加,某些金属可能产生应变诱发相变,性能变化：,机械性能,加工硬化强度显著提高、塑性显著降低,晶格严重奇变产生较高的残余应力,物理性能,密度降低、电阻增加、导热性降低,化学性能,耐蚀性降低,纯晶体的凝固,液态结构：更接近固体，,近程有序、能量起伏、结构起伏,晶体凝固的热力学条件：过冷（过冷度？影响过冷度的因素？）,形核：均匀形核、非均匀形核、临界形核功、晶胚、形核率及其主要影响因素,晶体生长：热力学条件（过冷）、生长机制（液固界面结构与,Jackson因子,）,晶体长大速率与长大方式有关，连续长大方式生长速率大于二维形核和螺型位错形核,纯晶体凝固的生长形态还取决于界面前沿液体中的温度分布情况,。,正的温度梯度下，光滑界面结构的晶体，生长形态呈现台阶状，粗糙界面的晶体，呈现平面状。,负的温度梯度下，粗糙界面结构的晶体，生长形态呈树枝状，光滑界面，生长形态也呈树枝状，只有当Jackson因子很大的晶体，才呈平面状。,二元系合金相图及凝固,相图、相率,建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，但目前大部分相图是通过实验测定的，通常是根据相变的临界点特征建立相图的。首先配制一系列不同成分的合金，测出从液态到室温的冷却曲线，得出各自的临界点。将测得的各临界点标在以温度为纵坐标，成分为横坐标的平面图中，再将上、下两类临界点分别连接起来就得到合金相图。,两相平衡的基本规则-杠杆规则（计算）,平衡凝固,指凝固过程中的每个阶段都达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散，以达到每个温度下平衡相的成分。实际凝固速度较快，难以达到平衡凝固，使凝固过程偏离了平衡条件，这就,是非平衡凝固,。,合金在凝固过程中有溶质的再分布，并且凝固过程往往未能扩散均匀，使凝固后的固相的成分不均匀，这就是所谓的,凝固偏析,。,凝固偏析的分类：,晶内偏析（枝晶偏析）,晶界偏析,宏观偏析,微观偏析,减轻或消除凝固偏析的方法：,平衡凝固：无偏析细化晶粒：减轻偏析程度,快速凝固：来不及扩散,均匀化退火消除,2-3 控制合金凝固过程细化晶粒的主要方法及机理,凝固：,加大冷却速度，进而提高过冷度（降低浇铸温度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、强制冷却、内外“冷铁”，等等）,熔体纯净化(深过冷)，进而提高过冷度,加强液态金属的流动（浇铸方式、机械搅拌与振动、电磁及超声搅拌与振动等等）,型壁晶体的游离,枝晶臂断裂与游离,孕育处理,微合金化处理,三元相图,成分三角形、直线法则、重心法则、水平投影图、等温截面图、垂直截面图,等温截面图：存在严格的相平衡关系，确定各平衡相成分，预测合金平衡组织,垂直截面图的作用：1、合金状态随温度的变化2、确定合金的临界点3、制定合金加工制备工艺的基础。特点：1、不存在相平衡关系2、不能确定平衡相成分3、不能用杠杆规则,