位错与溶质原子之间的交互作用
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。
固溶体的强化作用
固溶体的强化作用虽然纯金属在实际工业生产上得到了一定的应用，但是由于其强度一般都很低，如铁的抗拉强度约为200MPa，而铝的抗拉强度还不到100MPa，显然都不符合用作工业的结构材料。
近年来，为了适应多方面的要求，各种新材料、新工艺不断出现，但是就目前来说，新材料的制造方法比较复杂，制备成本较高，市场应用不是特别广泛，所以，在今后很长一段时间之内，用的较多的仍然是一些传统材料。
目前应用的金属材料大多数是合金，新材料的广泛应用还有一段时间。
所以，对其研究仍有重大意义。
固溶体是几乎所有合金的基体相，固溶强化作为最基本的强化手段已被广泛地利用于生产中。
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。
随着溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般规律情况是：强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降，磁矫顽力升高等。
例如铜镍合金，其性能如图一。
通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大的缘故。
固溶强化是材料的一种主要的强化途径。
实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍然保持相当好的塑性和韧性。
例如，向铜中加入19%镍，可使合金的σb由220MPa升高至380 -400MPa，硬度由HB44升高至HB70，而塑性仍然保持Ψ=50%。
数据结果如图一。
若将铜通过其他途径（例如冷变形时的加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。
十分明显，固溶强化是一种极为优异的强化方式，因而在金属材料的生产和研究中得到了极为广泛的应用，几乎所有对综合力学性能要求较高（强度、韧性和塑性之间有较好的配合）的结构材料都是以固溶体作为最主要最基本的相组成物的。
可是通过单纯的固溶强化所达到的最高强度指标仍然有限，常常不能满足人们对于结构材料的要求，因而不得不在固溶强化的基础上再补充进行其他强化处理。
材料科学基础2复习题与参考答案
材料科学基础2复习题及部分参考答案一、名词解释1、再结晶：指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
2、交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。
3、冷拉：在常温条件下，以超过原来屈服点强度的拉应力，强行拉伸聚合物，使其产生塑性变形以达到提高其屈服点强度和节约材料为目的。
（《笔记》聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。
）4、位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。
（《书》晶体中某处一列或者若干列原子发生了有规律的错排现象）5、柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成所谓的“柯氏气团”。
（《书》溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错周围，以减小畸变，降低体系的能量，使体系更加稳定。
）6、位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度或晶体中穿过单位截面面积的位错线数目。
7、二次再结晶：晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。
8、滑移的临界分切应力：滑移系开动所需要的最小分切应力。
（《书》晶体开始滑移时，滑移方向上的分切应力。
）9、加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化。
（《书》随塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象。
）10、热加工：金属铸造、热扎、锻造、焊接和金属热处理等工艺的总称。
（《书》使金属在再结晶温度以上发生加工变形的工艺。
）11、柏氏矢量：是描述位错实质的重要物理量。
反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。
（《书》揭示位错本质并描述位错行为的矢量。
）反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量。
12、多滑移：晶体的滑移在两组或者更多的滑移面（系）上同时进行或者交替进行。
13、堆垛层错：晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错排的一种面缺陷。
金属塑性变形物理基础位错理论
E螺=
Gb2
4
ln
R r0
E刃=
Gb2 ln R
4 (1 ) r0
则 E刃=
1
1
E螺，一般取0.3，
2
所以 E 螺= 3 混合位错
E混=
Gb 2
4 (1 )
E刃 （1-cos2)ln
R r0
• 汇集一点的位错线，它们的柏氏矢量和 为零；
• 一根位错线不能终止在晶体内部，只能 终止在晶体表面。
位错环 b
1.2.3 位错密度——描述位错多少的参数 (1) 定义：单位体积中位错的总长度。
V = L cm/cm3
(2) 位错的形成——液态结晶时形成。晶体 经过塑性变形回复和再结晶及其它热处 理，位错的密度变化。
体的一边贯通到另一边，而是有时终止 在晶体的中部。
1934年，提出了位错的概念，
1947年低碳钢的屈服效应，位错理论得到 了很大发展，
1950年以后，用电镜直接观察到位错。至 此，位错的存在才最终得到间接证明。 从此以后，位错理论得以迅速发展。它 是一门很重要的基本理论。
1.2 位错模型和柏氏矢量 1.2.1 位错的分类：
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。
• 图1-2示出了位错由晶体的一端扫到另一端
（2）螺位错的滑移运动 如图所示位错线上的原子只需在切应
力作用下向前移动一个原子间距的分数倍 的距离，位错线可以向左移动一个原子间 距。
设m= b
化简得
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。
(优选)位错和缺陷之间的相互作用
斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变
• 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2, 0） （ 0,0,1/2）间隙位置
• 在应力作用下，三个间隙位置的原子应 变能不同，从应变能大的位置跳到应变 能小的位置，即斯诺克效应
为“扭折” 在运动过程中，这种折线在线张力的作用下可能被拉长而消失
柏氏矢量互相平行的互相垂直刃型位错的交截
• 位错线AB和XY发生交割后 • AB变为APP’B，XY变为xQQ’y • PP’台阶高度为b1， QQ’台阶高度为b2，两台阶和分别与b2和b1平 行，是螺型位错 • 它们位于原位错的滑移面上，是扭折
（优选）位错和缺陷之间的相互作用
位错与溶质原子的交互作用
• 溶质原子处于位错的应力场之中，会产生弹性交互作用
• 在刃型位错中显得尤其重要 • 不论是置换型还是间隙型溶质原子均会引起晶格畸变
间隙原子以及尺寸大于溶剂原子的溶质原子使周围基体晶格原子受到压缩应力 尺寸小于溶剂原子的溶质使基体晶格受到拉伸
溶质原子与位错的交互作用
位错与溶质原子的交互作用
• 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶 质原子的扩散能力
• 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降， 位错的稳定性增加，晶体强度提高
科垂耳气团
通常把把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而
形成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团”
（Cottrell Atmosphere） 气团阻碍位错运动，产生固溶强化效应，但气团
位错与空位的电学交互作用
金属学原理重点名词解释
金属键：金属中的自有电子与金属正离子相互作用所构成的键合。
空间点阵：把原子（或原子集团）抽象成纯粹的几何点，而完全忽略它的物理性质，这种抽象的几何点在晶体所在空间作周期性规则排列的阵列称为空间点阵。
晶向族：晶体中原子排列结构相同的一族晶向。
晶面族：晶体中，有些晶面的原子排列情况相同，面间距完全相等，其性质完全相同，只是空间位向不同，这样一族晶面称为晶面族。
配位数：晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距的原子数。
致密度：若把金属晶体中的原子视为直径相等的钢球，原子排列的紧密程度可以用钢球所占空间的体积百分数来表示，称为致密度。
即：致密度=单位晶包中原子所占体积/单位晶包体积同素异构转变：当外界条件（主要指温度和压力）改变时，元素的晶体结构可以发生转变，这种转变称为同素异构转变。
晶胚：当温度降到熔点以下时，在液态金属中存在结构起伏，即有瞬时存在的有序原子集团，这种近程有序的原子集团就是晶胚。
形核功：形成临界晶核要有的自由能增加。
动态过冷度：能保证凝固速度大于融化速度的过冷度称为动态过冷度。
光滑界面：光滑界面以上为液相，一下为固相，液固两相截然分开，固相的表面为基本完整的原子密排面，所以，从微观上看界面是光滑的，从宏观上看，它往往由不同位向的小平面所组成，故呈折线状。
这类界面也称小平面界面。
粗糙界面：液固两相之间的界面从微观上来看是高低不平的，存在几个原子层厚度的过渡层，在过渡层中约有半数的位置为固相原子所占据，由于过渡层很薄，所以，从宏观上来看，界面反而显得平直，不出现曲折小平面，这类界面又称非小平面界面。
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：在先共晶相数量多，而共晶体数量甚少的情况下，共晶体与先共晶相相同的那一相将依附于已有的粗大先共晶相长大，并把共晶体中的另一相推向最后凝固的边界处，从而使共晶组织特征消失。
材料科学基础下学期习题整理-部分答案
一、/二、名词解释或填空：刃型位错:晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这一原子平面中断处的边沿及其周围区域就是一个刃型位错螺型位错：滑移方向与位错线方向互相平行的位错称为螺型位错。
肖脱基空位：脱位原子一般进入其他空位或者逐渐迁移到晶界或表面，这样的空位称为肖脱基空位。
弗兰克空位：晶体中的原子挤入节点的间隙，形成间隙原子，同时原来的结点位置也空缺，产生了一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克尔空位。
科垂尔气团：通常把溶质原子与位错交互作用后，在位错周围偏聚的现象称为柯垂尔气团。
铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高。
层错：如果堆垛顺序与正常堆垛顺序有差异，即堆垛层之间发生错排，则此处产生了晶体缺陷，称为层错或堆垛层错。
《不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量或其整数倍的称为不全位错或部分位错。
面角位错：在fcc晶体中形成两个面的面角上，由三个不完全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。
扩展位错与位错束集：由一个全位错分解成两个不全位错，中间夹杂着一个堆垛层错的整个位错组态称为扩展位错，扩展位错所形成的两个不全位错重新合并成一个全位错的过程称为位错束集。
奥罗万机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。
（位错绕过机制）晶界：晶粒与晶粒的交界区相界：各相之间的交界面晶界偏聚：由于晶内和晶界的畸变能差别或空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象。
非平衡偏析：实际上，表面区成分的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析称为非平衡偏析#滑移系：滑移面以及该面上的一个滑移方向的组合称为一个滑移系交滑移：两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。
实质是螺位错在不该表滑移方向的情况下，从一个滑移面滑到与另外一个滑移面的交线处，转移到另一个滑移面的过程。
织构：多晶体中位向不同的晶粒取向变得大体一致，就称择优取向，简称织构。
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当间隙溶质原子在体心立方晶体中产生非对称 畸变时，它既和刃型位错也和螺型位错发生交互作 用。C、N原子和α-Fe中的螺型位错交互作用形成的 气团，即为斯诺克(Snoek)气团。
和柯垂尔气团相比，形成这种气团不需要原子长程 扩散，也不需要引起溶质原子的聚集。
铃木气团 化学相互作用—Suzuki气团
柯Байду номын сангаас尔气团
当具有柯氏气团的位错在外力作用下，欲离开溶质原子 时，势必升高应变能。这相当溶质原子对位错有钉扎作 用，阻碍了位错的移动，是固溶强化的重要原因。
位错的移动速度小于溶质迁移速度，位错将拖着气团一 起运动；位错运动速度大于溶质迁移速度时，将挣脱气 团而独立运动。柯氏气团对位错有钉扎作用，因此固溶 体合金的变形抗力要高于纯金属。
铁中的碳-位错的运动障碍
• Carbon is an “impurity” • The carbon atom creates a stress field that blocks the intended movement of the dislocation. • It takes substantial energy to overcome the obstacle.
谢谢欣赏
Thanks！
在面心立方金属中，溶质原子在层错区的浓度与基 体不同，溶质原子在层错区的偏聚可以降低层错能，与 扩展位错之间发生化学交互作用，阻碍扩展位错运动。 层错区富集的溶质原子称为铃木(Suzuki)气团。
与柯垂尔气团相比： 1)钉扎作用力比柯垂尔作用力小，约为十分之一。 2)铃木气团与温度无关，在高温时，柯垂尔钉扎消失。 3)铃木气团与位错类型无关，刃型和螺型位错作用均比较 明显 。
斯诺克气团
• 体心立方晶体中的间隙原子如 C、N等与螺型位错切应力场发 生交互作用
• 间隙原子分布于α-Fe的 (1/2,0,0) (0,1/2, 0) ( 0,0,1/2)间隙 位置 • 在应力作用下，三个间隙位置 的原子应变能不同，从应变能 大的位置跳到应变能小的位置 ，即斯诺克效应。
斯诺克气团
柯垂尔气团
• 位错与溶质原子交互作用－溶 质原子向位错线聚集－溶质原 子气团； • 位错更加稳定-“钉轧”；
• 变形时位错需“脱钉”→“屈 服平台”
试样在上屈服点发生明显塑性变形， 应力突然下降到下屈服点。然后发 生连续变形，形成具有微小波动的 屈服平台。
屈服点的出现与金属中存在的微量溶质有关。 溶质原子在位错处形成的柯氏气团对位错有钉扎作用 ，会导致屈服极限σs提高(上屈服点)，而位错一旦挣 脱气团的钉扎，便可以在较小的应力下继续运动，较 小应力对应于拉伸曲线的下屈服点。 已经屈服的试样卸载后立即加载拉伸，由于位错已脱 离气团钉扎，故不再出现上屈服点。 卸载后放置较长时间或短时加热，溶质原子又通过扩 散重新在位错处形成柯氏气团，屈服点又重新出现。
溶质原子与位错的交互作用
位错
应力场 交互作用
能量降低
点缺陷
应力场
稳定位错
溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降， 位错的稳定性增加，晶体强度提高。
强化晶体
交互作用会使溶质原子发生移动，使得在位错附近 形成溶质原子气团，包括柯垂尔气团(cottrell）气团， 斯诺克(snoek)气团，铃木（suzuki）气团。
位错与溶质原子之间的 交互作用
位错与溶质原子的交互作用
在完整晶体中，溶质原子分布是随机的， 但有其他 缺陷（位错）产生应力场时，溶质原子产生的应变 能就要发生改变。 溶质原子在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场 可与位错产生交互作用。 种类：弹性的、化学的、电学的、几何的 弹性作用最为重要。
不论是置换型还是间隙型溶质原子均会引起晶格畸变 间隙原子以及尺寸大于溶剂原子的溶质原子使周围基体 晶格受到压缩应力。 尺寸小于溶剂原子的溶质使基体晶格受到拉伸。
溶质原子与周围原子的交互作用
所有溶质原子均可在刃型位错周围找到合适的位置。 正刃型位错 下方原子受到拉应力，原子半径较大的置换型溶质原子和间 隙原子位于位错滑移面下方（即晶格受拉区）可以降低位错的应 变能。 小原子半径的间隙型溶质原子位于滑称面上方（晶格受压区） 可以降低位错应变能，使体系处于较低的能量状态。
弹性交互作用
溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应 力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降低晶 体中的弹性应变能。分为柯垂尔型(cottrell)和斯诺克型 (snoek)两种作用。
柯垂尔气团
溶质原子与位错弹性交互作用的结果使溶质原子 积聚在减小晶格畸变的位置，减低了体系能量，使体 系更稳定，这种结构称为柯垂尔(Cotrell)气团。