1.一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?
2.拉伸试验的应变速度一般是1～10-6s -1，设能动的位错密度108cm -2，计算位错的平均速度。b=0.3nm 。
3. 为什么刃位错不能交滑移，螺位错不能攀移。
4.为什么空位是热力学稳定缺陷，而位错是非热力学稳定缺陷。
5.请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，在晶胞图上做出矢量图。
（1） （2）
6.对工业纯铝、Al-5％Cu 合金、Al-5％Al 2O 3复合材料可能的强化机制分别有哪些。
7.简单立方晶体(100)面有1 个b =[ 0 -1 0 ]的刃位错
(a)在(001)面有1 个b =[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？ (b)在(001)面有1 个b =[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？
8.简单立方晶体(100)面有一个b =[001]的螺位错。
(a)在(001)面有1 个b =[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？ (b)在(001)面有一个b =[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？
9.下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的2 个同号刃位错AB 和CD ，距离为x ，他们作F-R 源开动。
(a)画出这2 个F-R 源增殖时的逐步过程，二者发生交互作用时，会发生什么情况？ (b)若2 位错是异号位错时，情况又会怎样？
10. 在铝单晶体中（fcc 结构）， 位错反应]101[2a →]112[6a +]121[6a 能否进行？写出反
应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的]101[2a 是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的]101[2a 是螺位
错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？
第三章 作业与习题的解答 一、作业： 2、纯铁的空位形成能为105 kJ/mol 。将纯铁加热到850℃后激冷至室温（20℃），假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。(e 31.8=6.8X1013） 6、如图2-56，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。 （1）分析该位错环各段位错的结构类型。 （2）求各段位错线所受的力的大小及方向。 （3）在τ的作用下，该位错环将如何运动？ （4）在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定 不动，其最小半径应为多大？ 解： （2）位错线受力方向如图，位于位错线所在平面，且于位错垂 直。 （3）右手法则（P95）：（注意：大拇指向下，P90图3.8中位错 环ABCD 的箭头应是向内，即是位错环压缩）向外扩展（环扩大）。 如果上下分切应力方向转动180度，则位错环压缩。 (4) P103-104： 2sin 2d ?τd T s b = θRd s =d ； 2/sin 2 θ?d d = ∴ τ ττkGb b kGb b T R ===2 注：k 取0.5时，为P104中式3.19得出的结果。 7、在面心立方晶体中，把两个平行且同号的单位螺型位错从相距100nm 推进到3nm 时需要用多少功（已知晶体点阵常数a=0.3nm,G=7﹡1010Pa ）？ (31002100 32ln 22ππGb dr w r Gb ==?； 1.8X10-9J ） 8、在简单立方晶体的（100）面上有一个b=a[001]的螺位错。如果
它(a)被（001）面上b=a[010]的刃位错交割。(b)被（001）面上b=a[100]的螺位错交割，试问在这两种情形下每个位错上会形成割阶还是弯折？ （（a ）：见P98图3.21， NN ′在（100）面内，为扭折，刃型位错；(b)图3.22，NN ′垂直（100）面，为割阶，刃型位错） 9、一个 ]101[2- =a b 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。 对FCC 结构：（1 1 -1）或写为（-1 -1 1） 10、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错]101[2-=a b ，在（111） 面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出： γπ242 b G d s ≈ 应为 γπ242a G d s ≈ （G 为切变模量，γ为层错能） （P116式3.33，两个矢量相乘的积=|b1|˙|b2|˙cos(两矢量夹角) 11、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： （111）晶面：]211[6]112[6]110[2----+→a a a =A+B )111(- 晶面：]211[6]211[6]011[2a a a +→-=C+D 两个扩展位错在各自晶面上滑动时，其领先位错相遇发生位错反应，求出新位错的柏氏矢量；用图解说明上述位错反应过程；分析新位错的组
《材料科学基础》教学教案导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义
第一章材料结构的基本知识 §1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键 一、一次键 1．离子键 2．共价键 3．金属键 二、二次键 1．范德瓦尔斯键 2．氢键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 §1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 §1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察
二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 §1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构 稳态结构 亚稳态结构阿累尼乌斯方程 第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞 坐标系 二、晶系和布拉菲点阵 7 个晶系 14 个布拉菲点阵 表2-1 三、晶向指数和晶面指数 1．晶向指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4．晶面间距
密排面间距大 5．晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带 定律：hu+kv+lw=0 ? 晶向指数和晶面指数确定练习，例题 §2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式 面心立方：ABCABCAB—C— 密排六方：ABABA—B — 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙 四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性 :-Fe, :-Fe, :-Fe 例：
晶体缺陷习题与答案 1 解释以下基本概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克—瑞德源、派—纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、重合位置点阵、共格界面、失配度、非共格界面、内吸附。 2 指出图中各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。 3 如图，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。(1)分析该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错线所受的力的大小及方向。(3)在τ的作用下，该位错环将如何运动?(4)在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大? 4 面心立方晶体中，在(111)面上的单位位错]101[2a b =，在(111)面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出πγ242Gb s d ≈ (G 切变 模量，γ层错能)。 5 已知单位位错]011[2a 能与肖克莱不全位错]112[6 a 相结合形成弗兰克不全位错，试说明：（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判定此位错反应能否进行？(3)这个位错为什么称固定位错? 6 判定下列位错反应能否进行?若能进行，试在晶胞上作出矢量图。 (1)]001[]111[]111[2 2a a a →+ (2)]211[]112[]110[662a a a +→ (3)]111[]111[]112[263a a a →+ 7 试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为]101[2a b =的螺位错受阻时，能否通过交滑移转移
3.1位错的滑移 ⑴刃型位错的滑移 ⑵螺型位错的滑移 ⑶理论强度与实际强度产生差异的原因 ①位错处原子能量高→滑移能垒小→所需外力小 ②位错滑移仅需打断位错线附近少数原子的键合，因此所需的外加剪应力将大大降低。 ③混合位错的滑移 位错线沿各点的法线方向在滑移面上运动，滑动方向垂直于位错线方向，与柏氏矢量有夹角。 ⑷位错滑移面与滑移方向 ①位错的滑移面：b与位错线所组成的面。 注：位错的滑移面与晶体的滑移面不是一回事。 ②位错的滑移方向 晶体滑移方向：与外力方向、柏 氏矢量方向一致 位错滑移方向：位错线的法向 ⑸判断晶体滑移方向的右手定则 3.2 位错的攀移 位错的攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动 ⑴正攀移:在刃位错处的一排原子可因热运动而移去，成为填隙原子或者吸收空位，使位错向上移到另一个滑移面 攀移伴随原子的迁移，需要空位的扩散，需要热激话，比滑移需更大能量。 ⑵攀移的阻力 对抗攀移阻力所作的功=产生点缺陷所需能量。 ⑶攀移的动力
Ⅰ化学攀移力 ①过饱和空位（或间隙原子），向位错线附近渗透而聚集在位错线上，促使正刃位错向上攀移，好像有力沿攀移方向作用在位错上，这种力称为渗透力 ②温度越高并存在过饱和空位时，刃型位错易于攀移。 Ⅱ弹性攀移力 作用于半原子面上的正应力分量作用下，刃位错所受的力F y 应力的作用： 3.3 位错的交滑移 ①交滑移：螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可 能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续 滑移。 ②双交滑移：交滑移后的位错再转回和原滑移面平行 的滑移面上继续运动 3.4位错的密度 ⑴①位错的密度（定义）：单位体积中包含位错线的总长度。 ②位错密度（计算）：垂直于位错线的平面上单位面积内的 位错露头数，即单位观察表面内的蚀坑数（蚀坑法） ⑵位错密度和晶体的强度 位错密度较低时，τ随ρ的增加而减小； 位错密度较高时，τ随ρ的增加而增大 ⑶提高晶体强度途径 ①尽量减小位错密度：晶须——极细的丝状单晶体，直径只有几个微米，基本不含位错，强度比块状材料高几个数量级。 ②尽量增加位错密度：非晶态材料：位错密度极高的材料(远高于冷加工的金属)，因而强度也非常高。 小结 1.位错是晶体中的线缺陷； 2.位错可以看成是已滑移区和未滑移区的边界线。 3.根据b 与位错线l 的相对位向，可将位错分为三类:刃型位错(b 与l 垂直)，螺型位错(b 与l 平行)和混合位错(b 与l 成任意角) 4.位错线必须是连续的。它或者起止于晶体表面(或晶界)，或形成封闭回路(位错环)，或者在结点处和其他位错相连。 5.b 的最重要性质是它的守恒性，即流向某一结点的位错线的柏氏矢量之和等流出该结点的位错线的柏氏矢量之和。 6.名词解释： ⑴刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 ⑵螺型位错：晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。 ⑶柏氏矢量：把位错运动引起原子切动的方向和距离，称为“柏氏矢量”。 ⑷滑移：位错线在它和柏氏矢量b 构成的晶面上移动
练习题Ⅲ（金属所） 1.简单立方晶体，一个V olltera过程如下：插入一个(110)半原子面，然后再位移2/] 1[， 10其边缘形成的位错的位错线方向和柏氏矢量是什么？ 2.在简单立方晶体中有两个位错，它们的柏氏矢量b和位错的切向t分别是：位错(1)的 b(1)=a[010]，t(1)=[010]；位错(2)的b(2)=a[010]，t(2)=[1 00]。指出两个位错的类型以及位错的滑移面。如果滑移面不是惟一的，说明滑移面所受的限制。 3.以一个圆筒薄壁“半原子面”插入晶体，在圆筒薄壁下侧的圆线是不是位错？ 4.写出距位错中心为R1范围内的位错弹性应变能。如果弹性应变能为R1范围的一倍，则 所涉及的距位错中心距离R2为多大?这个结果说明什么？ 5.面心立方晶体两个平行的反号刃型位错的滑移面相距50 nm，求它们之间在滑移方向以 及攀移方向最大的作用力值以及相对位置。已知点阵常数a=0.3 nm，切变模量G=7?1010 Pa，ν =0.3。 6.当存在过饱和空位浓度时，请说明任意取向的位错环都受一个力偶作用，这力偶使位错 转动变成纯刃型位错。 7.面心立方单晶体（点阵常数a=0.36 nm）受拉伸形变，拉伸轴是[001]，拉伸应力为1MPa。 求b=a[101]/2及t平行于[121]的位错在滑移和攀移方向所受的力。 8.若空位形成能为73kJ/mol，晶体从1000K淬火至室温（约300K），b约为0.3nm，问刃 位错受的攀移力有多大?估计位错能否攀移？ 9.当位错的柏氏矢量平行x1轴，证明不论位错线是什么方向，外应力场的σ33分量都不会 对位错产生作用力。 10.证明在均匀应力场作用下，一个封闭的位错环所受的总力为0。 11.两个平行自由表面的螺位错，柏氏矢量都是b，A位错距表面的距离为l1，B位错距表 面的距离为l2，l2> l1，晶体的弹性模量为μ。求这两个位错所受的映像力。 12.一个合金系，在某一温度下的fcc和hcp结构的成分自由能-成分曲线在同一成分有最小 值。问这个成分合金在该温度下的扩散位错会不会出现铃木气团？为什么？ 13.设使位错滑移需要克服的阻力（切应力）对铜为9.8?105 Pa，对3%Si-Fe合金为1.5?108 Pa，铜、3%Si-Fe合金的切变模量μ分别是4?1010 Pa以及3.8?1011 Pa。问它们在表面的低位错密度层有多厚？已知点阵常数a Cu=0.36 nm，a Fe-Si=0.28 nm。 14.简单立方晶体(100)面有一个b=[001]的螺型位错。(1)在(001)面有1个b=[010]的刃型位 错和它相割，相割后在两个位错上产生弯结还是割阶？(2)在(001)面有一个b=[100]的螺型位错和它相割，相割后在两个位错上产生弯结还是割阶？ 15.立方单晶体如图所示，三个平行的滑移面上各有两个位错，位错的正向及柏氏矢量如图 中箭头所示：bⅠ、bⅢ、bⅤ和bⅥ平行[010]方向，bⅡ平行[100]方向，bⅣ平行于] 1[方向， 10所有柏氏矢量的模相等；在σ32作用下，假设位错都可以滑动。位错滑动后，问A相对
材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。
1.固相烧结：固态粉末在适当的温度，压力，气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。 液相烧结：有液相参加的烧结过程。 2.金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。 3.离子键：金属原子自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样正负离子靠它们之间的静电引力结合在一起。 共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。氢键：由氢原子同时与两个电负性相差很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。 弗兰克缺陷：间隙空位对缺陷 肖脱基缺陷：正负离子空位对的 奥氏体：γ铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。 布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。 不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。 玻璃化转变温度：过冷液体随着温度的继续下降，过冷液体的黏度迅速增大，原子间的相互运动变得更加困难，所以当温度降至某一临界温度以下时，即固化成玻璃。这个临界温度称为玻璃化温度Tg。 表面能:表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。 半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 柏氏矢量:描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也使位错扫过后晶体相对滑动的量。 柏氏矢量物理意义： ①从位错的存在使得晶体中局部区域产生点阵畸变来说：一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。 ②从位错运动引起晶体宏观变形来说：表示该位错运动后能够在晶体中引起的相对位移。 部分位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错 包晶转变：在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。 包析反应:由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应。 包析转变：两个一定成分的固相在恒温（T）下转变为一个新的固相的恒温反应。包析转变与包晶转变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只有固相。 粗糙界面：界面的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据而另一半位置空着，这时界面称为微观粗糙界面。 重合位置点阵：当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。 成分过冷；界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷。
金属位错理论 位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。当金属晶体受力发生塑性变形时，一般是通过滑移过程进行的，即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面晶向相对滑动，滑移的结果在晶体表面上出现明显的滑移痕迹——滑移线。为了解释此现象，根据刚性相对滑动模型，对晶体的理论抗剪强度进行了理论计算，所估算出的使完整晶体产生塑性变形所需的临界切应力约等于G/30，其中G为切变模量。但是，由实验测得的实际晶体的屈服强度要比这个理论值低3~4数量级。为解释这个差异，1934年，Taylor，Orowan和Polanyi 几乎同时提出了晶体中位错的概念，他们认为：晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做刚性滑动，而是通过在晶体存在着的称为位错的线缺陷来进行的，位错再较低应力的作用下就能开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对滑移。按照这一模型进行理论计算，其理论屈服强度比较接近于实验值。在此基础上，位错理论也有了很大发展，直至20世纪50年代后，随着电子显微镜分析技术的发展，位错模型才为实验所证实，位错理论也有了进一步的发展。目前，位错理论不仅成为研究晶体力学性能的基础理论，而且还广泛地被用来研究固态相变，晶体的光、电、声、磁和热学性，以及催化和表面性质等。 一、位错的基本类型和特征 位错指晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排，是晶体原子排列的一种特殊组态。从位错的几何结构来看，可将他们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。 1、刃型位错 刃型位错的结构如图1.1所示。设含位错的晶体为简单立方晶体，晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。多余的半排原子面EFGH犹如一把刀的刀刃插入晶体中，使ABCD 面上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称“刃型位错”。晶体已滑移部分和未滑移部分的交线EF就称作刃型位错线。
晶体缺陷 单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。 多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成 点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。 线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。 面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。 晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies 肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。 晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。 热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。 过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。 位错：当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线 螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线 混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式。 柏氏矢量b: 用于表征不同类型位错的特征的一个物理参量，是决定晶格偏离方向与大小的向量，可揭示位错的本质。 位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现。 交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。如果交滑移后的位错再转回到和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。 位错滑移的特点 1) 刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与位错线平行； 2) 无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（伯氏矢量方向代表
第六章 空位与位错 一、 名词解释 空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N 力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源， 奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化 二、 问答 1 fcc 晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？ 2. 在铝单晶体中（fcc 结构）， 1） 位错反应]101[2a →]112[6a ]+]121[6a 能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表 达式和式中各符号的含义；若反应前的] 101[2a 是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种 运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的] 101[2a 是螺位错，则反应后的扩展位错能进 行何种运动？ 2） 若（1，1，1）面上有一位错 ]110[2a b = ，与）（111面上的位错] 011[2a b =发生 反应，如图6－1。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。 3） 写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。 4） 如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB 相遇时，两领先不全位错为 [] 1126a 和]121[6a ，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位 错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。 图6－1 3 螺旋位错的能量公式为02ln 4r R Gb E S π=。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm ，r 0约为 10-8cm ，铜的G ＝4×106N/cm 2，b ＝2.5×10－ 8cm 。 （1）试估算Es （2）估算Cu 中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。 4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？ 5 已知Al 的空位形成能为0.76eV ，问从27 升温到627 时空位浓度增加多少倍（取
2.3 位错的运动 位错的最重要性质之一是它可以在晶体中运动，而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。因此，了解位错运动的有关规律，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。晶体中的位错总是力图从高能位置转移到低能位置，在适当条件下(包括外力作用)，位错会发生运动。位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。 一位错的滑移 位错沿着滑移面的移动称为滑移。位错在滑移面上滑动引起滑移面上下的晶体发生相对运动，而晶体本身不发生体积变化称为保守运动。位错的滑移是位错理论中很重要的一部分内容，也正是位错的滑移(逐步滑移)才得以解释本节开头就提出的有关临界切应力与理论值差别的现象。位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 1 刃位错的滑移 刃位错的滑移如图1所示，对含刃位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位置“1”移动到位置“2”，如图1(a)。当位错运动到晶体表面，整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量，晶体表面产生高度为b的台阶，如图1(b)。刃位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，故滑移面为b与t决定的平面，它是唯一确定的。由图1，刃位错移动的方向与b方向一致，和位错线垂直。 图1 刃型位错的滑移 2 螺位错的滑移 螺位错沿滑移面运动时，周围原子动作情况如图2。虚线所示螺旋线为其原始位置，在切应力 作用下，当原子做很小距离的移动时，螺位错本身向左移动了一个原子间距，到图中实线螺旋线位置，滑移台阶(阴影部分)亦向左扩大了一个原子间距。螺位错不断运动，滑
材料科学基础名词解释 第一章固体结构 1、晶体 :原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。 非晶体 :原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等。 2、中间相 : 两组元 A 和 B 组成合金时，除了形成以 A 为基或以 B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与 A，B 两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。 3、晶体点阵：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排 列方式称为晶体结构或晶体点阵。 4、配位数 :晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。 5、晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。 6、晶胞 :在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。 7、空间点阵：由周围环境相同的阵点在空间排列的三维列阵成为空间点阵。 8、晶向：在晶格中，穿过两个以节点的任一直线，都代表晶体中一个原子列在空间的位 向，称为晶向。 9、晶面：由节点组成的任一平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。 10、晶向指数（晶面指数）：为了确定晶面、晶向在晶体中的相对取向、就需要一种 符号，这种符号称为晶面指数和晶向指数。国际上通用的是密勒指数。 一个晶向指数并不是代表一个晶向，二十代表一组互相平行、位向相同的晶向。 11、晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以
铝合金生产中的冷热变形微观组织 绪论：铝及铝合金在实际生产中，主要以挤压形式进行生产，随着加工工艺和生产技术得到飞速发展，人们对铝及铝合金轧板的要求日益增多。对于变形铝合金来说，由于所含的合金元素不同，需要不同的变形方式：冷变形和热变形。这里简单介绍在这两种变形的微观组织。 关键词：铝及铝合金，变形铝合金，冷变形和热变性。
目录 铝合金生产中的冷热变形微观组织 (1) 绪论 (1) 一、冷变形中铝合金微观组织 (3) 1.1亚结构 (3) 1 .2变形织构 (3) 二、热变形中的纤维组织 (5) 2.1铝合金热变形中的动态回复 (5) 2.2铝合金热变形中的再结晶 (6) 三、铝合金变形微结构的分类 (6) 参考文献 (8)
一、冷变形中铝合金微观组织 铝材冷加工后，随着外形的改变．晶粒皆沿最大主变形发展方向被拉长、拉细或压扁。冷变形程度越大，品粒形状变化也越大。在晶粒被拉长的同时，晶间的夹杂物也跟着拉长，使冷变形后的金属出现纤维组织。 1.1亚结构 亚结构包括两种类型：较低温度下产生的胞状结构以及变形后因回复形成的亚晶[1]。金属晶体经过较大的冷塑性变形后，由于位错密度增大和发生交互作用，大量的位错堆积在局部区域，并相互缠结形成不均匀的分布，在晶粒内部出现了许多取向不同、大小约为10-3～10-6cm 的小晶块，这些小晶块(或小晶粒间)的取向差不大(小于1°)，所以它们仍然维持在同一个大晶粒范围内，这些小晶块称为亚晶[2]，这种组织称为亚结构。在冷轧变形中，随着应变量的增加，晶粒发生分裂，内部就生成亚结构[3]。亚晶的大小、完整程度、取向差与材料的纯度及形量和变形温度有关。当材料中含有杂质和第二相时，在变形量大和变形温度低的情况下，所形成的亚晶小，亚晶间的取向差大，亚晶的完整性差(即亚晶内晶格的畸变大)。冷变形过程中，亚晶结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各晶块的方位个同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用。因此，亚结构可提高铝及铝合金材料的强度。 1.2变形织构 铝及铝合金在冷变形过程中，内部各晶粒间的相互作用及变形发展方向因受外力作用的影响，晶粒要相对于外力轴产生转动，而使其动作的滑移系有朝着作用力轴的方向(或最大主变形方向作定向旋转的趋势。在较大冷变形程度下，晶粒位向由无序状态变成有序状态的情况，称为择优取向。由此所形成的纤维状组织，因其具有严格的位向关系，所以被称为变形织构。变形织构一般分为两种[2]：一是拉拔时形成的织构，称为丝织构，其主要特征是各个晶粒的某一晶向大致与拉拔方向平行，如图1(a)所示；二是轧制时形成的织构，称为板织构，其主要特
固相烧结：固态粉末在适当的温度，压力，气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。 液相烧结：有液相参加的烧结过程。 金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。 离子键：金属原子自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样正负离子靠它们之间的静电引力结合在一起。 共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 氢键：由氢原子同时与两个电负性相差很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。 弗兰克缺陷：间隙空位对缺陷 肖脱基缺陷：正负离子空位对的 奥氏体：γ铁固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。 布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。 不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。 玻璃化转变温度：过冷液体随着温度的继续下降，过冷液体的黏度迅速增大，原子间的相互运动变得更加困难，所以当温度降至某一临界温度以下时，即固化成玻璃。这个临界温度称为玻璃化温度Tg。 表面能:表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。 半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 柏氏矢量:描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域畸变总量的大小和方向，也使位错扫过后晶体相对滑动的量。 柏氏矢量物理意义： ①从位错的存在使得晶体中局部区域产生点阵畸变来说：一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。 ②从位错运动引起晶体宏观变形来说：表示该位错运动后能够在晶体中引起的相对位移。部分位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错 包晶转变：在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。 包析反应:由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应。 包析转变：两个一定成分的固相在恒温（T）下转变为一个新的固相的恒温反应。包析转变与包晶转变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只有固相。 粗糙界面：界面的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据而另一半位置空着，这时界面称为微观粗糙界面。 重合位置点阵：当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。 成分过冷；界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷。超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的延伸率。 超结构（超点阵，有序固溶体）：对某些成分接近于一定的原子比（如AB或AB3）的无序固溶体中，当它从高温缓冷到某一临界温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占
第一章 材料科学基础 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑移面垂直。位错的柏氏矢量b 与de 平行而与ef 垂直。试问：1) 欲使de 段位错在ABCD 滑移面上运动而ef 不动，应对晶体施加怎样的应
材料史话（2）-位错理论的提出精选 已有 3009 次阅读2013-6-13 23:58|个人分类:材料史话|系统分类:科普集锦|关键词:位错 如果金属晶体受外加载荷或力的作用，位错运动并穿过晶体，那么将引起一个永久性的形状变化，即：塑性变形。其结果是在晶体表面出现了明显的滑移痕迹-我们称之为滑移线。 图 1 金属拉伸变形后产生的滑移线（图片来自网络） 1907年，沃尔特拉（Volterra）解决了一类弹性体中的内应力不连续的弹性问题，把它称为位错。 1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异。理论计算值为G/30；而实际屈服强度比理论值低3～4个数量级。 1934年，波朗依（Michael Polanyi, 1891-1976）、泰勒(Geoffrey Taylor, 1886-1975)、奥罗万(Egon Orowan, 1902-1989)几乎在同时获得了相同的结果，这
一年发表的论文提出位错了的模型。特别是泰勒明确地把沃尔特拉位错引入晶体。 图2 （a）Orowan描绘的刃位错（b）Taylor描绘的刃位错 位错理论认为，晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做整体刚性滑动，而是通过在晶体存在的称为位错的线缺陷来进行，位错在较低应力作用下就开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对位移。 Taylor确定应变储存能储存于晶体缺陷处，以弹性畸变能的形式存在。 Orowan对他所观察到Zn晶体受到应力变形时，这种变形是不连续的，而是以不连续跳跃的方式进行。推定每一次形变“跳跃”必定来源于晶体缺陷的运动。 Polanyi的论文完成比Orowan 早几个月，但那时已与Orowan定期接触，了解他的想法，自愿等待一段时间，以便同时提交论文，并约定在同一期德文《物理杂志（Zeitschrift Fuer Physik）》并排发表。 Polanyi后来放弃了晶体塑性研究，成为哲学家； Taylor在单晶和多晶力学分析方面以及加工硬化方面做了大量工作。 Orowan坚持位错研究，在位错运动与其它位错的交互作用以及晶体内部粒子对运动位错阻碍的理论分析方面，提出了许多有重大影响的新思想。 1939年，柏格斯(J.M. Burgers)提出用伯氏矢量表征位错，同时引入了螺位错。 1940年，皮尔斯（Peierls）提出后来1947年由纳巴罗（Nabarro）修正的位错点阵模型，这个模型突破了一般弹性力学范围，提出了位错宽度的概念，估算了位错开动的应力。
第一章工程材料中的原子排列 1、晶体中的原子键合方式？各种原子结合键的特点 2、原子核外电子的能级排列？遵循的规律 3、晶体和非晶体的区别？晶体的各向异性及各向同性 4、晶体结构和空间点阵的联系及区别 5、晶向指数和晶面指数的确定及表示方法，重点为面心立方晶体和体心立方晶体中密排面和密排方向的指数 及其表示 6、三种常见的晶体结构的特点，包括晶胞中的原子数、点阵常数与原子半径的关系、致密度、配位数、 晶体中的间隙、原子堆垛方式、密堆程度、晶体的多晶型性 7、铁的三种同素异构体的晶体结构类型 8、空位的类型：肖脱基空位、弗兰克尔空位，空位浓度对晶体物理性能的影响 9、位错的类型，刃位错、螺位错位错线与柏氏矢量间的关系，画图表示，位错密度对材料强度的影响 10、位错环中位错类型的确定（如课本27 页，图 1-38，33 页，图 1-47） 11、位错柏氏矢量的确定、柏氏回路与柏氏矢量的关系 12、柏氏矢量的表示方法、柏氏矢量的模的计算 13、柏氏矢量的守恒性及其推论 14、作用在位错上的力的大小及方向 15、位错的运动方式？刃、螺位错分别能如何运动，运动方向与位错线、柏氏矢量间的关系 16、刃、螺位错应力场的特点？应变能与柏氏矢量的关系，不同类型位错应变的大小比较 17、平行同号位错间的相互作用 18、常见金属晶体中的位错：全位错、不全位错，位错稳定性的判定 19、位错反应的判定 20、晶界的类型及其位错模型，界面能与晶界位向差间的关系 21、相界面的类型 、课后作业51 页习题 1、3、11，复习思考题 1、2、9、10、12第 二章固体中的相结构 1、相的定义 2、固溶体的晶体结构特点、分类及影响固溶体固溶度的因素 3、金属原子间形成无限固溶体的条件
1..晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于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 2.科垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动，产 生固溶强化效应等结果 3.反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入 金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相 4.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒 的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，称为变形织构 5.割阶和扭折：位错运动过程中与其它位错交截后形成一定的位错交截折线，若交截后的 位错折线在原来位错的滑移面上，此位错折线称为扭折，若交截后的位错折线垂直于原来位错的滑移面，此位错折线称为割阶 6.冷加工与热加工：通常根据金属材料的再结晶温度来加以区分，在再结晶温度以上的加 工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工 7.面角位错：在位错反应中，fcc晶体中不同滑移面上的全位错分解为不全位错后，领先 不全位错反应生成新的不可动位错，导致出现的三个不全位错之间夹杂两个层错的不可动位错组态； 8.变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒 的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构； 9.再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可 能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。 10.再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定） 的图。 11.带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状 组织； 12.加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一 道一道的细线； 13.动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属 在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。 14.临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度 时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。 15.退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织 16.堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷 17.弗兰克-瑞德位错源：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 18.Orowan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 19.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 20.多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的 位错壁，成为小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程 21.空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下