中南大学材料科学基础位错课后答案-课件·PPT
4-位错运动与受力-51解析
中南大学材料科学与工程学院
材料科学基础
位错应变能及受力
• 假设，位错线dl,向任意方向移动ds,扫过的面积为
• 晶体体积变化 V b dA b ndA
• 滑移时，体积不变，保守运动； • 攀移时，体积变化，非保守运动
dA dl ds n dA
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材料科学基础
位错应变能及受力
2.4
位错的运动
晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来 实现的。 当晶体中存在位错时，只需用一个很小 的推动力便能使位错发生滑动，从而导致金 属的整体滑移，这揭示了金属实际强度和理 论强度的巨大差别。 金属的许多力学性能均与位错运动密切 相关。
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材料科学基础
位错应变能及受力
攀移的特点
• 攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动； • 空位和原子的扩散，是半原子面的扩大或缩小， 引起体积变化（非保守运动）； • 阻力很大，接近理论强度； • 垂直于额外半原子面的压应力，促进正攀移，拉 应力，促进负攀移。 • 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行； 室温下难以进行。
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材料科学基础
位错应变能及受力
螺型位错的运动
螺型位错滑移时周围原子的移动情况 ●代表下层晶面的原子，○代表上层晶面的原子
原位错线处在1-1处，在切应力作用下，位错线周围的原子作小量的 位移，移动到虚线所标志的位置，即位错线移动到2-2处，表示位错 线向左移动了一个原子间距，反映在晶体表面上即产生了一个台阶。 19 它与刃型位错一样，原子移动量很小，移动所需的力也很小。
10
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材料科学基础位错反应和扩展位错 ppt课件
4. 位错反应
位错反应能否进行取决于两个条件：
➢ ①几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。
b前b后
b2
注意：b的方向与规定的ξ的正向有关。所
以位错反应中，一般规定反应前位错 线指向节点，反应后离开节点。
b1
b3
➢ ②能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总 能量，这是热力学定律所要求的。
另外另外它还带着两片分别位于它还带着两片分别位于111111和和111111面上的层错以及两个不全位错面上的层错以及两个不全位错在两个在两个111111面的面面的面角上这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为态称为lomerlomercottrellcottrell位错另外另外它还带着两片分别位于它还带着两片分别位于111111和和面上面上的层错以及两个不全位错的层错以及两个不全位错在两个在两个111111面的面角上面的面角上这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为称为lomerlomercottrellcottrell位错11111111111122111111121122211011122110111211122211111121在外力作用下两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑移
a 6112 a 31 1 1 a 211 0
③两个全位错合并成另一全位错。
a 2011 a 21 1 0 a 211 0
④两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：
a 10 a 0 01 a 2 0 11 a 2 1 1 1
8
4. 位错反应
[100 ]
[100 ]
b 2a[100]
《材料科学基础》课件 实际晶体中的位错
扩展位错的交滑移
➢ 由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进行交滑 移，扩展位错就必须首先束集成全螺位错，然后再由该全位 错交滑移到另一滑移面上，并在新的滑移面上重新分解为扩 展位错，继续进行滑移。
扩展位错的性质和特点
➢ 位于{111}面上，由两条平行的Shockley分位错中间夹着一片
方向
|b| 数量 3 6 4 3
( B ) 堆垛及堆垛层错 堆垛顺序：FCC、BCC、HCP
实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破 坏和错排，称为堆垛层错，简称层错。
（C）部分位错（不全位错） 层错终止在晶体内部所形成的边界就是不全位错。 面心立方晶体中有两种类型的不全位错。
（1）肖克莱（Shockley）不全位错
练习：在铝的单晶体中，若（111）面上有一位错b=a[101]/2 与（111）面上的位错b=a[011]/2发生反应时：
（1）写出上述位错反应方程式，并用能量条件判断位错反应 进行的方向；
（2）说明新位错的性质；
（3）当外加拉应力轴为[101]，＝4x106Pa时，求新位错所受到 的滑动力（已知铝的点阵常数为0.4nm）。
FCC中少见 强化
Frank分位 错
1 [111] 3
刃
不能滑移，只能攀移
压杆位错 1 [1 10] 6
螺、刃、混 和
不能滑移，定位错
强化
1、不能发生滑移运动的位错是 。 A、肖克莱不全位错 B、弗兰克不全位错 C、刃型全位错 2、两根具有反向柏氏矢量的刃位错在被一个原子面相隔的两个平行滑移面上 相向运动以后，在相遇处 。 A、相互抵消 B、形成一排空位 C、形成一排间隙原子 3、位错受力运动方向处处垂直与位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相 对滑动的方向 。 A、亦随位错线运动方向而改变 B、始终是柏氏矢量方向 C、始终是外力方向 4、两平行螺型位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力 。 A、为零 B、相斥 C、相吸
《材料科学基础》课件3.2.5 位错的生成和增殖
➢ 金属的位错密度为104～1012/cm2 ➢ 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起。
阻碍位错运动是强化 金属的主要途径。
减少或增加位错密度 都可以提高金属的强度。
B）晶体中的位错来源
晶体生长过程中产生位错。其主要来源有： ➢ 杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分 成分不同，点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；
的分切应力约为10-4G。这个值接近晶体的屈服应力。
双交滑移机制 双交滑移是一个比上述的弗兰克-瑞德源更有效的增殖机制。
D）位错的塞积 位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截外，还可能遇到 晶界，孪晶界，相界等障碍物而产生“塞积”现象。
不锈钢中在晶界前的位错塞积群
1）刃位错间相互斥力
2）位错塞积群对位错源的反作用力
➢ 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长 着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之 间就会形成位错；
➢ 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以 及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶 或受力变形而形成位错。
➢ 由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位， 空位的聚集能形成位错。
3.2.5 位错的生成和增殖 A) 位错密度
位错密度是指单位体积内位错线的总长度。
L cm2
V
式中：ρ是体位错密度； L是位错线的总长度； V是晶体的体积。
经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。
nl n
lA A
式中：n是穿过截面的位错数； A是截面面积。 位错密度的单位是cm-2。
➢ 晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微 裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力 集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就 在该区域产生位错。
中南大学材料科学基础课后习题答案1位错
一、解释以下基本概念肖脱基空位：晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。
脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位称为肖脱基空位弗兰克耳空位：晶体中的原子挤入结点的空隙形成间隙原子，原来的结点位置空缺产生一个空位，一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳（Frenkel ）缺陷。
刃型位错：晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个原子平面中断处的边沿及其周围区域是一个刃型位错。
螺型位错：沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC 处，在晶体的右侧上部施加一切应力τ，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，BC 线左边晶体未发生滑移，出现已滑移区与未滑移区的边界BC 。
从俯视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面，畸变区的尺寸与长度相比小得多，在畸变区范围内称为螺型位错混合位错：位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度，位错线上任一点的滑移矢量相同。
柏氏矢量：位错是线性的点阵畸变，表征位错线的性质、位错强度、滑移矢量、表示位错区院子的畸变特征，包括畸变位置和畸变程度的矢量就称为柏氏矢量。
位错密度：单位体积内位错线的总长度ρυ=L/υ ；单位面积位错露头数ρs =N/s位错的滑移：切应力作用下，位错线沿着位错线与柏氏矢量确定的唯一平面滑移, 位错线移动至晶体表面时位错消失，形成一个原子间距的滑移台阶，大小相当于一个柏氏矢量的值. 位错的攀移: 刃型位错垂直于滑移面方向的运动, 攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或向下运动。
弗兰克—瑞德源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。
派—纳力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力单位位错：b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。
中南材料科学基础位错课后答案PPT学习教案
T2=20℃(293K) 计算C2 取A＝1，代入T2，T1及Q，有
C1/C2=6.84672×1013
C1 C2
Q
e kT1 Q
e kT2
Q( 1 1 )
e k T2 T1
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2
3．计算银晶体接近熔点时多少个结点上会出现一个空位（已知：银 的熔点为960℃，银的空位形成能为1.10eV，1ev＝）?若已知Ag的原子 直径为0.289nm，问空位在晶体中的平均间距。 1eV＝1.602*10-19J
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a [010]
8
8．一个b=a[-110]/2的螺位错在（111）面上运 动。若在运动过程中遇到障碍物而发生交滑移， 请指出交滑移系统。
第8页/共26页
9
(111)
[-110]
(-1-11)
（111）面上b=a[-110]/2的螺 位错运动过程中遇到障碍物而 发生交滑移，理论上能在任何 面上交滑移，但实际上只能在 与原滑移面相交于位错线的 fcc密排面（滑移面）上交滑 移。
反应前柏氏矢量1102aa6a6a6a2110121211266aaa??14反应后柏氏矢量?能量条件反应前反应后?几何条件和能量条件均能满足121211330110aaaa???222110??42aab???2222141??411??36363aaab?????当两个肖克莱不全位错a1216和a2116之间排斥力f层错能时位错组态处于平衡gbbf?gbbgbbbb????12d2???a2121212cos22d?????立方晶系中任意两个晶向u1v1w1与u2v2w2之间夹角12?12vv21w12coscosuuvww????????故依据位错之间相互作用力15110a1216a2116a夹角601202222211222uuvw???故a1216和a2116之间夹角cos1221212bb666162cos2224g??g??aagadbb???????位错210题p116?在面心立方晶体中111晶面和111晶面上分别形成一个扩展位错
材料科学基础课后习题及答案_第三章
第三章答案3-2略。
3-2试述位错的基本类型及其特点。
解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。
刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。
螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。
3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。
由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。
3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。
2.<15%连续。
3.>40%不能形成固熔体。
（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。
（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。
（4）场强因素。
（5）电负性：差值小，形成固熔体。
差值大形成化合物。
影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。
（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。
一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。
3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。
解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。
材料科学基础课后习题答案
（3） cosφ
=
n3 ⋅ F | n3 || F
|
=
1 3
cosα
=
b⋅F |b || F
|
=
1 2
由 Schmid 定律，作用在新生位错滑移面上滑移方向的分切应力为：
τ 0 = σ cosϕ cos λ = 17.2 ×
1× 3
1 = 7.0 MPa 2
∴作用在单位长度位错线上的力为：
f = τb = aτ 0 = 10 − 3 N/m 2
滑移面上相向运动以后，在相遇处
。
（B
）
A、相互抵消
B、形成一排空位
C、形成一排间隙原子
7、位错受力运动方向处处垂直与位错线，在运动过程中是可变的，
晶体作相对滑动的方向
。
（C
）
A、亦随位错线运动方向而改变 B、始终是柏氏矢量方向 C、始
终是外力方向
8、两平行螺型位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力
。
（B
二、（15 分）有一单晶铝棒，棒轴为[123]，今沿棒轴方向拉伸，请分析：
（1）初始滑移系统； （2）双滑移系统 （3）开始双滑移时的切变量 γ； （4）滑移过程中的转动规律和转轴； （5）试棒的最终取向（假定试棒在达到稳定取向前不断裂）。
三、（10
分）如图所示，某晶体滑移面上有一柏氏矢量为
v b
的圆环形位错环，并受到一均匀
14、固态金属原子的扩散可沿体扩散与晶体缺陷扩散，其中最慢的扩
散通道是：
。
（A）
A、体扩散
B、晶界扩散
C、表面扩散
15、高温回复阶段，金属中亚结构发生变化时，
。
（C）
A、位错密度增大 B、位错发生塞积 C、刃型位错通过攀移和滑移构
中南大学材料科学基础课后习题答案
中南大学材料科学基础课后习题答案(总12页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第一章 原子排列与晶体结构1. [110]， (111)， ABCABC…， ， 12 , 4 ， a r 42=； [111]， (110) , , 8 , 2 ， a r 43= ； ]0211[， (0001) ， ABAB ， ， 12 ， 6 ， 2a r =。
2.， 4 ， 8 。
3.FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。
4.解答：见图1－1 5. 解答：设所决定的晶面为（hkl ），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有：h+k-l=0,2h-l=0。
可以求得（hkl ）＝（112）。
6 解答：Pb 为fcc 结构，原子半径R 与点阵常数a 的关系为a r 42=，故可求得a ＝×10-6mm 。
则（100）平面的面积S ＝a 2＝×0-12mm 2，每个（100）面上的原子个数为2。
所以1 mm 2上的原子个数s n 1=＝×1012。
第二章 合金相结构一、 填空1） 提高，降低，变差，变大。
2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。
4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。
5） 提高 ，降低 ，降低 。
6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于时形成的复杂结构的化合物。
二、 问答1、 解答： -Fe 为bcc 结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为，即R ＝，八面体间隙半径为，即R ＝。
氢，氮，碳，硼由于与-Fe 的尺寸差别较大，在-Fe 中形成间隙固溶体，固溶度很小。
-Fe 的八面体间隙的[110]方向R= Ra ，间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变，故多数处于-Fe 的八面体间隙中心。
中南大学材料科学基础课后习题答案回复
一、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因。
解答：枪弹击穿为快速变形，可以视为冷加工，铜板和铅板再结晶温度分别为远高于室温和室温以下。
故铜板可以视为冷加工，弹孔周围保持变形组织铅板弹孔周围为再结晶组织。
四、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？解答：去应力退火过程中，位错攀移与滑移后重新排列，高能态转变为低能态，动态回复过程是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移使得异号位错相互抵消，保持位错增殖率与消失率之间动态平衡。
从显微组织上，静态回复可以看到清晰亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，动态回复形成胞状亚结构，动态再结晶时形成等轴晶，又形成位错缠结，比静态再结晶的晶粒细小。
五、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响。
回复可分为低温回复、中温回复、高温回复。
低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。
中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错密度有所降低，但降幅不大。
所以力学性能只有很少恢复。
高温回复的主要机制为多边化。
多边化由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。
此过程称为多边化。
多晶体金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。
因此，多边化后不仅所形成的亚晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的。
对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。
再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。
冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。
特点：a 组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；b 力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态c 变形储能在再结晶过程中全部释放。