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材料强化的微观理论及应用 绪 论 (Introduction) Example: a typical automobile may contain the following materials:steel: 1530kg, cast iron: 350kg, rubber: 60kg, plastic: 55kg, glass: 52kg,aluminium: 30kg, zinc: 26kg, copper: 16kg, lead: 15kg, ceramics, wood, etc. in smaller quantities. Engineering Materials 强韧化机制与方法 位错的基本类型和特征 1．刃型位错(Edge dislocation) 刃型位错结构的特点： 2．螺型位错(Screw dislocation 螺型位错具有以下特征： 3．混合位错(Mixed dislocation) 晶体中的位错环 4. 位错的运动 (Motion of Dislocation) 位错的滑移(Slip) 位错的攀移(Climb) 运动位错的交截/交割 第二章 材料强韧化的位错机制 (Dislocation mechanism of Strengthening and Toughening for materials) 图1 晶体的刚性滑移（rigid slip） 表1 某些金属晶体的理论切应力与实测值的比较 图2 位错参与的滑移过程 图3 晶体缺陷与强度的关系 图4 裂纹形成位错塞积示意图 第三章 固溶强化Solution Strengthening 图5 屈服强度增加量与固溶元素之间的关系 （一）原子尺寸效应 （二） 弹性模量效应 （三） 固溶体的有序化及强化 图6 有序固溶体中的反相畴－Antiphase domain（虚线表示畴界） 简单地说，溶质元素可以使材料得到强化的微观机制在于无论是间隙式固溶原子还是置换式固溶原子都会使溶剂金属的晶格产生畸变，产生一内应力场，位错在这内应力场中运动会受到阻力。应力场的大小一方面与溶质原子和溶剂原子的尺寸差别有关，尺寸相差越大，应力场越强；另一方面也与它们二者弹性模量的大小有关。可以说，置换式或间隙式溶质原子对位错的运动，起着原子尺寸障碍的作用。 1．间隙固溶强化 表2 一些间隙元素的原子半径 2．置换固溶强化 图7 合金元素在α-Fe和γ-Fe中溶解规律示意图 图8 溶质元素对铜屈服强度的影响 图9 合金元素在低碳铁素体钢中的强化效果 第四章 细晶强化Refining-grain Strengthening 晶粒的大小明显影响材料的强度,一般晶粒越细小材料的强度越高,图3-12给出了纯铁晶粒尺寸对其屈服强度和抗拉强度的影响?,可以看出屈服强度及抗拉强度都与晶粒尺寸的负二分之一次方成正比,这样一个关系可写成σ0.2= σ0 + Kd-1/2?,被称之为Hall-Petch关系,这是一个非常有名又有用的关系,因为用这个关系,人们可以从组织参数来推算性能。近来的研究发现,当晶粒细到纳米尺度时,这个关系不成立。图3-13是晶粒尺寸与延伸率的关系?,可以看出?,随晶粒尺寸的减少,延伸率增加,表明随着晶粒细化,在强度提高的同时,塑性也是提高的.因此,材料的韧性大幅度提高,这是这种强化手段的最突出的优点。 Hall-petch 公式可从位错理论（位错塞积）导出： 作用在距离阻碍为r处滑移面上的切应力τ=τa(L/r)1/2, r-塞积前端与相邻晶粒内最近的位错源之间的距离，L=d, τ=τa(d/r)1/2, 外加切应力τ0中有一部分τi用以克服位错在晶粒的滑移面上运动时所遭受的各种阻力（摩擦阻力），其余部分（ τ0 -τi ）构成塞积位错的有效切应力τa， τ= (τ0 –τi)(d/r)1/2, 当τ达到能触发相邻晶粒的滑移（即位错开动）所需的应力τc时，变形就可继续，此时的外加切应力是τs, 即τc= (τs –τi)(d/r)1/2, 或τs= τi +τc(d/r)1/2, 用正应力σ表示，就是Hall-petch 公式： σs= σi+ σc (d/r)1/2 = σi+ K d-1/2 , K= σc r1/2 利用晶界强化材料的途径主要有两种： 晶界强化的微观机制在于:对于多晶体来说,位错运动必须克服晶界的阻力。这是由于晶界二侧晶粒的取向不同,所以在某一个晶粒中滑移的位错不能穿越晶界进入相邻晶粒,只有在晶界处塞积了大量位错后引起应力集中,才可能激发相邻晶粒中已有位错运动，产生滑移,所以晶粒越细、晶界越多,材料的强度就越高。另外由于在塑性变形中,晶界起着协调相邻晶粒变形的作用,所以