《材料成型金属学》教学资料：金属学
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材料成型金属学
材料成型金属学是一门涉及金属材料成型过程的学科，主要研究金属材料的凝固、成型、冷却和性能等方面的理论和实践。
这个领域的研究和实践对于制造行业、航空航天、汽车、能源等领域具有重要意义。
材料成型金属学的主要研究内容包括：
金属的凝固和成型：研究金属的液态和固态相变过程，以及金属的塑性变形、流变性能等方面的理论和实验研究。
金属的冷却和性能：研究金属材料的冷却过程、热处理工艺、显微组织结构与性能之间的关系，以及材料的强化机制等方面的理论和实验研究。
金属材料的加工和制造：研究金属材料的加工和制造技术，包括铸造、锻造、焊接、轧制等工艺过程，以及材料的加工性能和制造成本等方面的理论和实验研究。
金属材料的应用：研究金属材料在不同领域的应用，包括航空航天、汽车、能源、建筑等领域，以及材料的可靠性和寿命等方面的理论和实验研究。
总的来说，材料成型金属学是一门涉及多个学科领域的综合性学科，它的研究和应用对于提高产品质量、降低成本、提高材料利用率等方面都具有重要意义。
材料成型金属学6-8
错运动的阻力。
Stress
流变应力随溶质浓度的变化
0
0
kcm
－合金的流变应力；
o
－
纯金属的流变应力；
½
-cm
4.分散强化
位错切过第二相质点.
位错-第二相粒子
位错绕过第二相质点
8.2 强韧性能控制
钢铁材料/铝合金的组织性能控制
控制控冷工艺示意图
控制轧制控制冷却
Al-8%Mg合金
451ºC 340ºC
冷变形金属加热时的软化过程:
回复
再结晶
晶粒长大
t0 回 t1 复
再结晶
t2 晶粒长大t3
New equiaxed and strain-free grains
组织性能变化
i) 回复 ii) 再结晶 iii)晶粒长大
再结晶形核机制
• 亚晶聚合 伴随着亚晶长大
ABC间位相差很小 A和B合并 ABC合并,形成大位相差界面
高位错密度晶界迁移，亚晶长大， 成为再结晶的晶核.
变形程度较小时，大角度晶界上有一 小段弓出，晶界扫过的区域储存能释 放，可以作为再结晶晶核而长大。
－晶界弓出
再结晶形核的驱动力
再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差
表面能↑
应变能↓
晶粒长大的驱动力
界面能的降低
异常晶粒长大 —二次再结晶
原因：第二相、杂质溶入基体金属中, 晶界迁 移长大；或者再结晶织构中，个别晶粒位向差 大, 易于迁移 →异常长大。
韧性断裂特点:
(1)断裂前发生较大塑性变形→高能量吸 收过程.
(2)裂纹产生 →扩展.→聚合
生成新裂纹→多裂纹源
(3)裂纹扩展临界应力>裂纹形核应力→缓 慢过程
Stress
流变应力随溶质浓度的变化
0
0
kcm
－合金的流变应力；
o
－
纯金属的流变应力；
½
-cm
4.分散强化
位错切过第二相质点.
位错-第二相粒子
位错绕过第二相质点
8.2 强韧性能控制
钢铁材料/铝合金的组织性能控制
控制控冷工艺示意图
控制轧制控制冷却
Al-8%Mg合金
451ºC 340ºC
冷变形金属加热时的软化过程:
回复
再结晶
晶粒长大
t0 回 t1 复
再结晶
t2 晶粒长大t3
New equiaxed and strain-free grains
组织性能变化
i) 回复 ii) 再结晶 iii)晶粒长大
再结晶形核机制
• 亚晶聚合 伴随着亚晶长大
ABC间位相差很小 A和B合并 ABC合并,形成大位相差界面
高位错密度晶界迁移，亚晶长大， 成为再结晶的晶核.
变形程度较小时，大角度晶界上有一 小段弓出，晶界扫过的区域储存能释 放，可以作为再结晶晶核而长大。
－晶界弓出
再结晶形核的驱动力
再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差
表面能↑
应变能↓
晶粒长大的驱动力
界面能的降低
异常晶粒长大 —二次再结晶
原因：第二相、杂质溶入基体金属中, 晶界迁 移长大；或者再结晶织构中，个别晶粒位向差 大, 易于迁移 →异常长大。
韧性断裂特点:
(1)断裂前发生较大塑性变形→高能量吸 收过程.
(2)裂纹产生 →扩展.→聚合
生成新裂纹→多裂纹源
(3)裂纹扩展临界应力>裂纹形核应力→缓 慢过程
《材料成型金属学》教学资料：1-4 位错的应力场和应变能
(3)刃型位错的应力场对称于多余半原子面（y-z面），即 对称于y轴。
(4)当y＝0时，σxx＝σyy＝σzz＝0，说明在滑移面上，没有正应力，
只有切应力，而且切应力τxy 达到极大值 。
(5)y>0时，σxx<0；而y<0时，σxx>0。这说明正刃型位错的位错 滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力。
位错的能量通常分为位错中心区的能量与中心以外 区域的能量两部分。
中心以外区域的能量为弹性能，占能量的绝大部分 通常以位错的弹性能代表位错的能量。
假设其为一个单位长度位错线，为造成这个位错克服切应力 τθr所做的功为单位长度刃型位错的应变能：
进一步简化得单位长度位错的总应变能：
1.位错的能量包括两部分：Ec和Ee。 2.位错的应变能与G和b2成正比。
3.
,常用金属材料的约为1/3，故螺型位错
的弹性应变能约为刃型位错的2/3。
4.位错的存在均会使体系的内能升高，使晶体处于 高能的不稳定状态，位错是热力学上不稳定的晶 体缺陷。
3.位错的线张力 line tension
位错应变能与位错线长度成正比。为降低能量， 位错线具有尽量缩短其长度的倾向，从而使位错产
2. Tension be1)同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的 大小与G和b成正比，与r成反比，即随着与位错距离的增大， 应力的绝对值减小。
(2)各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。这表明在 平行于位错的直线上，任一点的应力均相同。
(6)在应力场的任意位置处, 。
(7)x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两条对角线处， 只有σxx，而且在每条对角线的两侧，τxy(τyx)及σyy的符号相反。
2.位错的应变能
(4)当y＝0时，σxx＝σyy＝σzz＝0，说明在滑移面上，没有正应力，
只有切应力，而且切应力τxy 达到极大值 。
(5)y>0时，σxx<0；而y<0时，σxx>0。这说明正刃型位错的位错 滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力。
位错的能量通常分为位错中心区的能量与中心以外 区域的能量两部分。
中心以外区域的能量为弹性能，占能量的绝大部分 通常以位错的弹性能代表位错的能量。
假设其为一个单位长度位错线，为造成这个位错克服切应力 τθr所做的功为单位长度刃型位错的应变能：
进一步简化得单位长度位错的总应变能：
1.位错的能量包括两部分：Ec和Ee。 2.位错的应变能与G和b2成正比。
3.
,常用金属材料的约为1/3，故螺型位错
的弹性应变能约为刃型位错的2/3。
4.位错的存在均会使体系的内能升高，使晶体处于 高能的不稳定状态，位错是热力学上不稳定的晶 体缺陷。
3.位错的线张力 line tension
位错应变能与位错线长度成正比。为降低能量， 位错线具有尽量缩短其长度的倾向，从而使位错产
2. Tension be1)同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的 大小与G和b成正比，与r成反比，即随着与位错距离的增大， 应力的绝对值减小。
(2)各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。这表明在 平行于位错的直线上，任一点的应力均相同。
(6)在应力场的任意位置处, 。
(7)x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两条对角线处， 只有σxx，而且在每条对角线的两侧，τxy(τyx)及σyy的符号相反。
2.位错的应变能
金属材料学教学大纲-金属专业
金属材料学AScience of Metal Materials课程编号：07310410学分：3学时： 45 （其中：讲课学时：41 实验学时：4 上机学时：0 ）先修课程：金属学、金属组织控制原理、金属材料强韧化、材料力学性能适用专业：金属材料工程。
教材：《金属材料学》，戴起勋主编，化学工业出版社，2012 年9月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业主干课，是金属材料工程专业的核心课程。
在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。
二、课程的基本内容及要求绪论（金属材料的过去、现在和将来）：1．教学内容（1）金属材料发展简史（2）现代金属材料（3）金属材料的可持续发展与趋势2．基本要求了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。
第一章钢的合金化原理1．教学内容（1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布；（2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变；（3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化；（4）合金元素对钢工艺性能的影响；（5）微量元素在钢中的作用（6）金属材料的环境协调性设计基本概念；（7）钢的分类、编号方法。
2．基本要求（1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法（3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响（4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律（5）理解微量元素在钢中的作用（6）了解材料的环境协调性设计基本概念第二章工程构件用钢1.教学内容（1）工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势2.基本要求（1）了解工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）掌握普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）理解提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势第三章机器零用钢1．教学内容（1）机器零件用钢一般性能要求（2）机器零件用钢：调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、轴承钢、高锰耐磨钢、渗碳钢、氮化钢、非调质钢等合金化原则和性能及其典型钢种（3）（超高强度钢简介）（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展2．基本要求（1）掌握机器零件用钢一般服役条件及性能要求（2）掌握常用机器零件用钢的合金化原则和性能及其典型钢种（3）了解超强度钢（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展第四章工具用钢1．教学内容（1）工具用钢的合金化、组织性能的特点及分类（2）低合金刃具钢的合金化，热处理特点，典型钢种。
安徽工业大学 材料成型专业课《金属学》题库答案——填空题
29．在铁碳合金中，含三次渗碳体最多的合金成分点为 P 点 ，含二次渗碳体最多的合金成 分点为 E 点 。 30．珠光体是 铁素体 和 渗碳体 的机械混合物。 31． 莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物， 而变态莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物。 32．铁碳合金的室温显微组织由 铁素体 和 渗碳体 两种基本相组成。钢中的基体相是 铁 素体 ，强化相是 渗碳体 。 33．由于实际金属内部存在 位错 缺陷，金属才能产生滑移变形，滑移的实质是 借助金属 位错运动 ，所以使金属实际强度值大大 低于 理论强度值。 34 滑移系是指 一个滑移面和该面上的一个滑移方向 ，面心立方晶格的滑移面为｛111｝4 个 ，滑移系方向为〈110〉3 个 ，构成 12 个滑移系。 35. 加工硬化现象是指 随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象， 加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力 增加 ， 造成加工硬化的根本原因是位错密度提高 36．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是 晶界 、 相邻相粒间的位相差 。 37． 金属塑性变形的基本方式是 滑移 （最主要方式） 和 孪生， 冷变形后金属的强度 升高 ， 塑韧性 下降 ，该现象称为加工硬化。 38．塑性变形后残留在工件内部的内应力包括 宏观内应力、微观内应力、晶格畸变 三种。 39 金属经冷塑性变形后，其组织和性能会发生变化，如 、 、 、 等 等。 （答案---组织变化：晶粒变形；亚结构细化；产生形变织构。 性能变化：产生加工硬 化；产生残余应力；性能出现方向性；电阻↑，导电、导磁↓，化学活性↑，耐蚀性↓。 ） 40. 金属发生再结晶的驱动力是 晶格畸变能 ，重结晶的驱动力是 两相间体积自由能差 ， 再结晶与重结晶的主要区别是 再结晶形核中无晶格类型的变化 。 41 金属板材深冲压时形成制耳是由于 形变织构 造成的。 42．根据经验公式得知，金属的最低再结晶温度与熔点的大致关系是 T 再≈0.4T 熔。纯铁 的最低再结晶温度为大约为 450℃，钢的最低再结晶温度往往（高于，低于） 高于 这个温 度。 （碳钢：T 再＝500～650℃） 43 在钢的各种组织中， 马氏体的比容最大， 且随着 w(C)的增加而增大； 奥氏体的比容最小。 44．板条状马氏体具有高的 强硬度 性能及一定的 塑性 与 韧性 性能。 片状马氏体具有 低的 塑韧性能，和 高的 强硬度性能。 45. 淬火钢低温回火后的组织是 回火马氏体 ；中温回火后的组织是 回火屈氏体 ，一般用 于高 弹性极限 的结构件； 高温回火后的组织是 回火索氏体 ， 用于要求足够高的 强度 及 高的 塑韧性 的零件。 46．钢在加热时，只有珠光体中出现了 能量 起伏、 结构 起伏和 成分 起伏时，才有了转 变成奥氏体的条件，奥氏体晶核才能形成。 47．马氏体的三个强化包括 固溶 强化、 相变亚结构 强化、 时效 强化。 48． 共析钢加热至稍高于 727℃时将发生 P→A 的转变， 其形成过程包括 奥氏体在 F—Fe3C 界面上形核（10 秒） 、 奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒)、 剩余 Fe3C 的溶解(千秒)、 奥氏体中 C 的扩散均匀化(万秒) 等几个步骤。 49 根据共析钢转变产物的不同可将 C 曲线分为 P 转变区、 B 转变区、 M 转变区三个转变区。 50 根据共析钢相变过程中原子的扩散情况，珠光体转变属于 扩散型 转变，贝氏体转变属 于 半扩散型 转变，马氏体转变属于 非扩散型 转变。 51． 马氏体按其组织形态主要分为 板条状马氏体 和 片状马氏体 两种； 马氏体按其亚结构 主要分为 位错马氏体 和 孪晶马氏体 两种。马氏体的强度主要取决于 其中的碳含量 。 52．贝氏体按其形成温度和组织形态，主要分为 上贝氏体 和 下贝氏体 两种。 53．珠光体按其组织形态可分为 球（粒）状 珠光体和 片状 珠光体；按片间距的大小又可 分为 粗 P 体、 索氏 体和 屈氏 体。片状珠光体的强硬度主要取决于 片层间距 。 54 描述过冷奥氏体在 A1 点以下相转变产物规律的曲线有 C C T 和 T T T 两种；对比这两 种曲线可看出，前者指示的转变温度比后者 低 ，转变所需的时间前者比后者 长 ，临界冷 却速度前者比后者 小 。 55 当钢发生奥氏体向马氏体组织的转变时，原奥氏体中 w(c)越高，则 Ms 点越 低 ，转变 后的残余奥氏体量越 多 。 56 钢的淬透性越高，则临界冷却速度越 小 ；其 C 曲变被热处理工件的 化学成分 ，但却能改变它的 组织结构 。 58 根据铁碳相图， 碳钢进行完全退火的正常加热温度范围是 AC3 +30~50℃ ， 它仅用于 亚 共析 钢。 59 钢球化退火的主要目的是 使碳化物球化 ，它主要适于 共析、过共析 钢。 60 钢的正常淬火加热温度范围， 对亚共析钢为 AC3 +30~50℃； 对共析和过共析钢则为 AC1 +30~50℃。 61 把两个 45 钢的退火态小试样分别加热到 Acl～Ac3 之间和 Ac3 以上温度快速水冷， 所得 组织前者为 M 加 F 未溶 ；后者为 M 。 62 淬火钢进行回火的目的是 消除内应力 ；通常回火温度越高，钢的强度与硬度越 低 。 63． 淬火内应力主要包括 组织应力 和 热应力 两种。 淬火时， 钢件中的内应力超过钢的 屈 服 强度时，便会引起钢件的变形；超过钢的 抗拉 强度时，钢件便会发生裂纹。 64．热应力的大小主要与冷却速度造成零件截面上的 温差 有关，冷却速度 越快 ，截面温 差 越大 ，产生的热应力愈大。 65．根据合金元素在钢中与碳的相互作用，合金元素可分为 碳化物形成元素 和 非碳化物 形成元素 两大类。 66．按钢中合金元素含量将合金钢分为 低合金 钢、 中合金 钢、 高合金 钢, 其合金元素 含量分别为 < 5% 、 5%-10% 、 >10% 。 67．合金钢按用途分类可分为 合金结构 钢、 合金工具 钢、 特殊性能 钢。辨别钢质量等 级高低的主要依据是 S、P 等杂质含量的高低 。 68．除 Co 和 >2.5%的 Al 元素以外，其它所有的合金元素都使 C 曲线往 右 移动，使钢 的淬火临界冷却速度 下降 ，提高了钢获得马氏体的能力即钢的 淬透 性。 69．形成强碳化物的合金元素有 V 、 Nb 、 Zr 、 Ti 。 70．扩大奥氏体区域的合金元素有 Mn 、 Ni 、 C 、 Cu 。(面心) 71．除 Mn、P 元素外几乎所有的合金元素都能阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。 72．几乎所有的合金元素除 Co 、 Al 以外，都使 Ms 和 Mf 点 下降 。因此，钢淬火后在 相同 w(C)下合金钢比碳钢组织的 A 残余 增多，从而使钢的硬度 少许下降 。 73．合金结构钢按用途可分四类，它们的 w(C)有一个大致范围。在 0．25％一 0．55％之间 的为 调质钢 ，在 0．45％～0．9％之间的为 弹簧钢 ，在 0．95％一 1．15％ 之间的为 轴承钢 ，在 0．15％～0.3％之间的为 渗碳钢 。 74．合金钢中提高淬透性的常用合金元素为 Mn 、 Cr 、 B 、 Ni 、 W 、 Mo 。 固溶强化：Si、Mn、Ni 细化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr 提高回火稳定性：W、Mo、V、Si、Cr 消除高温回火脆性：W、Mo 75．20CrMnTi 是 渗碳 钢，Cr、Mn 主要作用是 提高淬透性 ，Ti 主要作用是 阻止晶粒长 大，细化晶粒 。 76．调质钢 w(C)范围 0．25％一 0．55％ ，加入 Cr、Mn 等元素是为了提高 淬透性 ，加 入 W、Mo 是为了 消除第二类回火应力 。 77．40Cr 钢属 调质 钢，其 w(C)为 0.4％ ，w(Cr)为 1％ ，可制造 齿轮 零件。 78．工具钢按用途可分 量具钢 、 模具钢 和 刃具钢 。 79．工具钢按合金元素含量分为碳素工具钢、低合金工具钢和高速钢或高合金工具钢三类。 80．与白口铸铁相比，灰口铸铁在成分、组织与性能上的主要区别分别是 Si 含量多 、 大 量碳以石墨形式存在 和 硬度、 脆性下降 ； 石墨化的三个阶段分别为 共晶转变温度区间 、 高温 A 析出石墨 和 共析转变石墨化 ；欲获得完全珠光体基体，第三阶段的石墨化 完全 不 进行。 81．根据转变温度或冷却速度不同，共析碳钢过冷奥氏体的转变产物分别为马氏体类型、贝 氏体类型和珠光体类型。 碳素钢在热轧后的产物通常为珠光体类型， 等温淬火的产物为通常 为贝氏体类型。
《材料成型金属学》教学资料：1 位错及柏氏矢量
2.柏氏矢量的表示法
柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴（Crystallographic Axis)上的 分量，即用点阵矢量a、b和c来表示。
立方晶系晶体，由于a=b=c,故可用与柏氏矢量b同向的晶向指数 （Orientation Index)来表示。
例:柏氏矢量等于从体心立方的原点到体心的矢量，则b=a/2+b/2+c/2,
证明：设有一条位错线AO，柏氏回路为B1，其柏氏矢量为b1，移动到节点 O后，分为两个位错OB和OC，其柏氏矢量分别为b2和b3，b2和b3的柏氏回 路为B2和B3合成的B2+3，B1应与B2+3等价，所以b1=b2+b3。表明一条位错 线分成两根时，其柏氏矢量只有一个。
证明位错线方向指向同一结点(从同一结点出发)的 三条位错柏氏矢量为0
Negative Edge
混合型位错滑移
在切应力作用下，各位错线分别向外扩展，一直到达晶体边缘。 晶体滑移由柏格斯矢量b决定，产生一个b的滑移。
(a) body-centered cubic 体心立方 (b) face-centered cubic 面心立方 (c) hexagonal close-packed 密排立方
3. 柏氏矢量的守恒性（Conservation)
对于一定的位错其柏氏矢量是固定不变的，叫守恒性。 (1)一条位错线只有一个柏氏矢量。
逐步滑移是通过晶体内位错一步一步移动来实现的位错移动一个原子间距需要克服的位垒比理想晶体作整体滑移时原子克服的位垒位错的引入edgedislocationscrewdislocation混合位错的运动mixeddislocationsimplecubiccrystalcmcmalnl将位错线看作于垂直某一平面的直位错线为了便于描述晶体中的位错更确切地表征不同类型位错的特征1939年伯格斯提出了采用柏氏回路burgerscircuit来定义位错借助一个规定的矢量来揭示位错的本质
《材料成型金属学》教学资料：1-7位错间的相互作用力
Fx=b2σxyi ,使为错e2沿x轴方向滑移，叫滑移力； Fy=σxxj ,使位错e2沿y轴方向攀移，叫攀移力。
1.对于两个同号平行的刃型位错
• 当|x|>|y|时，若x>0，则Fx>0； 若x<0，则Fx<0。这说明当位 错e2位于图（a） 、 区间 时，两位错相互排斥。
• 当|x|<|y|时，若x>0，则Fx<0； 若x<0，则Fx>0。这说明当位 错e2位于图（a） 、 区间 时，两位错相互吸引。
1.7.1 两螺型位错间的相互作用力
1. 两平行螺型位错间的相互作用力
（a）计算相互作用示意图；（b）相互作用力方向
Screw dislocation
螺型位错的应力场 螺型位错应力场
按弹性理论，可求得螺型位错周围只有一个切应变：
• 螺型位错的应力场为：
• 位错S1的应力场为： S2位错的柏氏矢量为：b2=（0 0 b2）
1.7 位错间的相互作用力
（Interactive Force）
• 概念
晶体中存在位错，在它的周围便产生一个应力 场。当两个位错接近到一定距离，达到它们彼 此的应力场作用范围时，两者就表现为相互作 用，这就是位错间的相互作用力。
• 两个位错间的作用力实质上就是一个位错的 弹性应力场对另一个位错所产生的作用力。
• 刃型位错线和螺型位错线垂直时，因垂直情况不 同，其相互作用情况也不同，比较复杂。
2.对于两个异号平行的刃型位错， 它们之间的相互作用力的方向刚 好和上述同号位错相反，而且位 错e2的稳定位置和介稳定平衡位 置正好相互对换，|x|=|y|时， 位错e2处于平衡状态。
1.7.3 刃型位错和螺型位错间的 相互作用力
《材料成型金属学》教学资料：第一章位错理论基础
晶界特点
1） 晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—晶粒长大、 晶界变直—晶界面积减小； 2） 阻碍位错运动— 流变应力↑ 细晶强化； 3） 位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高； 4） 晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变的条件— 固态相变首先发生地； 5） 化学稳定性差—晶界容易受腐蚀； 6） 微量元素、杂质富集。
1 位错理论基础
Fundamentals of dislocation theory
理想晶体 完全按照空间点阵有规则排列
实际晶体 不可能完全规则排列，存在晶格缺陷 lattice defect
1.1 晶体缺陷概述
晶体中的缺陷： 原子排列偏离完整性的区域
点缺陷－在三个方向上尺寸都很小 线缺陷－在二个方向上尺寸很小 面缺陷－在一个方向上尺寸很小
Ae-q / kT
空位迁移速度与绝对温度T和空位迁移能量q的关系 式中：A为常数，k为玻尔兹曼常数。
点缺陷对晶体性质的影响
晶格畸变：点缺陷引起晶格局部弹性变形。
空位缺陷
间隙粒子缺陷 杂质粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
点缺陷对材料性能的影响
点缺陷的存在会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平 衡，即造成小区域的晶格畸变。
Low Angle Grain Boundary －小角晶界
(a)倾侧晶界模型；(b)扭转晶界模型
小角晶界可理解为位错墙 位向差θ<10°
亚结构
变形→位错密Leabharlann 增加→位错缠结 高位错密度区将位错密度低的区域隔开 → 晶粒内部出现“小晶粒” ，取向差不大→ 胞状亚结构
.
透射电镜 （TEM）
大角晶界
理想晶体原子 面堆积
含有刃型位错晶 体原子面堆积
《材料成型金属学》教学资料：1.4 位错应力场
3. Maximum shear stresses on the glide plane
1. Compression above
the glide plane
2. Tension below it
位错的能量
位错的存在引起晶格畸变，导致晶体能量增 高。此增量称为位错的应变能，或简称位错能。
在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原子面 区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在螺位错 周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。
定义：每增加单位长度的位错线所做的功或增加的位错能 －位错的线张力。
有限，可以忽略不计。因此，位错的存在使晶体处于
高能的不稳定状态，可见位错是热力学上不稳定的晶
体缺陷。
线张力
位错应变能与位错线长度成正比。为降 低能量，位错线具有尽量缩短其长度的倾向， 从而使位错产生线张力。 其作用是使位错变直—降低位错能量 • 相当于 物质弹性—称之为位错的弹性性质 • 类似于液体 为降低表面能产生的表面张力。
Displacements and stresses
螺型位错应力场
按弹性理论，可求得螺型位错周围只有一个切应变：
所以相应的各应力分量分别为：
其中：G为切变模量，b为柏氏矢量，r为距位错中心 的距离或者用直角坐标表示：
刃型位错应力场
刃型位错的应力场比螺型位错复杂的多。根据模型所 示，经计算可得刃型位错周围各应力分量以圆柱坐标表示 为：
由于位错的存在，在其周围存在一应力场。
位错应变能
位错中心处原子严重错排，周围原子偏离 中心位置－位错周围产生应力场，晶体的 内能也增加。
因晶体中存在位错而使晶体增加内能－位 错的应变能。
安工大材料成型专业课金属学第5-9章复习题(重修)
第5-9章思考题一、问答题：1、叙述金属在回复、再结晶中组织、性能方面的变化。
2、什么是结晶，再结晶，重结晶，从驱动力和相结构的变化对进行比较。
3何谓加工硬化？产生的原因及消除的方法是什么？加工硬化有何意义？4、简述回复、再结晶、晶粒长大及二次再结晶过程?5金属经冷变形、热加工后组织与性能各有何变化。
6珠光体类型产物有哪几种，简述实际生产中如何控制珠光体类型？生产热轧低碳钢板，有时因W(C)偏低强度不够而不合标准，为了提高强度，可在热轧后采用吹风甚至喷雾冷却，试解释其原因。
7（1）以共析钢为例，说明钢奥氏体化的过程。
（2）指出φ10mm的退火态T10钢分别经700℃、750℃、850℃温度加热后的组织，以及水冷后获得的组织。
假定Ac1＝726℃，Accm＝790℃，D水冷＝15mm，亚共析钢钢呢？8列表从转变温度高低、原子扩散性、产物相构成以及显微组织、产物性能及应用、典型的热处理工艺等方面对珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变进行比较讨论。
9钢中马氏体高强度高硬度的本质是什么？钢中马氏体的硬度主要与什么因素有关？马氏体相变的主要特征有哪些？10确定下列钢件的热处理方法，并指出热处理的目的与热处理后的组织：（1）经冷轧后的钢板，要求降低硬度；（2）锻造过热的60钢锻坯；（3）具有片状渗碳体的T12钢坯。
11指出下列零件或制品生产流程中各热处理工序的名称、主要目的以及热处理前后组织的主要变化：（1）钢棒——冷拔——冷拔——热处理1——冷拉——冷拉——热处理2——冷拉强化钢丝（2）铜板坯——冷轧——冷轧——热处理1——冷轧——冷轧——热处理2——导电用铜板12、（1）列举4种金属材料的强化机制；（2）指出晶粒大小对材料的机械性能影响的特殊性？如何获得细小的再结晶晶粒？二、选择题1．面心立方晶体受力时的滑移方向为()A<111>B<110>C<100>D<112>2．体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系，但其塑性变形能力是不同的，其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向()A．少B．多C相等D．有时多有时少4．冷变形时，随着变形量的增加，金属中的位错密度()。
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1点缺陷：空位，间隙原子，杂质原子效果：①提高材料的电阻②加快原子的扩散迁移③形成其他晶体缺陷④改变材料的力学性能线缺陷：刃型位错，螺型位错，混合位错面缺陷：小角度晶界，大角度晶界，晶界面5位错应变能E=KGb2线张力与位错能在数值上相等T=KGb2位错线的向心恢复力f6点阵阻力，通过公式说明问题派纳力式中，b为柏氏矢量的模，G：切变模量，v：泊松比W为位错宽度，W=a/1-v，a为滑移面间距1）通过位错滑动而使晶体滑移，τp较小 , 设a≈b，v约为0.3，则τp为（10-3~10-4）G，仅为理想晶体的1/100~1/1000。
2）τp随a值的增大和b值的减小而下降。
在晶体中，原子最密排面其面间距a为最大，原子最密排方向其b值为最小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行。
3）τp随位错宽度减小而增大。
强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。
7位错在应力场中的受力（P25）8位错间的交互作用：两个位错间的作用力实质上就是一个位错的弹性应力场对另一个位错所产生的作用力9位错与溶质原子的交互作用：溶质原子是一种点缺陷，由于溶质原子与溶剂原子的体积不同，晶体中的溶质原子会使其周围晶体发生弹性畸变，而产生应力场。
位错与溶质原子的交互作用会引起溶质原子向位错线集聚，位错线附近云集溶质原子，形成了溶质原子气团或溶质原子云。
也称柯氏气团。
10位错的交割：割阶，扭折11位错的增殖：位错的增殖机制：单轴双轴双轴增殖过程：6步图上少一步12位错的积塞：滑移面上的障碍物（晶界等）阻碍位错运动，使同一位错源发出的同号位错先后被障碍物阻塞，形成了位错塞积群。
应变硬化的方式之一13金属晶体中的位错：堆垛层错：抽出，插入面心立方晶体中的位错：b=<110>特征位错b=<112>肖克来半位错b=<111>弗兰克半位错14位错反应：两个条件：几何条件（对应值相等），能量条件（反应前位错能大于反应后位错能）判定：先通过几何求位错再判定能量条件15滑移时临界切应力：只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力τc = σs cosφ cosλ cosψcosλ称取向因子当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，λ=φ=45º时，取向因子最大，cosφcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，称此取向为软取向。
处于软取向的滑移系首先发生滑移。
当外力与滑移面平行或垂直时（φ=90º或φ=0º），则σs→∞，晶体无法滑移，称此取向为硬取向影响临界切应力的因素：金属的种类、化学成分、组织结构、变形温度、变形速度和预变形程度等金属种类：原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑化学成分：溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
不同溶质原子固溶强化效应不同：①质原子的原子数分数越大，强化作用越大；②溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大；③间隙型溶质原子比置换原子有更大固溶强化作用变形温度：温度↑，τc ↓，因为原子动能增大，原子间结合力减弱；但高温（熔点）时，温度↑，τc不变变形速度：速度↑，τc ↑，因为单位时间内必须使更多位错线移动，加工硬化率较快；对变形速度的依赖性极弱变形方式、组织结构（加工和处理状态）等16滑移的基本类型：单滑移：外加切应力>τc,开动一组滑移系；发生在滑移系较少或塑性变形开始阶段。
特征：表面平行的滑移线所形成的滑移带; 多滑移：多个滑移系同时开动；加工硬化。
特征：两组或多组交叉的滑移线；交滑移：螺位错滑移受阻时，离开原滑移面沿另一晶面继续滑移，滑移方向和大小不变。
变形温度越高，变形量越大，交滑移越显著。
特征：折线或波纹状滑移线17孪生：形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分发生的均匀切变；这种切变未使晶体点阵类型发生改变，变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向；塑性变形的另一种重要方式，常作为滑移不易进行时的补充。
现象：透镜状或片状18孪晶的位错机制：由肖克莱不全位错运动扫过相继的层面造成的均匀切变19不对称转变：扭折带（扭折带的作用：协调变形，促进变形）、变形带（取向转动不同于扭折带,不是突变,而是渐变.转动程度取决于变形量.形貌不同于滑移带,形状不规则）形变带形成的位错示意图20孪晶和滑移的区别：21高温蠕变：金属材料在一定的温度和应力下，随时间的延续所发生的缓慢、连续的塑性变形现象，称为蠕变现象。
金属的变形称为蠕变。
由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。
蠕变特征：与时间、温度、应力、应变（应变率）有关 永久的变形 应力值小于屈服极限高温蠕变有如下特点：在高温下，由于晶界可能产生滑动，因此晶内和晶界都能参与变形；由于高温下的原子扩散能促进各种形式的位错运动，因而有助于蠕变应变；在很高温度和低应力的条件下，扩散成为变形的主要机制。
各种温度和应力作用下的蠕变机制可概括如下：低温高应力下蠕变机制以位错滑移为主；低温低应力下是以晶界扩散为主；高温低应力下以扩散机制为主，其中包括晶界扩散和晶内扩散。
由以上分析还看出，提高蠕变极限的主要途径是增加滑移阻力，抑制晶界的滑动和空位的扩散22：多晶体塑性变形特点：1）变形具有不均匀性：同一晶粒不同位置变形量不同，不同晶粒间变形量不同2）每个晶粒的变形都要受到其他晶粒的影响和约束，不能独立自由地变形。
→协调性和连续性。
23：晶界的作用和晶粒大小的影响：滑移首先在取向有利的晶粒中发生→扩展到其他晶粒→终止在晶界。
原因: 晶界和晶粒间取向差共同作用： 相邻晶粒取向差↑，晶界处原子排列紊乱↑，畸能↑，阻碍↑。
相邻晶粒取向差↑，滑移转入相邻晶粒时阻力↑晶粒大小与屈服应力的关系式:霍尔-配奇关系式：在所有的钢材强化方法中，唯有细晶强化可同时提高钢材的强度指标和塑性、韧性指标。
金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。
细晶粒为同时在更多晶粒内开动位错和增殖位错提供了机会，使塑性变形更均匀。
晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。
强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好24：工作应力=基本应力+附加应力210-+=d K y s σσ挤压时金属流动及纵向应力分布图——基本应力；- - -附加应力；—•—工作应力25附加应力的分类：（1）第一类：变形物体的几个大部分间（宏观）由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力.（2）第二类：变形物体局部的各部分之间由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力（如软、硬两晶粒或两相之间）.（3）第三类：变形物体的一个晶体内的各部分间由于不均匀变形所引起的附加应力，所占比例最大.26凸辊：出现边部周期性裂纹，中浪凹辊：中部周期性裂纹，边浪27：残余应力（P84）我也不知道写啥减小或消除残余应力的措施：热处理，机械处理研究残余应力的方法：机械法，化学法，X射线法28：影响金属变形行为的因素及所呈现的现象（这个我也不知道写啥）29：变形抗力：金属抵抗变形力（塑性加工时,使金属发生塑性变形的外力）之力。
材料在一定温度、速度和变形程度条件下，保持原有状态而抵抗塑性变形的能力。
在所设定的变形条件下，所研究的变形物体或其单元体能够实现塑性变形的应力强度影响因素：1:金属的化学成分：对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形抗力也大。
同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。
合金元素的存在及其在基体中存在的形式对变形抗力有显著影响。
原因：1）溶入固溶体，基体金属点阵畸变增加；2）形成化合物3）形成第二相组织，使σS增加。
组织：①基体金属原子间结合力大，σS大。
②单相组织和多相组织单相：合金含量越高，σS越大。
原因：晶格畸变。
单相σS<多相：硬而脆第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散质点均匀分布，则σS高。
第二相越细、分布越均匀、数量越多，则σS越高。
原因：质点阻碍滑移。
例：退火时第二相聚集为较大颗粒；淬火时弥散分布在基体上。
③.晶粒大小：d↓,变形抗力↑。
④.夹杂物的存在：变形抗力↑。
合金变形抗力>纯金属。
2变形抗力：挤压>轧制；孔型中轧制>平辊轧制；模锻>平锤头锻造；压应力状态越强，变形抗力越大。
挤压应力状态：三向压拉拔应力状态：一拉二压挤压>拉拔3温度：温度升高，变形抗力降低原因：1)软化效应（发生了回复和再结晶）2)某种物理-化学转变的发生3)其它塑性变形机构的参与（①温度升高，原子动能大，结合力弱，临界切应力低，滑移系增加，由于晶粒取向不一致对变形抗力影响减弱。
②温度升高，发生热塑性。
③晶界性质发生变化，有利于晶间变形，有利于晶间破坏的消除。
④组织发生变化，如相变）4变形速度对塑性变形抗力的影响：每种金属在设定温度下都有其特征变形速度。
小于特征变形速度: 变形速度对变形过程没有影响；大于特征变形速度: 变形速度↑，变形抗力↑。
同时使所有的软化过程、物理化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性变形机构受到阻碍。
原因: ①为完全实现塑性变形的时间不够。
②为实现软化过程的时间不够:变形产生硬化,回复和再结晶产生软化,但回复和再结晶需要一定时间来完成，时间不够将使硬化速率超过软化速率,使变形抗力升高。
速度效应：变形速度↑，变形抗力↑。
热效应：变形速度↑，温度升高，变形抗力↓不同温度范围变形速度对变形抗力的影响不同（四个变形温度范围：完全硬化、不完全硬化、不完全软化、完全软化）速度效应：完全软化温度区>不完全软化温度区>不完全硬化温度区>完全硬化温度区;热效应:完全硬化温度区>不完全硬化温度区>不完全软化温度区>完全软化温度区5变形程度的影响：变形程度↑，晶格畸变↑，阻碍滑移，变形抗力↑。
通常变形程度在30%以下时，变形抗力增加显著。
当变形程度较大时，变形抗力增加变缓.冷加工：温度低于再结晶温度，产生加工硬化。
热加工：若变形速度高，回复和再结晶来不及进行，也会加工硬化。
加工硬化曲线：金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线30塑性：金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。
塑性是金属固有的一种性质,反映材料产生塑性变形的能力影响因素：1化学成分：纯金属具有较高塑性。
纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性。
若所含的元素形成化合物时，塑性降低。
塑性：面心立方>体心立方>六方晶格2合金元素：Fe——化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。