第3讲位错强化机制

orowan强化机制名词解释
Orowan强化机制是指在晶体中存在的位错（缺陷）可以通过
塞进新的位错形成位错堆积，从而增加晶体的强度和硬度。

这种机制是由奥罗万（Orowan）在1934年提出的，因此被称为Orowan强化机制。

Orowan强化机制的基本原理是，当应力作用于晶体中的位错时，原子将被迫相互移动以形成新的位错，即位错堆积。

这种位错堆积会阻碍晶体中其他位错的运动和滑移，从而增加晶体的强度。

具体来说，Orowan强化机制可以通过以下三个步骤解释：
1. 引起位错移动：外力作用于晶体中的位错，使之发生移动。

2. 堆积新的位错：移动的位错将与其他位错相互堆积，形成位错墙。

3. 阻碍位错滑移：位错墙会阻碍其他位错的滑移运动，从而增加晶体的强度。

Orowan强化机制的应用范围广泛，包括金属材料、聚合物和
陶瓷等材料的强化。

这种机制能够显著提高材料的强度和硬度，使其更加耐用和可靠。

位错增殖机制
位错是晶体中晶格缺陷的一种形式，它是由于晶格的局部形变而产生的。

位错在固体材料的力学、热力学和电学性质方面起着至关重要的作用。

位错的增殖是固体材料中塑性变形的基本机制之一，即材料在外力作用下发生形变时，位错的运动和增殖导致晶体内部发生塑性变形。

本文将探讨位错增殖的机制及其影响。

位错增殖机制包括滑移、螺旋升华、双层嵌错、三层嵌错等多种方式。

其中，滑移是位错增殖最常见的方式。

它是指在晶体中外力的作用下，位错沿着晶格平面滑动，使晶体发生塑性变形。

滑移位错的滑移方向和晶体中某个晶面的方向平行，滑移方向通常是晶体易于滑移的方向。

此外，滑移位错还可以沿倾斜的晶面滑移或沿着非晶面滑移，这种滑移方式被称为错排滑移。

另一种位错增殖机制是螺旋升华，它是指位错绕着一根线以螺旋形升华。

这种位错增殖机制通常发生在具有高对称性的结构中，如立方晶系中的等轴晶粒。

此外，双层嵌错和三层嵌错也是位错增殖的常见方式。

双层嵌错通常发生在堆积序列比较简单的金属中，如铜和铝。

而三层嵌错通常发生在复杂堆积序列的金属中，如钢。

位错增殖机制的选择取决于晶体结构、晶体取向、应变速率等因素。

不同的位错增殖机制会影响材料的力学性能和变形行为。

例如，滑移位错使材料形变均匀，而螺旋升华位错会导致形变局部化，从而引起裂纹和断裂。

因此，深入了解位错增殖机制对于理解材料的塑性变形和断裂行为至关重要。

合金的四种强化机制一、晶粒细化说到合金的强化机制，最常见的可能就是晶粒细化啦。

大家可以想象一下，金属就像是一堆小小的“拼图块”，每一个小块叫做“晶粒”。

那么晶粒越小，金属的强度就越大。

这就像是拿一堆沙子，撒开来用的力气会比把它集中成一堆大的沙丘要小很多。

晶粒细化就是通过减小这些“拼图块”的大小来提高金属的强度。

原理很简单，晶粒越小，晶界就越多，晶界就像是金属结构里的“小障碍”，让原本滑溜溜的原子不那么容易“跑动”。

这时候，你的合金就不容易变形，强度就上去了。

有没有想象到一个小小的颗粒挤在一起，互相“勾心斗角”的画面？就是这种强度强化的感觉！这个过程听起来是不是特别像打破一个大块的巧克力，分成一小块一小块的？你越把它分得细，吃起来越香，甚至在咀嚼的时候，那种紧密的感觉特别“结实”。

如果晶粒越细，小颗粒就会越难“溜”过去，所以金属变得更坚硬。

想象一下，钉子头就像一个个“晶粒”对不对，太大了，那钉子在墙上可不容易进得去，太小了，就会被压扁。

所以，晶粒细化的技巧就是让金属在需要力量时不轻易屈服，表现出一种“刚强不屈”的性格。

二、固溶强化然后呢，合金的固溶强化就像是我们用“大杂烩”策略来增加强度。

就像做菜一样，大家都知道，单一的食材可能没有那么丰富的口感。

可是，当你把不同的食材混合在一起，就能让整个味道层次更丰富，口感更棒！在合金里面，固溶强化就是把一些原本不属于这个金属的元素给“溶”进去了，这样一来，金属的结构就变得更加复杂。

就像一锅杂菜汤，原本简单的金属就被各种不同的元素填补，变得更加难以“扭曲”或“滑动”。

这些溶解进去的元素会通过一种“填补”作用，让金属原子不那么容易滑动。

要知道，金属原子本来是像排队的士兵一样排着，互相之间有点空隙。

如果你在空隙里塞进一些不同的元素，这些“外来”元素会像“小小的阻力”一样，让原本滑动的金属原子不容易挪动。

这样金属就变得更硬、更强了。

听起来是不是有点像做一道菜，往汤里放了点辣椒和香料，不仅更有味道，也让人吃了更过瘾！不过呢，这种方法虽然挺有效的，但是也得看这些“外来元素”是不是能够融入得好，能不能和金属原子“和谐共处”。

材料科学基础四大强化机制材料科学是研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，是现代科学技术的重要基础。

为了提高材料的性能和功能，材料科学基础研究通常会采用一系列的强化机制。

本文将介绍材料科学基础中的四大强化机制，并分别进行详细解析。

一、晶体缺陷强化机制晶体缺陷是指晶体内部的缺陷或畸变，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。

晶体缺陷强化机制是通过引入和控制晶体缺陷，来提高材料的力学性能和稳定性。

点缺陷可以通过合金元素的掺杂来引入，从而改变晶体的结构和性能。

线缺陷可以通过外加应力或热处理来引入，从而阻碍晶体的滑移和变形，提高材料的强度和硬度。

面缺陷可以通过晶粒细化和相界强化来实现，从而提高材料的塑性和韧性。

二、相变强化机制相变是指材料在温度、压力或组分等条件改变下发生的结构转变。

相变强化机制是通过控制材料的相变行为，来调控材料的性能和结构。

例如，通过合金化和热处理，可以控制材料的相变温度和相变速率，从而改变材料的硬度、强度和韧性。

此外，相变还可以引发材料的形状记忆效应和超弹性等特殊性能。

三、晶界强化机制晶界是指晶体之间的界面或界面区域，是晶体内部的缺陷和畸变的集中位置。

晶界强化机制是通过控制和调控晶界的结构和性质，来提高材料的力学性能和稳定性。

晶界可以通过晶粒尺寸控制和晶界工程来实现强化。

晶粒尺寸的减小可以提高材料的塑性和韧性，而晶界工程可以通过合金元素的添加和热处理来调控晶界的能量和结构，从而提高材料的强度和硬度。

四、位错强化机制位错是材料中晶格的缺陷和畸变，是材料塑性变形的基本单位。

位错强化机制是通过控制和调控位错的密度和类型，来提高材料的力学性能和稳定性。

位错可以通过外加应力和热处理来引入和操控，从而阻碍材料的滑移和变形，提高材料的强度和硬度。

位错还可以引发材料的弹性形变和塑性形变等特殊性能。

总结起来，材料科学基础中的四大强化机制分别是晶体缺陷强化、相变强化、晶界强化和位错强化。

这些强化机制通过引入和控制材料的缺陷、相变、晶界和位错等结构特征，可以有效地提高材料的力学性能和稳定性，为材料科学和工程提供了重要的理论和实践基础。

1、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。

规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。

方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。

形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。

另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。

2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。

强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。

所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。

现象：晶体通过位错的滑移产生塑性变形，但塑性变形以后，位错的数量不但没有减少，反而增加了。

这些都与位错的增殖、塞积、交割有关。

§3-6位错的增殖、塞积与交割位错增殖的方式有多种；增殖位错的地方称为位错源。

在塑性较好的晶体中以滑移方式进行。

常见的滑移增殖机制：弗兰克-瑞德（Frank-Read ）位错源增殖机制和双交滑移增殖机制一. 位错的增殖弗兰克-瑞德（Frank-Read）位错源增殖机制使位错源进行增殖的临界切应力为：式中：L为A、B间的距离，等于2R。

Si 单晶中的F-R 源，位错线以Cu 沉淀缀饰后，以红外显微镜观察。

甲苯胺中的位错双交滑移增殖机制交滑移的含义：螺位错从一个滑移面转到与其滑移面相交的另一个滑移面上滑移。

（螺位错在某一滑移面上运动受到阻碍时，可能离开原滑移面转向与其相交的另一个滑移面上继续滑移的过程。

）双交滑移：螺位错滑移时因局域切应力变化而改变滑移面，又因局域切应力减弱而回到原滑移面继续滑移的过程。

注：局域切应力的作用仅使一段位错发生双交滑移，因而在双交滑移发生由次滑移面至主滑移面转化时，出现相对固定的两点，它就以F-R 源开始增殖。

m m n nmm /B AC D位错滑移时，在滑移面上遇到障碍物（晶界、第二相等），位错将在障碍物处塞积，形成塞积群。

越靠近障碍物，位错排列越密集，随距障碍物的距离增大，位错间距增。

塞积群中，位错数N 为：Gb L k N 0πτ=螺位错：k=1刃位错：k=1-ν障碍物受到的切应力为，塞积群在障碍物处产生应力集中，有可能在障碍物处产生微裂纹，而导致晶体断裂。

0ττN =其中，为作用在滑移面上的外加分切应力；L 为位错源到障碍物的距离；G 为切变弹性模量K 为系数：0τ不锈钢中晶界前塞积的位错三. 位错的交割定义：不同滑移面上运动的位错相遇发生相互截割的过程。

位错交割的结果：在原来直的位错线上形成一段一个或几个原子间距大小的折线，即割阶与扭折。

位错与强化赵亦希2014年09月一、单晶体的塑性变形常温或低温下，单晶体塑性变形（plastic deformation）方式：1.滑移（slip）2.孪生（twining）3.扭折（link）(1)滑移线和滑移带⏹滑移线（slip line）：滑移线实际上是在晶体表面产生的小台阶。

⏹滑移带（slip band）是由一系列相互平行的更细的线组成的。

1.滑移一、单晶体的塑性变形铜中的滑移带500×滑移线和滑移带示意图1.滑移一、单晶体的塑性变形1.滑移一、单晶体的塑性变形6位错运动produce permanent (plastic) deformation ！！！.σ300 μm三、塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响主要表现在以下方面：⏹显微组织变化，包括晶粒形状的变化、亚结构的变化、形变织构⏹性能的变化，包括加工硬化、力学性能、物理性能、化学性能三、塑性变形对材料组织和性能的影响1.晶粒形状的变化（1）出现了大量的滑移带和孪晶带。

（2）晶粒形状发生了变化。

出现了纤维组织（fiber microstructure）。

纤维组织分布方向是材料流变伸展方向。

（3）当金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物时，塑性变形使这些区域伸长，这在后序的热加工或热处理过程中会出现带状组织（band microstructure）。

2. 亚结构（sub —grain）的变化（1）随变形度增大，位错密度迅速增大。

（2）位错组态和分布等亚结构发生变化三、塑性变形对材料组织和性能的影响低碳钢形变(胞状)亚结构3. 形变织构(1)形变织构（deformation texture）：是晶粒在空间上的择优取向（preferred orientation）（2）类型及特征 ①丝织构（fiber/wire texture）及特征：用<uvw>表示②板织构（rolling texture）及特征：用｛hkl｝<uvw>表示三、塑性变形对材料组织和性能的影响四、强化机理如何增加材料的强度？四、强化机理材料的塑性变形取决于位错运动能力强化材料通过阻碍位错运动来实现✓Reduce grain size 晶粒细化✓Solid solutions 固溶强化✓Strain hardening (Cold working) 冷作强化✓Precipitation hardening 沉淀硬化nb Slip planeoundary大原子压应变•杂质原子使晶格发生畸变• 内应力阻碍位错运动四、强化机理（2）固溶强化(alloying)小原子拉应变16Pure atomSubstitional atomsInterstitial atomsSubstitional atoms四、强化机理（2）固溶强化(alloying)⇒0.9 μm• 冷变形后的Ti 合金四、强化机理（3）冷作硬化(COLD WORK)•屈服强度增加•抗拉强度增加.延伸率下降Adapted from Fig. 7.20,Callister & Rethwisch 8e.low carbon steel4、位错与强化—强化机理（3）冷作硬化(COLD WORK)冷变形回复：由于温度升高原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。

位错强化理论通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。

所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力。

从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力，而根据理论计算的金属切变强度一般是其切变模量的1/10～1/30，而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。

造成这样大差异使位错理论应运而生，晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体运动，而是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。

位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的的少数原子只做远小于一个原子间距的弹性偏移，而晶体其他区域的原子仍处于正常位置，这样，位错运动只需要一个很小的应力（P169）就能实现，位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。

金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。

铁的晶须强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。

从自前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。

另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。

具体方法有固溶强化、形变强化（加工硬化）、沉淀强化和弥散强化（质点强化）、细晶强化、相变强化：1.固溶强化它的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。

固溶体中存在着溶质原子，使合金的强度硬度提高，而塑性韧性有所下降，即产生固溶强化。

其原因在于，一是固溶体中溶质与溶剂的原子半径所引起的弹性畸变，与位错之间产生的弹性交互作用，对滑移面上运动着的位错有阻碍作用；二是在滑移线上偏聚的溶质原子（柯氏气团）对位错的束缚和钉扎作用。

（P176）2.形变强化，即加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度硬度增加，而塑性韧性下降。

其原因与位错的交互作用有关，随着变形程度的增加，位错密度不断增加。

位错强化机制范文位错强化机制是指在晶体中存在着位错时，由于位错周围产生的应变场作用，会引起附近原子的重新排列和重新结合，从而使位错得到强化的一种机制。

位错是晶体中的缺陷，具有较高应变能和局部应力，位错强化是利用位错局部应力场强化材料的一种方法，可以提高材料的强度和硬度。

位错强化机制的基本原理是通过在材料中引入或激活位错，从而增加材料内部的晶体缺陷，进而提高材料的力学性能。

位错引起的局部应变场会引起附近原子的重新排列和重新结合，使晶粒内部的原子结构发生变化，形成一种多晶体结构。

这种多晶材料结构比晶体结构具有更多的晶界，晶界对位错的移动具有阻碍作用，从而增加了材料的硬度和强度。

位错强化机制是由位错运动和位错与晶粒界面相互作用两个方面构成的。

位错运动是指位错在晶体中的运动和传播，位错与晶粒界面相互作用则是指位错与晶粒界面之间的相互作用和位错在晶粒界面上的发展和停滞。

位错运动是位错强化机制中最重要的一个环节，通过位错在晶体中的运动，可以引起晶体中的应力和应变的变化，从而改变材料的力学性能。

位错与晶粒界面相互作用则能够阻碍位错的运动，从而增强材料的强度。

位错强化机制的实现需要满足一定的条件。

首先，材料中需要存在一定数量的位错，位错的密度越高，则强化效果越好。

其次，位错强化机制要求材料中晶粒尺寸相对较小，晶界越多，则位错能被更多地阻碍，进而实现更好的强化效果。

此外，位错强化还需要合适的温度和应力条件，以保证位错运动和晶粒重组的有效发生。

位错强化机制的应用广泛，能够提高材料的强度和硬度，常常被应用于高强度的材料制备中。

例如，高强度钢、合金材料和多晶硅材料等都是通过位错强化机制进行加工和制备的。

此外，位错强化还被广泛应用于材料的表面改性和强化处理中，以提高材料的耐磨性和抗腐蚀性能。

总之，位错强化机制是一种通过引入位错和位错运动来调控和改变材料晶体结构的方法，能够显著提高材料的强度和硬度。

通过合理地设计和控制位错强化机制，可以实现对材料力学性能的优化和改善，对材料科学和工程应用具有重要的意义和价值。