材料科学基础第八章
材料科学基础第8章新课件(1)
G nGv n 2 / 3 nEs
体积自由 能变化 表面能 应变能
第 临界形核功： 二 节 固 态 相 变 的 形 材料科学基础 核
4 G 27 Gv Es 2
3 3 *
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24
4 3 3 G * 2 27 Gv Es
u e
1 e
33
三、 固态相变动力学
研究新相形成量(体积分数)与时间、温 度关系的学科称为相变动力学。 与再结晶过程类似，形核—长大过程。
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（1）约翰逊-迈尔方程（Johnson-Mehl方程)
当形核率和长大速度恒定时，恒温转变 动力学
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(2) 平衡脱溶转变 高温过饱和固溶体缓慢 冷却过程中析出第二相的 过程 特点： (a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同； (b)母相不会消失。
例如：钢在冷却时，由奥 氏体析出二次渗碳体的过 程
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图1-1 可发生脱溶转变的合金
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金属固态相变的三种基本变化：
晶体结构 化学成分 有序程度
只有结构的变化：多形性转变，马氏 体相变 只有成分的变化：调幅分解
既有结构又有成分上的变化：共析转 变，脱溶沉淀
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10
3.固态相变的一般特征
固态相变的驱动力也为新相与母相 的自由能差，与结晶过程相比，固态 相变有其自身特点.
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(4) 贝氏体相变
在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中 温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散。
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。
材料科学基础-8-铁碳相图
（二）典型铁碳合金的平衡转变过程及其组织
（1）ωC=0.01%的工业纯铁
室温组织：α+Fe3CⅢ
相组成物： α+Fe3C
例：求ωC=0.01%工
业纯铁中的组织组成
物与相组成物相对量。
相组成物： α+Fe3C
% =
0.01 − 0.0008
× 100% = 0.14%
例：求ωC=0.4%亚共析钢中组织组成物和相组成物的相
对量。
相组成物：Fe3C+α
α%=[(6.69-0.4)/(6.690.0008)]×100%=94%
Fe3C%=[(0.4-0.0008)/(6.690.0008)]×100%=6%
或Fe3C%=1-94%=6%
组织组成物：P+α
P%=[(0.4-0.0218)/(0.770.0218)]×100%=50.5%
α%=[(0.77-0.4)/(0.770.0218)]×100%=49.5%
亚共析钢的室温组织
珠光晶过程示意图
组织组成物P+Fe3CⅡ
相组成物α+ Fe3C
（4）过共析钢
（4）过共析钢
例：求ωC=2.0%
过共析钢的组织
组成物相对量。
组织组成物相对量
P+Fe3CⅡ ：
γS→αP + Fe3C （727℃)
共析线
二、Fe-Fe3C相图分析
②特性点分析
0
0
二、Fe-Fe3C相图分析
③相图中的线
二、Fe-Fe3C相图分析
3条重要的固态转变线：
a、GS线——
•奥氏体中开始析出铁素体
材料科学基础第8章固态相变
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学
材料科学基础-第8章-三元相图
L
α C A B L1 S1 L+α L+α n L o L2
7
m
α S2
C
A
第五章 材料的变形与再结晶 L
4、变温截面（垂直截面）图 变温截面（垂直截面） （1）通过成分三角形顶点的截面
α
★ 位于该截面上的所有合金含另外两 顶点组元量之比w 相同。 顶点组元量之比wA/wC相同。 ★ 此图可反映合金在不同温度时所存 在相的种类； 在相的种类；
α
β
γ
L+α L+α+β、α+β+γ 一个四相平衡区：L+α 一个四相平衡区：L+α+β+γ
19
20
2、投影图
E1 A B
o
E E3 E2
C
合金o冷却过程中的相变： 合金o冷却过程中的相变：
L+α L+(α )+α→L+(α )+(α )+α L→ L+α→ L+(α+β)+α→L+(α+β+γ)+(α+β)+α→ )+(α )+α (α+β+γ)+(α+β)+α
A C L L+α α
α B
9
第五章 材料的变形与再结晶
5、投影图
L
α A B
C
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第五章 材料的变形与再结晶
第二节 固态互不溶解的三元共晶相图
1、相图分析 每个侧面为组元固态下互不溶的二 元共晶相图。 三个共晶点。 元共晶相图。E1、E2、E3三个共晶点。 三个液相面： ★ 三个液相面： tAE1EE3tA、 tBE1EE2tB、 tCE2EE3tC。 三元四相共晶点E ★ 三元四相共晶点E：L→A+B+C ★ 重要的线： 重要的线： 三元三相共晶线E 三元三相共晶线E1E：L→A+B 三元三相共晶线E 三元三相共晶线E2E：L→B+C 三元三相共晶线E 三元三相共晶线E3E：L→A+C
8 《材料科学基础》第八章 材料制备中的固态反应.
的定量关系
M (S)
1 2
O2(
g
)
MO(S )
MO
O2
M
C0 C
前提： 稳定扩散 过程： 1、 M－O2界面反应生成MO；
2、 O2通过产物层(MO)扩散到新界面； 3、 继续反应，MO层增厚
根据化学动力学一般原理和扩散第一定律，
VR＝KC
VD＝D(ddCx
)
x
＝
D(C0－C)
(1) 固体间可以直接反应，g或L没有或不起重要作用；
(2) 固相反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度；此温度 与反应物内部开始呈现明显扩散作用的温度一致，称为泰曼温度 或烧结 开始温度
(3) 当反应物之一有晶型转变时，则转变温度通常是反应开始明显的温度 － －－海德华定律 Hedvall’s Law
.t
KKt
1
dG K
dt
K
(1 G)3
1
1 (1 G)3
金斯特林格积分方程 金斯特林格微分方程
讨论： (1) 适用更大的反应程度； 由金斯特林格方程拟合实验结果，G由0.2460.616, FK(G)～t，有很好的线性关系，KK=1.83; 由杨德尔方程知FJ(G)～t线性关系很差，KJ由1.81增加到2.25
影响固相反应速度的因素：
（1）化学反应本身； （2）反应新相晶格缺陷调整速率 （3）晶粒生长速率； （4）反应体系中物质和能量输送速率
三、固相反应的步骤
几个过程：
（1）反应物之间的混合接触并产生表面效应； A
B
（2）化学反应和新相形成，并形成产物层；
A
B
（3）反应物质点通过产物层相互扩散使反应向颗粒内部进行
材料科学基础第八章
c o s = 1 0 1 0 1 1 1
12 12 12 02 02 12
3
同 理 ， 滑 移 方 向 [101]和 拉 力 轴 [001]的 夹 角 为
cos= 1 2
故s
c cos cos
1/
1 2 1/
2.45 M P a 3
( 2 )由 于 滑 移 方 向 [1 1 0 ]和 [ 0 0 1]方 向 点 积 为 零 ， 知 两 晶 向 垂 直 ， c o s = 0 , =
很大，总变形量大。
改变，形成镜面对称关系（对抛光 面观察有重现性）
小于孪生方向上的原子间距， 较小。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切压力 一般先发生滑移
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
第四节 单晶体的塑性变形
一施密特定律
P在滑移方向的分力为Pcos，而滑移面的面积为coAs ,则P在滑移方向的
（2）滑移系
滑移系数目与材料塑性的关系
一般滑移系越多，塑性越好；
与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；
与同时开动滑移系数目有关（k）。
四 孪晶变形
（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分
沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取
向的镜面对称关系。
孪生面 bcc{112},fcc{111},hcp{1012}
4 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。
假定某面心立方晶体可以开动的滑移系为111-011，试回答下列问题：
（1）给出引起滑移的单位位错的柏氏矢量，并说明。
【材料科学基础】必考知识点第八章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。
二显微组织变化（示意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。
晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。
三性能变化1 力学性能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。
2 物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化（示意图）1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动力3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
五内应力变化回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。
第二节回复一回复动力学（示意图）1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加工硬化残留率；x－退火时加工硬化残留率；c0－比例常数；t－加热时间；T－加热温度。
2 动力学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。
二回复机理移至晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原子缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇而抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长大3 高温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。
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第八章变形和强化机制一、学习目的材料在加工和服役过程中不可避免产生变形。
研究材料变形的基本原理既是 预防材料服役中产生变形、断裂等失效的需要，也是设计材料塑性变形加工工艺 的需要。
本章的学习目的就是通过了解晶体材料的变形过程和影响因素， 掌握材 料变形和强化机制。
增加材料塑性变形抗力的方法叫材料强化，由于晶体材料的塑性变形主要由 晶格位错运动实现，因此材料的强化机制本质是阻碍位错运动。
细化晶粒产生更 多的晶界以阻碍晶间位错运动；固溶合金化或引入强化相也可有效地阻碍晶格位 错的运动；材料在塑性变形过程中会产生位错，因而使随后的位错运动受到抑制， 导致材料强化(即加工硬化或形变强化)，这些都是晶体材料有效的强化机制。
用晶体材料强化的思路研究高分子材料的弹性变形和塑性变形过程， 探讨塑 料、橡胶等高分子材料的强韧化机制也是本章的教学目的之一。
二、本章的主要内容从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。
施加切应力会使刃型位错和螺型位错运动，描述塑性变形是怎样由位错运动 产生的。
定义滑移系，并举例说明。
描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。
说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有 着大晶粒的金属强度大。
从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。
从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化(冷加工)现象。
从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。
从宏观和原子的角度解释晶粒长大现象。
10. 在滑移的基础上考虑，来解释为什么结晶陶瓷材料通常比较脆。
11. 描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。
12. 讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响： (a)分子量(b)结晶度(c) 预变形(d)不变形材料的热处理。
13. 描述弹性聚合物弹性形变的分子途径。
三、重要术语和概念Cold working:冷加工、冷变形The P lastic deformati on of a metal at a temp erature below that at which it recrystallizes.金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
Critical resolved shear stress 魏rss ）：临界剪切分切应力That shear stress, resolved withi n a sli p plane and directi on, which is required to in itiate sli p.1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.使得晶体开始滑移所需要的纯剪切应力，在某一特定滑移面和滑移方向上的分量。
Dislocation density: 位错密度The total dislocation length per unit volume of material; alternately, the number of dislocations that intersect a unit area of a random surface section. 材料单位体积内的位错线的总长度，或者在一个随机切面上的单位面积内切断的位错根数。
Grain growth: 晶粒长大The increase in average grain size of a polycrystalline material; for most materials, an elevated-temperature heat treatment is necessary.多晶体材料中晶粒尺寸的增大，对大多数材料来说，晶粒长大只在升高温度加热的时候发生。
Lattice strains: 晶格应变Slight displacements of atoms relative to their normal lattice positions, normally imposed by crystalline defects such as dislocations, and interstitial and impurity atoms.原子相对于它们正常点阵位置的轻微位移，通常是由晶体的缺陷，如位错、间隙原子、杂质原子存在引起的。
Recovery: 回复The relief of some of the internal strain energy of a previously cold-worked metal, usually by heat treatment.冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热处理的方法。
Recrystallization: 再结晶The formation of a new set of strain-free grains within a previously cold-worked material; normally an annealing heat treatment is necessary.在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。
Recrystallization temperature: 再结晶温度For a particular alloy, the minimum temperature at which completerecrystallization will occur within approximately one hour.对于某种合金，在大约一小时的时间里，完成再结晶所需的最低温度.Resolved shear stress:分切应力An applied tensile or compressive stress resolved into a shear component along a specific plane and direction within that plane.一个实际拉或压应力沿某一特定平面和在该平面特定方向上分解得到的切应力分量。
Sli P ：滑移PI astic deformati on as the result of dislocati on moti on; also, the shear dis pl aceme nt of two adjace nt planes of atoms.位错移动导致的塑性变形或两个相邻原子面的剪切位移。
Slip system:滑移系The comb in ati on of a crystallogra phic plane and, within that plane, a crystallogra phic directi on along which sli p (i.e., dislocati on moti on) occurs.滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移(如位错的移动) 可以沿该系统发生。
Solid-soluti on stre ngthe ning:固溶强化Harde ning and stre ngthe ning of metals that result from allo ying in which a solid soluti on is formed.The p rese nee of imp urity atoms restricts dislocati on mobility.由于合金化形成固溶体而导致的材料硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动 的阻碍作用。
Strain hardening:加工硬化The in crease in hard ness and stre ngth of a ductile metal as it is pl astically deformed below its recrystallizatio n temp erature.塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的硬度和强度升高现象。
Viscosity (口)：粘性The ratio of the magn itude of an app lied shear stress to the velocity gradie nt that it produces; that is, a measure of a noncrystallinmaterial ' sresistanceetmanent deformatio n.剪切应力数值与其产生应变速率的比值叫粘性， 用来衡量非晶材料抵抗永久变形 的能力。
Vulcanization:硫化Non reversible chemical react ion inv olvi ng sulfur or other suitable age nt wherein cross links are formed betwee n molecular cha ins in rubber materials. 硫化是采用硫或者其它适当添加剂处理橡胶原料过程中发生的不可逆化学反应。
此种反应在橡胶的分子链间形成横向连接，橡胶的弹性模量和强度会得到提高。
主要例题、习题的分析For each of edge, screw, and mixed dislocati ons, cite the relati onshipbetwee n the directi on of the app lied shear stress and the directi on of dislocatio n line motio n.(a)D efine a sli p system. (b) Do all metals have the same sli p system?Why or why n ot?四、 8.58.8 One slip system for the HCP crystal structure is {000}v1120>. In a ma nn ersimilar to Figure 8.6b, sketch a {000}-t ype plane for the HCP structure, and using arrows, in dicate three differe nt <1120> sli p directi ons withi n this plane. You might find Figure 3.22 hel pful.五、背景资料以人名命名的组织大体如此，其他的组织命名则各有不同。