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1、固体材料性态的细观机制第一章 原子和分子结构1.1 引言 1.2 晶格几何1.3 工程材料的晶体结构1.4 工程材料的多晶体结构1.5 原子内部能量与力 第二章 变形机制2.1 晶体的弹性变形机制2.2 晶体的塑性变形机制2.3 晶体内的位错2.4 位错应力场2.5 位错与塑性变形2.6 多晶体的塑性变形与断裂2.7 多晶体材料的蠕变机制2.8 无序高分子材料的变形机制 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 性 能简 单 性 能物理性能1.热学性能一导热 率、热胀 系数等2.声学性能一声的吸收、反射等3
2、.光学性能一折射率、黑度等4.电学性能一导电 性、介电系数等5.磁学性能一导磁率、矫顽 力等6.辐射性能一中子吸收截面积、中子散射系数等力学性能1.强度一，等2.弹性一E, G等3.塑性一，等4.韧性一KIC，CV等化学性能1.抗氧化性能2.耐腐蚀性3 .抗渗入性复 杂 性 能1.复合性能一简单 性能的组合，如高温疲劳强度等2.工艺性能一铸造性、可焊性、切削性等3.使用性能一耐磨性、抗弹穿入性、刀刃锋利性等组织结构（核心）性能（落脚点）合成 加工化学 成分不同加工方法的工件组织与性能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
3、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。晶体中原子排列示意图原子堆垛模型 晶格 晶胞金的电子显微镜照片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。
4、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。晶体中原子排列示意图原子堆垛模型 晶格 晶胞xyzabcxyzgab在同一点阵中可以选取不同的形状和大小的晶胞，因此，认为规定 在选取晶胞时应满足下列条件： 晶胞能充分反映整个空间点阵的对称性； 平行六面体内相等的 棱和角的数目应最多，拥有尽可能多的直角； 晶胞的体积应最小。选取晶胞角上的一阵点作为坐标原点（一般取左下角后面一点）沿三个棱 边作坐标轴x，y，z（称为晶轴）。则此晶胞的形状和大小就可由其三个棱 边的长度a，b，c和晶轴之间的夹角，（称为点阵常数）六个参数完全表达出来。自然界中的
5、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，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。晶系点阵常数关系立方晶系a=b=c =90三方晶系a=b=c =90四方晶系a=b c =90六方晶系a=b c =90 =120正交晶系a b c =90单斜晶系a b c =90 90三斜晶系 a b c 90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
6、四种类型：以正交晶系为例进行说明。简单（Simple）正交底心（Base-centered）正交面心（Base-centered）正交体心（Base-centered）正交1.3 工程材料的晶体结构元素周期表中所列的金属元素有八十余种，工业上使用的金属有三四十种 。大多数金属都具有简单的晶体结构，常见金属的晶体结构为以下三种：面 心 立 方 晶 胞钢球模型体 心 立 方 晶 胞密 排 六 方 晶 胞质点模型晶胞原子数晶胞原子数：由于晶体是由大量晶胞堆砌而成的 ，故处于晶胞顶角或周面上的原子 就不会为一个晶胞所独有，只有晶 胞体内的原子才为该晶胞独占。对 于立方晶体结构，顶角原子应为8 个晶胞所
7、共有，因此每个晶胞只占 有八分之一个原子，晶胞周面上的 原子为相邻两晶胞共有，故每个晶 胞只占有二分之一个原子。对于六 方晶体结构，顶角原子应为6个晶 胞所共有，因此每个晶胞只占有六 分之一个原子。这样，三种结构每 个晶胞拥有的原子数目n为：n=8*1/8+1=2 -铁铁、铬铬、钨钨等n=8*1/8+6*1/2=4 -铁铁、铝铝、金n=12*1/6+2*1/2+3=6 锌、镁等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。对于密排六方结构，按照原子为等径钢球可计算出其轴比c/a1.638，但实际金属的轴比
8、常偏离此值。这说明视金属原子为等径钢球只是一种近似的假设。实际上，原子半径随原子周围紧邻的原子数和结合键的变化而变化。密排面晶面间距晶面间距离大的晶面总是 原子最密排的晶面，晶面 间距越小，晶面上原子排 列越稀疏。1.4 工程材料的多晶体结构固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才 能形成单晶，而大多数固体属于多晶体（polycrystalline） 。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。多晶体中晶粒与 晶粒的交界区域称为晶界。成核（Nuclei） 树枝晶（Dendrites） 晶粒（grains）杂质成核，在某些方
9、向上迅速成长，形成树枝晶，相邻树枝晶相遇，液相消失，消除 树枝晶的痕迹，形成不同方向晶粒组成的多晶体结构。由于晶界的存在破坏了整块晶 体的完整性，使原子排列的规律性只存在于每个晶粒内部（长程有序）。 这种结构特 征可以解释多晶体的各向同性。晶粒的形状和尺寸受成核率、晶粒成长速度、塑性变形和热处理工艺的影响。 晶粒的形状和尺寸对多晶体材料的力学性能有很大的影响，尤其是拉伸强度和硬度。湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器的金相组织现代加工技术纯铁的冷却曲线及晶体结构变化1.5 原子内部能量与力 空间中两个原子的相互作用包括相互作用的引力（attractive forc
10、e）和斥力 （repulsive force），当两个原子相距为r时，其势能可表示为：设r=r0时两原子平衡，因为系统能量最低时稳定，此时Ep取最小值mn，说明与斥力相关的能量受r的影响更大考虑两个原子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。Energy diagramForce diagram根据能量曲线的形状，将 能量曲线在平衡位置附近 的区域定义为能量井，D 为井的深度。定义键能EB为破坏结合键所需的能量 。,m,n为为正的常数，与 温度有关，故键键能
11、与温 度有关。三原子作用模型固态金属中的周期势场第二章 变形机制 2.1 晶体的弹性变形机制晶体弹性变形的物理机制可以用晶体中原子结构及其作用力来解释。取如下 图所示的密排六方晶胞中一个密排面，只在x方向作用一拉应力xx，使相邻邻 原子间产间产 生x=x-a变变形，根据上一章获获得的原子间间作用力公式得：晶体结构结合力实验获得镁的泊松比0.33，铝的泊松比0.320.34I.温度升高时晶体膨胀，原子间距a变大，弹性模量E下降。II.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
12、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。III.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 在一夹角时时，弹弹性模量E可以看成是的函数，E=E（） 。 此时时E的平均值值就可以看作是所有可能方向作用的结结果，对对 于多晶体而言，晶粒的分布是随机的 ，因此，上述计计算得到 的弹弹性模量的平均值值可以表示晶体宏观观的弹弹性性能。IV.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延性材料拉伸破坏常温下晶体的塑性
13、变形的主要方式有滑移和孪晶两种， 此外还有扭 折，其中滑移是最基本的方式。高温变形时，还会以扩散蠕变与晶 界滑动方式进行。圆柱形单晶的滑移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。铜单晶变形后出现的滑移带滑移带和滑移线结构示意图对变形后的晶体进行x射线结构分析，
14、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由滑移带和滑移线结构示意图可以看出，晶体的滑移并非是均匀分 布的，滑移集中在某些晶面上，可连续滑动一个很大的距离，而相 邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。点阵变形滑移带和滑移线结构示意图滑移特征1 滑移系 在塑性变形试样中出现的滑移线与滑移带并不是任意排列的，它们彼此之间或 者相平行，或者互成
15、一定角度，这表明金属中的滑移只能沿一定的晶面和一定 的晶向进行。这些特定的晶面和晶向分别称为金属的滑移面和滑移方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系（滑移与滑移系有关， 但与缺陷更是紧密相关），每一个滑移系表示金属晶体进行滑移时可能采 取的一个空间取向。在其它条件相同时，晶体中的滑移系越多，滑移过程可能 采取的空间取向便越多，该金属的塑性便越好。滑移系的多少主要取决于晶体结构。滑移面一般总是晶体的密排面，而滑移方 向也总是密排晶向。这是因为晶体中密排面之间距离最大，其结合力最 弱，滑移阻力最小，故最易滑动。沿原子密度最大的晶向滑移时阻力也最 小。滑移面和滑移方向通常是原子排列最密集的平面和方向。晶面间距面心立方晶体滑移系2 滑移临界分切应力对于金属晶体受到的外力可将其分解为垂直某滑移面的正应力和沿此滑移面的切应力。实验表明，只有当作用于滑移面上沿着滑移方向的分切应 力达到一定的数值时，晶体才沿着该滑移系开始滑移。开始滑移所需 的最小分切应力，称为临界分切应力，以crit表示。设如图所示一截面积为A的圆柱形金属单晶体，受到轴向拉力P的作用。横截面A上的正应力为：P在滑移面上沿滑移方向的切向分力为：滑移面的面积为：则P在滑移方向上的分切应力为 ：令
