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材料科学基础
材料科学基础，难点都有超链接对应资料
编辑于2021-10-22 15:13:30- 材料 金属
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材料科学基础
弹性形变

广义胡克定律F=KX
σ=Eε
可以看出，E越大，材料产生一定变形，所需要的的力就越大
σ=Eε, 一般ε为10-3，E为10+9，因此σ一般为MPa
剪切力也会导致弹性变形

泊松比μ
上面都是讨论：施加力与其方向上的位移，那么施加力与其他方向上的位移是什么关系呢？

施加σx，会产生x，y，z方向上的应变
各向同性和各向异性

各向同性材料
多晶体
单一个晶粒可能是各向异性，但多个晶粒组成的多晶整体就是各向同性
多晶体是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒组成
非晶体
多孔材料
各向异性
单晶体

可以看到沿蓝线和红线的原子排列密度都不一样
单晶体是整块晶体由一颗晶粒组成,或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体
纤维


塑性变形和位错
发生滑移是什么过程，通过什么滑移
刚开始第一种假设，打断n个键，再组合成n-1个键。但是这种方式计算需要非常大的能量，比实际算的高100-1000倍。
位错动画
晶体可以用空间点阵来描述，但是这是理想的，实际晶体往往会存在一些缺陷，不是完全的规则排列，可能会偏离一些位置
晶体缺陷
点缺陷
空位
间隙原子
杂质原子
标注
空位移动到位错处可能造成刃位错的攀升，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力，使强度提高，塑性下降
线缺陷
位错（晶体处某一列或若干列原子发生有规律的错排现象）
面缺陷
晶界缺陷
晶体内点阵相同但取向不同的两个晶粒之间的相邻边界成为晶界
晶界特点
位错的类型
像是毛毛虫的蠕动

位错是一维的缺陷

晶体的线缺陷表现为各种类型的位错
刃型位错
多余的半圆子面
伯氏矢量//滑移方向，⊥位错线方向
位错线方向垂直于屏幕
螺旋位错
没有多余的半圆子面
沿Z轴旋转，看切应力的方向
伯氏矢量⊥滑移方向，//位错线方向

沿粉色箭头逐渐开裂

可以看到，滑移方向就是材料开裂方向
混合位错
现实中是混合位错

位错线是已滑移区和未滑移区的分界线
位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错
伯氏矢量
用这个去表达位错产生的晶格畸变，更准确的表征不同类型的位错特征
刃位错
1.选取半圆子面的中心点
2.根据右手准则确定旋转方向
3.选取起始点，绕圈，上下走的格数要一致，左右走的格数要一致
4.从终止点到起始点的向量即为伯氏矢量
视频50分钟开始
螺旋位错

俯视图

伯氏矢量平行于位错线方向
白色的点是上层，黑色的点时下层，b是伯氏矢量
伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，点阵矢量a、b、c来表示
哪个晶面/晶向发生这种现象
位错滑移一定往能力消耗少的方向前进


滑移系
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系，滑移系等于滑移面乘滑移方向
滑移系是金属可能的滑移方向，滑移系越多，滑移的可能性就越大，塑性就越约好
滑移系只提供了金属滑移的可能性，而金属在外力作用下滑移的驱动力是沿滑移面滑移方向上的分切应力（为什么材料变形不沿着受力的方向？）
真实应力应变和工程应力应变
上面指的都是工程应力应变，但在拉伸过程中，横截面积实际是一直变化的，所以不能代表真实的应变和应力
真实应力：
真实应变：
变形过程中的体积是不变的
真实应力
真实应变


晶面之间发生相对的滑移是通过剪切分量造成的

材料沿某个面发生滑移，那么τ必须到达某个临界点。称为临界剪切应力（临界切分应力τCRSS）
φ是滑移面法线与横截面法线间夹角，λ是轴向拉力和滑移方向的夹角
cosφcosλ成为取向因子

位错的试验证据
2.缀饰法（早期）
位错有能量，易形成沉淀相
3.透射电子显微镜
将试样减薄到几十到数百个原子层（500nm以下），通过投射，可以看到位错线
位错的类型
点阵矢量是点阵中连接任意两点的矢量
堆垛层错
晶体结构中不同于正常排列顺序的堆垛错排，是金属材料中经常出现的一种面缺陷(堆垛有错误了)
孪生
当滑移继续不下去的时候，为了使变形继续，可能会激发孪生变形
滑移遇到困难——尝试孪生——改变晶体位向（可能会使原来处于不利方位的滑移系调整到有利方位，使滑移重新进行）
强化（多晶体）
材料中都有什么东西呢？
溶剂/溶质原子
位错
晶界
这与位错有什么相互作用呢
1.位错与溶质原子
2.位错与位错
3.位错与晶界
1.位错与溶质原子的相互作用

1
2
把位错想象为海浪，B原子想象为礁石


均匀的适量的B原子更有效阻拦位错，提高强度
固溶强化理论
举个例子，在Cu中加入Nb



一定量的Nb可以提高拉伸强度，屈服强度，降低延展性
2.位错与位错



位错密度：单位体积中位错的总长度
不同滑移系产生的交织结果
加工硬化


位错密度增大，位错相互交织，更难滑移，所以会强化

CW是cold worked
3.位错与晶界

受上下拉力时，不是所有的晶粒都能满足位错滑移，必须满足一定的斜角才有可能滑移，当剪切应力满足临界剪切应力时，就会沿某个晶面滑移。
位错会在晶界前堆积“pile-up”，当堆积一定的应力应变，对晶界产生影响时，即当应力大于2号晶粒的临界分切应力时，2号晶粒才会滑移


晶界强化（细晶强化）
晶界的存在阻碍了材料位错的移动
小实验，同种材料的三种样品，不同的晶粒大小


d是晶粒大小
Hall-Petch Eqn.
回复-再结晶-长大
若要加工一块已经发生90%塑性变形的材料，εf为50%。但材料再次加工50%，再加工就要断裂了
轧制
a图等轴的晶粒（x，y，z大小都差不多）
如果不处理直接轧制，对加工的要求很高。因此，能不能处理一下，回到加工前的性能呢？
回复-再结晶-长大，温度和时间的故事
第一阶段，位错减少，但晶粒形状不怎么变
第二阶段，有些小晶粒已经生长，很小的新的等轴晶
第三阶段，小晶粒0-100%
第四阶段，小晶粒长大，大鱼吃小鱼
原子扩散过程
阶段关系
与力学性能的关系
为什么可以做这样的热处理试验？
加工之后，位错密度上升，提高了位错网密度，提高了系统能量。一部分加工能力会被储存在位错和缺陷之中，这个能量称为应变能（strain energy）。
断裂
脆性就是弹性阶段完了，直接就断裂了。或者是塑性阶段非常短
断口形貌
发生大量塑性变形的断口
有颈缩阶段，开始产生的小空洞叫做韧窝（dimples）
韧窝产生的原因（滑移）
发生少量塑性变形的断口
穿晶
裂纹穿过晶粒
沿晶
裂纹扩展沿着晶界
实际上穿晶和沿晶同时被观察到
DCC, BCC, HCP的滑移系
一般来说，fcc，bcc要比hcp的塑性更好
除了晶体结构，脆性断裂还有什么原因
1.直接拉伸玻璃纤维
2.对玻璃纤维处理，使其产生裂纹
裂纹会导致应力集中，stress concentration
金相组织
金属上的一块块补丁是晶粒，grain，锌的比较大肉眼就能看得到,铁的必须显微镜下看
铁碳合金的基本相和组织
1.铁素体F
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F来表示
α-Fe为bcc，晶体间隔很小，溶碳很低，室温时碳的溶解量几乎为0. F有较好的塑性和韧性，但强度和硬度较低，性能与纯铁相似
2.奥氏体A
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A来表示
A的晶格间隙大，溶碳量强，强度和硬度不高，具有良好的塑性，所以生产中常把工件加热到奥氏体状态在进行锻造
3.渗碳体Fe3C
含碳量6.69%铁和碳的金属化合物，Fe3C
硬度高，塑性差
单相组织
共晶ECF
指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。液体→A+Fe3C
共析PSK
由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。A→F+Fe3C
一个是液体结晶俩个固相，一个固分解两个固相
包晶
有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的（旧）固相与剩余液相（有确定成分）发生反应生成另一种（新）固相的恒温转变过程
4.珠光体P
A和Fe3C组成的混合物
5.莱氏体Ld
多相组织
白色是铁素体（基本就是纯铁），黑色条纹是珠光体，（像贝壳的条纹），珠光体是由铁素体和渗碳体Fe3C交错组成
随着含碳量增加，珠光体就会越来越多
减少含碳量
热处理
共析钢
750°烧成奥氏体
正火，空气冷却
温度一掉下来就开始生产珠光体了
因此正火后材料的强度会更高一些
淬火，烧热后迅速插入水里面
这种情况材料变得非常的硬，但非常的脆
针状放大
回火，淬火后再升温到500度回火
针状放大
这样脆性就得到降低，但硬度还是很高
退火，随炉冷却
同素异形体的转变
铁
同素异构体
金刚石和石墨
晶体结构不一样
钛
纯Ti在室温下是无法获得阝相，但添加适量的合金元素后，可以获得
小概念
解理
结晶矿物受力后，由其自身结构的原因造成晶体沿一定结晶方向裂开成光滑平面的性质，称为解理; 裂开的光滑平面称为解理面。在晶体结构中，如果有一系列平行的质点面(由原子、离子或分子等质点组成的平面叫质点面，它平行于空间格子的某一组面网)，它们之间的联系力相对较弱，解理即沿这些面产生。
显微组织是借助表针设备观察到晶粒或相的集合状态
组织有很多叫法，比如铁中的各种体，γ-TiAl中的片层，钛合金中的
相一般就是α，β，γ等，合金相图中
α相是密排六方结构，是低温稳定相；β相是体心立方结构，是高温稳定相。相具有晶格,α相是具有密排六方结构的晶粒集合，但是具有hcp的晶粒可能不止一个，方向不同，因此各自分布
晶向指数和晶面指数
晶向指数
[2 2 -1]要化1 变成[1 1 -1/2]
晶面指数
取倒数后再移负的
谁是0，就是与这个方向平行
倘若全位错 b 在剪应力诱导下沿着（ 111） 晶面的 [ 110]方向运动时
力学性能测试
应力应变曲线

弹性阶段很少，大约也就是0.5%，也就是1米的材料在弹性的阶段也就5mm
屈服阶段

第二种，屈服阶段带平台的

材料超出弹性极限，应变时应力不再增加
屈服强度σy
塑性变形（稳定）加工硬化
抗拉强度/强度极限：表示材料在拉伸破坏之前能承受的最大应力，点d，σb

一般来说某材料的强度是多少，一般是指抗拉强度、屈服强度
材料均匀变细
颈缩-断裂
材料局部变细（不稳定的）


延展性(ductility)

把一个材料定为脆性或者韧性就是通过延展性来表示
脆性材料
εf很小，小于5%，一米的材料拉断后只有5mm的伸长量
韧性好
εf大。但韧性好的材料一般强度不是很高
点阵、晶向、晶面
上节课讲了原子和原子之间的相互作用以及可以形成的键，那么材料是根据什么结构而搭建的呢？
金属结晶，就是液态金属固态化（雪花，冰糖）
晶体和非晶体
晶体：原子/分子/离子在空间内有规律的周期性排列


长程就是大的范围，长程有序
晶体又分单晶和多晶。像是结晶出的NaCl晶体，简单的有周期的排列，所有晶面指向一样，就是单晶。多晶呢，也是晶体，但是整块固体中是由很多小的单晶组成的，这些小单晶的取向不一样，比如说金属。
一个晶粒包括很多个原子，单晶的话整个物体就是这一个晶粒啊，但是晶粒中的很多个原子会按照一定的晶体结构排列。比如体心立方就一个个连接起来呗
晶粒
结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒
晶粒是组成晶体的最小颗粒
当材料从液体变为固体时，原子停止流动
第一个原子位置确定为晶核（晶体的生长中心）
结晶现象在材料其他位置是同时发生的，因此另一簇原子又会按照其他方式排列
按照不同方向划开，线就为晶界面
由于原子太小，显微镜下观察不到，因此会看到这种图像（晶粒和晶界），通常称为显微结构，microstructure
可能这些原子都是按fcc结构组成晶体，但每一簇原子组合方向等不同才导致了晶界面
三种大类材料
金属
绝大数都是晶体
陶瓷
既可以是晶体也可以是非晶体
Al2O3
玻璃容器
高分子
介于晶体和非晶体之间，半晶体
点阵
点阵中最小的单位，可重复的单位，叫做晶胞
三种常见晶体结构
fcc
bcc
hcp
七大晶系和十四种空间点阵形式有哪些
组织和晶粒
大花坛包括小花坛，每个花坛包括花，每种花都是一种组织，就是小花坛A，B, C都含有花F，但A除了含花F外，还含有花G
原子结构和键合
原子间的键合
化学键
离子键
正离子
提供电子
负离子
接收电子
共价键
共用电子对
CH4
金属键
自由移动的电子
范德华力
分子之间产生的，比化学键弱的多

由于结构不是对称的，一边呈负，一边呈正，会产生一种弱的吸引力
比较强的范德华力称为氢键
键能一般在几到几十KJ/mol
能量曲线
A，B是常数，m，n是各种键的参数
键能：如把NaCl拆开，需要多大的能量呢？
键能越高，熔点越高。需要破坏的能力就越大，需要更高的温度
离子键
NaCl
键能：640Kg/mol
熔点：801℃
MgO
键能：1000Kg/mol
熔点：2800℃
ZnO
键能：750Kg/mol
熔点：1974℃
化合键
Si
键能：450Kg/mol
熔点：1410℃
C钻石
键能：713Kg/mol
熔点：3500℃
金属键
Al
键能：324Kg/mol
熔点：660℃
Fe
键能：406Kg/mol
熔点：1538℃
W
键能：850Kg/mol
熔点：3410℃
热膨胀系数
单位
主题
主题