固体材料性态的细观机制.pptx

会计学;1.1 引言 材料学就是研究材料的成分、组织结构、合成加工、性质与使用性能之间关系的科学，这四个方面构成了材料学的基础。;材料的性能是由材料的内部结构决定的。材料的结构根据不同的尺度可以分为不同层次，包括原子结构、原子的排列、相结构、显微组织（多相结构）。 晶体中的结构缺陷也包括在结构之中，每个层次的结构都以不同方式决定着材料的性能。;1.2 晶格几何 原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体称为晶体。 晶体中原子排列方式多种多样，为了描述其排列规律，通常假定晶体中的物质质点为固定的钢球，由这些钢球堆垛而成晶体，即原子堆垛模型。 为了研究方便，将构成晶体的实际质点忽略而抽象成纯粹的几何点，形成空间点阵，其中每一个点成为阵点或结点。;为了表征空间点阵的几何规律，人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上就称为晶格。构成晶格的最基本单元称为晶胞。 可见，将晶胞在三维空间重复堆砌就构成了空间点阵，用晶胞可描述晶体结构。;x;自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但根据空间点阵“每个阵点周围有相同的环境”的要求，布拉菲（Bravais）于1848年用数学方法证明空间点阵共有且只能有14种。进一步根据晶胞的三个棱边长度a，b，c和三个晶轴之间的夹角α，β，γ的相互关系对所有晶体进行分类，又可把14种空间点阵归纳为7个晶系。;在每个晶胞中，阵点并非都位于晶轴之上。基于阵点在晶胞中所处的位置，将晶胞分为以下四种类型： 以正交晶系为例进行说明。;1.3 工程材料的晶体结构;点阵常数 晶胞的棱边长度（a, b, c）称为点阵常数。如果把原子看作半径为r的刚性球，则从几何关系可求出a, b, c与r之间的关系。;密排面;1.4 工程材料的多晶体结构;湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑;1.5 原子内部能量与力 ;考虑两个原子A和B位于平衡位置，相距为r0，此时两原子之间相互作用的引力和斥力的合力为零。现在给B一个无穷小的正向位移dr，必然会出现恢复力F，在此过程中恢复力所做的功等于势能的变化量。;第二章 变形机制 2.1 晶体的弹性变形机制;实验获得镁的泊松比0.33，铝的泊松比0.32≤μ≤0.34;温度升高时晶体膨胀，原子间距a变大，弹性模量E下降。 以上的计算仅仅考虑两个原子之间的相互作用，而实际的晶体结构由大量的原子组成，故而计算时要应用此方法考虑多个原子相互作用的情况。同时由于实际晶体结构的复杂性，以上的计算结果在实际上仅具有数量级上的精确性，但可以解释一些物理现象。 以上所获得的弹性模量的值是密排六方晶体中晶轴方向与载荷作用方向一致时的结果，当晶轴方向与载荷作用方向存在一夹角θ时，弹性模量E可以看成是θ的函数，E=E（θ） 。此时E的平均值就可以看作是所有可能方向作用的结果，对于多晶体而言，晶粒的分布是随机的 ，因此，上述计算得到的弹性模量的平均值可以表示晶体宏观的弹性性能。 弹性模量是原子间结合力强弱的反映，它是一个对组织不敏感（ Structure insensitive ）的性能指标。;2.2 晶体的塑性变形机制;将一个表面抛光的单晶体拉伸达到一定量的塑性变形后，在光学显微镜下观察，会发现抛光表面存在许多相互平行的线条，称为滑移带。若进一步用电子显微镜观察，发现每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成，这些滑移线实际上是晶体表面产生的一个个小台阶，其高度约为1000个原子间距，滑移细线间的距离约为100个原子间距。 相互靠近的一组小台阶在宏观是一个大台阶，这就是滑移带。;对变形后的晶体进行x射线结构分析，发现晶体结构类型并未改变，同时，平行线两侧晶体的取向亦未发生改变，故可推知，晶体的滑移是晶体一部分相对于另一部分沿着晶面发生的平移滑动。每一层晶面平移滑动后在晶体表面形成一个滑移台阶（滑移线），台阶的高度标志了该晶面的滑移量，所有滑移台阶的积累造成了宏观塑性变形。 滑移的距离是滑移方向原子间距的整数倍;滑移特征 1 滑移系;2 滑移临界分切应力;令 称为取向因子。 当滑移面的法线、滑移方向和外力轴三者处于同一平面，且滑移面的倾斜角为45°时，取向因子取最大值0.5，此时的分切应力也最大，是最有利于滑移的取向，称为软取向。 临界分切应力的大小主要取决于金属的本性，与外力无关。 屈服极限Y则不同，晶体取向不同时，Y在一个很大的范围内变化，如图所示。当φ=45°时，即处于软取向时，晶体产生塑性变形的屈服极限最小。换句话说，就是在最下的拉应力作用下，即可达到滑移所需要的临界分切应力值。当取向因子降低时，屈服极限迅速升高，这意味着需要更大的拉应力才能使晶体滑移，而导致塑性变形。;;铝中的滑移带;3 滑移时晶体