1、1第五章第五章擴擴 散散2 物質傳輸的方式： 1、對流對流-由內部壓力或密度差引起的 2、擴散擴散-由原子性運動引起的 固體中物質傳輸的方式是擴散擴散 固體中原子在熱運動下的位置轉移固體中原子在熱運動下的位置轉移第一節 固體中原子的遷移 3第一節 固體中原子的遷移 E*-激活能激活能 固體中參與反應的固體中參與反應的原子超過原子平均能量原子超過原子平均能量的附加能量，的附加能量，J/molJ/molE - 原子平均能量原子平均能量E*- 在特定溫度下的能在特定溫度下的能量量Er - 反應物的能量反應物的能量Ep - 產物的能量產物的能量一、熱激活固態反應的激活能一、熱激活固態反應的激活能4二、

2、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV = - C .E*/RTV - 固態反應速率固態反應速率C - 常數常數E* - 激活能激活能R - 摩爾氣體常數（摩爾氣體常數（8.314J/molk）T - 反應溫度反應溫度研究溫度對反應速率的影響研究溫度對反應速率的影響大多數的固態反應都服從大多數的固態反應都服從Arrhenius速率定律速率定律lnV和和1/T 為線性關系，可以從斜率為線性關系，可以從斜率-E*/R中計算出激活能中計算出激活能E*第一節第一節 固體中原子的遷移固體中原子的遷移 5一、擴散機制一、擴散機制1.空位機制空位機制 通過原子與空位交換位置實現原子的遷移通過原子與空位

3、交換位置實現原子的遷移。空位擴散機制的條件：空位擴散機制的條件： 擴散原子的近鄰有空位，同時空位周圍的原子必須有超擴散原子的近鄰有空位，同時空位周圍的原子必須有超過能壘的自由能。過能壘的自由能。金屬的自擴散屬于空位機制擴散；金屬的自擴散屬于空位機制擴散；置換固溶體中的擴散（置換固溶體中的擴散（Cu/Ni擴散偶）屬于空位機制擴擴散偶）屬于空位機制擴散；散；金屬的熔點高其激活能也越高；金屬的熔點高其激活能也越高；原子移動方向和空位移動方向相反原子移動方向和空位移動方向相反第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 6空位機制擴散空位機制擴散7Cu/Ni擴散偶（1）8Cu/Ni擴散偶（2）910

4、一、擴散機制一、擴散機制2. 間隙機制間隙機制 間隙原子在間隙固溶體中從一個間隙位置跳到另一個間隙原子在間隙固溶體中從一個間隙位置跳到另一個間隙位置的原子的遷移過程間隙位置的原子的遷移過程。間隙擴散機制的條件：間隙擴散機制的條件： 溶原子必須具有擠開溶劑原子進入相鄰的間隙位置周圍溶原子必須具有擠開溶劑原子進入相鄰的間隙位置周圍的激活能。的激活能。鋼的滲碳（鋼的滲碳（ E*c=140kj/mol, E*c =270kj/mol ）鋼的氮化鋼的氮化間隙機構引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上間隙機構引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上的原子尺寸相比較是很小時，才會發生。的原子尺寸相比較是很

5、小時，才會發生。 第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 11間隙機制擴散12一、擴散機制一、擴散機制3. 其它擴散機制其它擴散機制 晶界擴散晶界擴散 位錯擴散位錯擴散第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 13第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 二、擴散方程二、擴散方程1. 穩態擴散穩態擴散-Fick第一定律第一定律（1）模型：）模型：在垂直面相距（在垂直面相距（X X2 2-X-X1 1) )的兩平行原子面的兩平行原子面之間的擴散，經過時間之間的擴散，經過時間t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1處的溶質處的溶質原子濃度分別為原子濃度分別為C1C1和和C

6、2,C2,并不隨時間變化。并不隨時間變化。14第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 二、擴散方程二、擴散方程1. 1. 穩態擴散穩態擴散-Fick-Fick第一定律第一定律（2 2）FickFick第一定律第一定律 J = -D dC/dxJ = -D dC/dx濃度濃度梯度（梯度（gradientgradient）= dC/dx= dC/dx（斜率（斜率（slopeslope）, , 量量綱為綱為MLML-3-3D D：擴散系數擴散系數（coefficientcoefficient），量綱為，量綱為L L2 2T T-1-1表示通過某一界面的擴散流量與垂直這個界面方向濃度表示通過某

7、一界面的擴散流量與垂直這個界面方向濃度梯度成正比，其方向與濃度降落方向一致。梯度成正比，其方向與濃度降落方向一致。負號表示原子的擴散方向與濃度梯度方向相反（濃度由負號表示原子的擴散方向與濃度梯度方向相反（濃度由低到高為正，擴散方向由高到低為負）低到高為正，擴散方向由高到低為負）15第二節第二節 固體中原子的擴散固體中原子的擴散 xJtC/二、擴散方程二、擴散方程2. 2. 非穩態擴散非穩態擴散-Fick-Fick第二定律第二定律擴散濃度在擴散過程中隨時間變化擴散濃度在擴散過程中隨時間變化(dc/dt(dc/dt0)0)對于擴散系數與時間無關的非穩態擴散，可用對于擴散系數與時間無關的非穩態擴散，

8、可用FickFick第二定律：第二定律： 如如D D為常數為常數22/xCDtC16常例：單向無限（semi-infinite），氣體偏壓固定邊界條件C = Cs at x=o，C = C0 at x= ，初始條件C = C0 at t=o誤差函數（error function）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(17一、溫度對擴散的影響一、溫度對擴散的影響D = D0exp(- E*/(RT)E*：激活激活能（能（activation energy） in J/mol, cal/mol or eV/atom，移移動動原子所需能量原子所需能量。F

9、e in-Fe：3.0 x 10-21 m2/s at 500 ， 1.8 x 10-15 m2/s at 900 。溫度越高，原子的能量越大，越容易發生遷移，溫度越高，原子的能量越大，越容易發生遷移，擴散系數越大。擴散系數越大。第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 18二、固溶體類型對擴散的影響二、固溶體類型對擴散的影響間隙固溶體的擴散激活能一般都很小間隙固溶體的擴散激活能一般都很小在獲得同樣濃度時，滲碳、滲氮比滲金屬在獲得同樣濃度時，滲碳、滲氮比滲金屬的周期短的周期短第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 19三、晶體結構對擴散的影響三、晶體結構對擴散的影響l 1. 擴散系數隨同

10、素異構轉變變化較大擴散系數隨同素異構轉變變化較大 -Fe的自擴散系數是的自擴散系數是-Fe的的240倍倍 在在527 ，氮在，氮在-Fe的自擴散系數比的自擴散系數比-Fe大大1500倍倍l 結構不同的固溶體對擴散元素的溶解結構不同的固溶體對擴散元素的溶解度是不同的，由此造成的濃度梯度不度是不同的，由此造成的濃度梯度不同，也會影響擴散速度同，也會影響擴散速度第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 2.晶體結構異向性的影響晶體結構異向性的影響 原子通過躍遷進行擴散，晶體中各晶向原子排到及其間距不同，因而不同晶向上的擴散有一定差別。 立方晶系，三個晶軸方向原子挑到情況相同，擴散系數相同 六方晶系

11、，特別是菱方結構，異向性較大，擴散的各向異性明顯20 3、晶體缺陷的影響、晶體缺陷的影響： 空位和位錯促進置換型原子的擴散，但對間隙型原子的擴散的作用尚無定淪，近來的一些研究認為，它們可能作為陷阱吸引間隙擴散原子，使它們的擴散激活能增大，減慢擴散速度。21問題C C在在-Fe-Fe中的溶解度為中的溶解度為0.02%0.02%，而，而在在-Fe-Fe的最大溶解度為的最大溶解度為2.21%2.21%，相差相差100100倍；而且倍；而且C C在在-Fe-Fe中的擴中的擴散系數比散系數比-Fe-Fe大很多，為什么在大很多，為什么在工業上還要選擇在工業上還要選擇在-Fe-Fe的固溶體的固溶體中滲碳？中

12、滲碳？ 滲碳層深度滲碳層深度 滲碳的溫度影響滲碳的溫度影響2223四、濃度對擴散的影響四、濃度對擴散的影響組元的擴散系數隨濃度的變化而變化，但組元的擴散系數隨濃度的變化而變化，但當固溶體濃度較低，或擴散濃度變化不大當固溶體濃度較低，或擴散濃度變化不大時，在求解擴散方程過程中，可以認為影時，在求解擴散方程過程中，可以認為影響不大。響不大。第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 某些金屬發生同素異轉變時擴散系數也隨之改變。24252627五、合金元素對擴散的影響五、合金元素對擴散的影響l 碳化物形成元素W、Mo、Cr等與碳的結合力較大，降低Dc-l Mn等形成碳化物能力較弱，對Dc-幾乎沒有影

13、響。l Co、Ni等非碳化物形成元素，由于溶入基本點陣而產生點陣畸變相當于減少（原子的擴散激活能，提高Dc-)。第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 28第三節第三節 影響擴散的因素影響擴散的因素 六、表面和界面對擴散的影響六、表面和界面對擴散的影響-短路擴散短路擴散291）間隙固溶體：因溶質原子較小，易于擴散，因此，晶內擴散與晶界擴散的差別不大2）置換固溶體或純金屬：原子在晶界上的擴散比晶內擴散快得多，晶界擴散晶內擴散。原因：晶界處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態，易于跳動，故晶界擴散激活能Qgb比晶內擴散激活能Qv小得多。第四節第四節 擴散熱力學分析擴散熱力學分析 原子擴散的驅動

14、力是化學位梯度，不是濃度梯度。 在一般情況下，化學位梯度與濃度梯度方向相同，故擴散向濃度降低方向進行。 在某些情況下，化學位梯度與濃度梯度方向相反時，則原子擴散向化學位減少的方向進行，原子從濃度低的地方擴散到濃度高的地方，即上坡擴散。30 如Fe-C合金與Fe-C-Si合金擴散偶的擴散，將Fe-0.4%C合金棒與Fe-0.4%-3.8%Si合金棒焊在一起，在1000長時間保溫，進行擴散退火后，碳的濃度分布如下圖所示31 原因：Si提高了碳的化學位，因而C從含Si棒向無Si棒擴散，從而降低C在含Si棒的化學位，消除了化學位梯度。32第五節 反應擴散 一、反應擴散反應擴散： 通過擴散自金屬表面向內

15、滲入某種元素時，若該擴散元素的含量超過基本金屬的溶解時，則隨著擴散的進行，在金屬表面會形成另一新相層（多為中間相），這種伴隨有新相出現的擴散過程稱反應擴散，或相變擴散。3334 由反應擴散所形成的相可參考平衡相圖進行分析。實驗結果表明，在二元合金反應擴散的滲層組織中不存在兩相混合區，只有孤立的單相區存在，而且在它們的相界面上的濃度是突變的，它對應于相圖中每個相在一定溫度下的極限溶解度，不存在兩相混合區的原因可用相平衡的熱力學來解釋。3536一、鋼的滲碳一、鋼的滲碳 滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達到高碳鋼的面滲入碳原子，使工件表面達到高

16、碳鋼的含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。低碳鋼良好的塑、韌性。補充補充 擴散的應用擴散的應用 37鋼的滲碳2 依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為到臨界溫度以上（通常為900950）按一定流）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇

17、和丙酮），并量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解使之分解, 分解產物有分解產物有CnH2n和和CnH2n+2, 在鋼在鋼的表面發生如下的反應的表面發生如下的反應CnH2n nH2 + nCCnH2n+2 (n+1)H2 + nC 從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內部擴散而進行滲碳。的內部擴散而進行滲碳。38鋼的滲碳3391.已知初始條件，已知初始條件，求求滲碳時間滲碳時間t；2. 求一定滲碳層深度下的濃度；求一定滲碳層深度下的濃度；3. 求滲碳層深度求滲碳層深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs鋼的滲碳鋼的滲碳440414

18、243第四節第四節 擴散的應用擴散的應用 此 現 象此 現 象常發生在磷元素之常發生在磷元素之擴散，當晶片表面擴散，當晶片表面之摻雜濃度高至接之摻雜濃度高至接近溶解度時，元素近溶解度時，元素擴散分佈曲線會顯擴散分佈曲線會顯示異常的行為。一示異常的行為。一系列的模擬圖顯示，系列的模擬圖顯示，在在1000oC1000oC時進行擴時進行擴散一個小時後，不散一個小時後，不同表面濃度的磷元同表面濃度的磷元素擴散後的分佈曲素擴散後的分佈曲線圖。磷元素擴散，線圖。磷元素擴散，其擴散係數大約增其擴散係數大約增加了兩個數量級。加了兩個數量級。 二、半導體擴散參雜二、半導體擴散參雜44第六章 材料的塑性變形納米銅

19、的室溫超塑性45第一節 金屬變形概述彈性變形塑性變形斷裂彈性變形塑性變形斷裂46第一節 金屬變形概述彈性變形彈性變形：變形可逆；變形可逆；應力應變呈應力應變呈線性關系。線性關系。彈性模量彈性模量：原子間結合原子間結合力的反映和力的反映和度量。度量。47第二節 單晶體的塑性變形 常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。一一 滑移滑移 1 1 滑移：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另滑移：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產生相對位移，且不破壞晶體內部

20、原子排列規律性的塑產生相對位移，且不破壞晶體內部原子排列規律性的塑變方式。變方式。 光鏡下：滑移帶（無重現性）。光鏡下：滑移帶（無重現性）。 2 2 滑移的表象學滑移的表象學 電境下：滑移線。電境下：滑移線。48第二節 單晶體的塑性變形 一一 滑移滑移 光鏡下：滑移帶（無重現性）。光鏡下：滑移帶（無重現性）。 2 2 滑移的表象學滑移的表象學 電境下：滑移線。電境下：滑移線。49第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學滑移的晶體學 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）幾何要素）幾何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 50第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學

21、滑移的晶體學 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。 滑移系的個數滑移系的個數:(:(滑移面個數）滑移面個數）（每個面上所具有（每個面上所具有的滑移方向的個數）的滑移方向的個數）51第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學滑移的晶體學 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。 滑移系的個數滑移系的個數:(:(滑移面個數）滑移面個數）（每個面上所具有（每個面上所具有的滑移方向的個數）的滑移方向的個數）晶體結構滑移面滑移方向滑移系數目常

22、見金屬面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo體心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方52第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學滑移的晶體學 （2 2）滑移系）滑移系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；滑移系數目與材料塑性的關系：滑移系數目與材料塑性的關系： 與滑移面密排程度和滑移方與滑移面密排程度和滑移方 向個數有關；向個數有關； 與同時開動滑移系數目有與同時開動滑移系數目有 關（關（ c c）。）。晶體結構滑移面滑移方向滑移系數目常見金屬

23、面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo體心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方53第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學滑移的晶體學 （3 3）滑移的臨界分切應力（）滑移的臨界分切應力（ c c） c c：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。 外力在滑移方向上的分解。外力在滑移方向上的分解。 c c s scoscos coscos 54第二節 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學滑移的晶體學 （3 3

24、）滑移的臨界分切應力（）滑移的臨界分切應力（ c c） c c取決于金屬的本性，不受取決于金屬的本性，不受 ， 的影響；的影響； 或或 9090 時，時， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 時，時， s s最小，晶體易滑移；最小，晶體易滑移； 軟取向：值大；軟取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。 55第二節 單晶體的塑性變形 4 4 滑移時晶體的轉動滑移時晶體的轉動 （1 1）位向和晶面的變化）位向和晶面的變化 拉伸時拉伸時, ,滑移面和滑移方向趨于滑移面和滑移方向趨于 平行于力軸方向平

25、行于力軸方向 壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：幾何硬化： ， 遠離遠離4545 ，滑移變得困難，滑移變得困難；（2 2）取向因子的變化）取向因子的變化 幾何軟化；幾何軟化； ， 接近接近4545 ，滑移變得容易，滑移變得容易。56第二節 單晶體的塑性變形 5 5 多滑移多滑移 （1）滑移的分類）滑移的分類 多滑移：在多個（多滑移：在多個（22）滑移系上同時或交替進行的滑移。）滑移系上同時或交替進行的滑移。 雙滑移：雙滑移： 單滑移：單滑移： （2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾

26、角分別相等的一組滑移系。夾角分別相等的一組滑移系。57第二節 單晶體的塑性變形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一）交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。滑移方向進行的滑移。 （2）機制）機制 螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉移到與之相螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉移到與之相交的另一滑移面的過程；交的另一滑移面的過程； 螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉回到原螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉回到原滑移面的過程。滑移面的過程。58第二節 單晶體的塑性變形 7 滑移的表面痕跡滑移的表面痕跡 單滑移：單一方向的滑移帶

27、；單滑移：單一方向的滑移帶； 多滑移：相互交叉的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶； 交滑移：波紋狀的滑移帶。交滑移：波紋狀的滑移帶。59第二節 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 （1 1）孿生：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分）孿生：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱沿一定的晶面和晶向發生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關系。關系。 孿生面孿生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孿生的晶體學）孿生的晶體學 孿生方向孿生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孿晶區孿晶區 60

28、第二節 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 （3）孿生變形的特點滑移孿生相同點1均勻切變；2 沿一定的晶面、晶向進行；不改變結構。不同點晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現性）。改變，形成鏡面對稱關系（對拋光面觀察有重現性）位移量滑移方向上原子間距的整數倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應力遠高于滑移變形條件一般先發生滑移滑移困難時發生變形機制全位錯運動的結果分位錯運動的結果2h61第三節 多晶體的塑性變形1 1 晶粒之間變形的傳播晶粒之間變形的傳播 位錯在晶界塞積位錯在晶界塞積 應力集中應力集中 相鄰晶

29、粒位錯源開動相鄰晶粒位錯源開動 相相鄰晶粒變形鄰晶粒變形 塑變塑變 2 2 晶粒之間變形的協調性晶粒之間變形的協調性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導）要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導致晶體分裂）致晶體分裂） （3 3）條件：獨立滑移系）條件：獨立滑移系 5 5個。（保證晶粒形狀的自由變個。（保證晶粒形狀的自由變化）化） 多晶體由許多晶粒組成，各個晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復雜。 多晶體由許多晶粒組成，各個晶粒位向不同，多晶體由許多晶粒組成，各個晶粒位向不同，且存在許多晶

30、界，變形復雜。且存在許多晶界，變形復雜。62第三節 多晶體的塑性變形3 3 晶界對變形的阻礙作用晶界對變形的阻礙作用 （1 1）晶界的特點：原子排列不規則；分布有大量缺陷。）晶界的特點：原子排列不規則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對變形的影響）晶界對變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極少穿極少穿過。過。 （3 3）晶粒大小與性能的關系）晶粒大小與性能的關系 a a 晶粒越細，強度越高晶粒越細，強度越高( (細晶強化細晶強化：由下列霍爾配奇公式：由下列霍爾配奇公式可知可知) ) s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運

31、動的阻力越大。（有原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）尺寸限制）63第三節 多晶體的塑性變形 b b 晶粒越細，塑韌性提高晶粒越細，塑韌性提高晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中 導致導致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現出的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現出高高塑性塑性。細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易萌生；細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量能量, ,表現出表現出高韌性高韌性。64第四節 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固

32、溶體的塑性變形 1 1 固溶體的結構固溶體的結構 2 2 固溶強化固溶強化 （1 1）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現象。度提高而塑性、韌性下降的現象。 晶格畸變，阻礙位錯運動；晶格畸變，阻礙位錯運動； （2 2）強化機制）強化機制 柯氏氣團強化。柯氏氣團強化。65第四節 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強化固溶強化 （3 3）屈服和應變時效）屈服和應變時效 現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。 預變形和時效的影響：預變形和時

33、效的影響：去載后立即加載不出現屈服現象；去載后立即加載不出現屈服現象；去載后放置一段時間或去載后放置一段時間或200200加熱后再加載出現屈服。加熱后再加載出現屈服。(why?) 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。66第四節 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強化固溶強化 （4）固溶強化的影響因素）固溶強化的影響因素 溶質原子含量越多，強化效果越好；溶質原子含量越多，強化效果越好； 溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好；價電子數差越大，強化效果越好；價電子數差越大，強化效果越好；

34、 間隙式溶質原子的強化效果高于置換式溶質原子。間隙式溶質原子的強化效果高于置換式溶質原子。67第四節 合金的塑性變形二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 1 1 結構：基體第二相。結構：基體第二相。 2 2 性能性能 （1）兩相性能接近：按強度分數相加計算。）兩相性能接近：按強度分數相加計算。 （2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 第二相網狀分布于晶界（二次滲碳體）；第二相網狀分布于晶界（二次滲碳體）； a a結構結構 兩相呈層片狀分布（珠光體）；兩相呈層片狀分布（珠光體）； 第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。68第四節 合金的塑性變形二二 多相合金的塑

35、性變形多相合金的塑性變形 2 2 性能性能 （2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 彌散強化：位錯繞過第二相粒子彌散強化：位錯繞過第二相粒子( (粒子、位粒子、位錯環阻礙位錯運動錯環阻礙位錯運動) )b b強化強化 沉淀強化：位錯切過第二相粒子（表面能、沉淀強化：位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）錯排能、粒子阻礙位錯運動）第五節 塑性變形對材料組織和塑性變形對材料組織和性能的影響性能的影響 6970一、塑性變形對材料組織和性能的影響一、塑性變形對材料組織和性能的影響 1.1.金屬組織的變化金屬組織的變化（1 1）晶粒發生變形）晶粒發生變形 晶粒沿形變方向被拉長或壓扁；晶粒沿形

36、變方向被拉長或壓扁；變形量很大時變形量很大時, , 晶粒變成細條狀晶粒變成細條狀( (拉伸時拉伸時), ), 金屬中的夾雜物金屬中的夾雜物也被拉長也被拉長, , 形成形成纖維組織纖維組織。變形前變形前變形后變形后71塑性變形中的組織變化75變形變形細條狀纖維細條狀纖維組織組織50變形變形拉長或壓拉長或壓扁的晶粒扁的晶粒25變形變形滑移線滑移線未變形未變形原始晶粒原始晶粒7273（2 2）亞結構形成）亞結構形成 金屬經大的塑性變形時金屬經大的塑性變形時, , 位錯密度增大位錯密度增大, , 大量位錯堆積大量位錯堆積在局部地區在局部地區, , 相互纏結相互纏結, , 形成形成位錯胞（大量位錯纏結在

37、位錯胞（大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。）胞壁，胞內位錯密度低。）形成不均勻的分布形成不均勻的分布, , 使晶粒使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊分化成許多位向略有不同的小晶塊, , 產生產生亞晶粒亞晶粒。 金屬經變形后的亞結構金屬經變形后的亞結構74 （3 3）變形織構）變形織構 金屬原本是偽各向同性，但金屬塑性變形到一定程金屬原本是偽各向同性，但金屬塑性變形到一定程度時度時, , 由于晶粒發生轉動由于晶粒發生轉動, , 使各晶粒的位向趨近于一使各晶粒的位向趨近于一致致, ,導致各向異性的產生，這種有序化的結構叫做導致各向異性的產生，這種有序化的結構叫做變形變形織構織構。 按照產品外形

38、，變形織構可分為：按照產品外形，變形織構可分為：絲織構和板織構絲織構和板織構75學習情境三：金屬的塑性變形對組織性能的影響學習情境三：金屬的塑性變形對組織性能的影響 3.2形變織構示意圖形變織構示意圖 絲織構絲織構 各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經大變形量冷拔后經大變形量冷拔后, , 其（其（100100）平行于拔絲方向）平行于拔絲方向; ; 板織構板織構 各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構為低碳鋼的板織構為001001（110110）。）。（2 2）織構）織構絕大部分晶粒的某一位向與外力方向

39、趨于一致，性能出現各向異性。晶粒拉長，但未出現織構。晶粒拉長，且出現織構。77學習情境三：金屬的塑性變形對組織性能的影響學習情境三：金屬的塑性變形對組織性能的影響 3.278第五節 塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 二二 對性能的影響對性能的影響 1 1 對力學性能的影響（加工硬化）對力學性能的影響（加工硬化） （1 1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象。加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象。 79第五節 塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的

40、影響 二二 對性能的影響對性能的影響 1 1 對力學性能的影響（加工硬化）對力學性能的影響（加工硬化） 強化金屬的重要途徑；強化金屬的重要途徑； 利利 提高材料使用安全性（）；提高材料使用安全性（）； （2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保證。材料加工成型的保證。 弊弊 變形阻力提高，動力消耗增大；變形阻力提高，動力消耗增大； 脆斷危險性提高。脆斷危險性提高。 80第五節 塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 二二 對性能的影響對性能的影響 2 2 對物理、化學性能的影響對物理、化學性能的影響 導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降；導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降；

41、 結構缺陷增多，擴散加快；結構缺陷增多，擴散加快； 化學活性提高，腐蝕加快。化學活性提高，腐蝕加快。81第五節 塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 三三 殘余應力（約占變形功的殘余應力（約占變形功的1010） 第一類殘余應力（第一類殘余應力（ ）：宏觀內應力，由整個物）：宏觀內應力，由整個物 體變形不均勻引起。體變形不均勻引起。 1 1 分類分類 第二類殘余應力（第二類殘余應力（ ）：微觀內應力，由晶粒變）：微觀內應力，由晶粒變 形不均勻引起。形不均勻引起。 第三類殘余應力（第三類殘余應力（ ）：點陣畸變，由位錯、空）：點陣畸變，由位錯、空 位等引起。位等引起。80-

42、90%80-90%。 利：預應力處理，如汽車板簧的生產。利：預應力處理，如汽車板簧的生產。 2 2 利弊利弊 弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。 3 3 消除：去應力退火。消除：去應力退火。 82第七章 金屬的回復與再結晶1. 形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化2. 回復 3. 再結晶 4. 晶粒長大 5. 金屬的熱加工 83第一節第一節 冷變形金屬在加熱時的冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化組織與性能變化 一 回復與再結晶 回復：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化，但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。 再結晶：冷變形

43、金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消除的過程。 回復 再結晶 晶粒長大84第一節第一節 冷變形金屬在加熱時的冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化組織與性能變化 二 顯微組織變化（示意圖） 回復階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化； 再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變為新的無畸變的等軸晶粒。 晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩定的形狀和尺寸。 回復 再結晶 晶粒長大顯微組織變化86第一節第一節 冷變形金屬在加熱時的冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化組織與性能變化 三三 性能變化性能變化 1 1 力學性能（示意圖）力學性

44、能（示意圖）回復階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高。回復階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結晶階段：強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。再結晶階段：強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長大階段：強度、硬度繼續下降，塑性繼續提高，晶粒長大階段：強度、硬度繼續下降，塑性繼續提高， 粗化嚴重時下降。粗化嚴重時下降。2 2 物理性能物理性能密度：在回復階段變化不大，在再結晶階段急劇升高；密度：在回復階段變化不大，在再結晶階段急劇升高；電阻：電阻在回復階段可明顯下降。電阻：電阻在回復階段可明顯下降。88第一節第一節 冷變形金屬在加熱時的冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化組織與性能變化 四 儲

45、存能變化（示意圖） 1 儲存能：存在于冷變形金屬內部的一小部分（10）變形功。 彈性應變能（312） 2 存在形式 位錯（8090） 驅動力 點缺陷 3 儲存能的釋放：原子活動能力提高，遷移至平衡位置，儲存能得以釋放。89第一節第一節 冷變形金屬在加熱時的冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化組織與性能變化 五 內應力變化 回復階段：大部分或全部消除第一類內應力，部分消除第二、三類內應力； 再結晶階段：內應力可完全消除。第二節 回 復（Recovery） 所謂回復，即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內的變化。回復階段一般加熱溫度在0.4Tm以下。2.1 回復時組織

46、性能變化 1) 宏觀應力基本去除，微觀應力仍然殘存；2) 物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回到未變形前的水平；3) 力學性能，如硬度和流變應力，覺察不到有明顯的變化；4) 光學金相組織看不出任何變化，溫度較高發生回復，在電子顯微鏡下可見到晶粒內部組織的變化。(位錯的胞狀組織轉變為亞晶)2.2 回復機制 低溫階段低溫階段 點缺陷的遷移和減少點缺陷的遷移和減少, , 表現為表現為: :- 空空位與間隙原子的相遇而互相中和位與間隙原子的相遇而互相中和- 空位或間隙原子運動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移空位或間隙原子運動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移- 點缺陷運動到界面處消失。點缺陷運動到界

47、面處消失。中溫階段中溫階段: p 纏結位錯重新組合纏結位錯重新組合; p 異號位錯抵消異號位錯抵消, 位錯密度略有降低。位錯密度略有降低。p 亞晶粒長大。亞晶粒長大。2.2 回復機制高溫回復高溫回復1) 位錯攀移和位錯環縮小；2) 亞晶粒合并；3) 多邊化。多邊化 是指冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上的位錯，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多邊化的驅動力是彈性應變能的降低。2.3 回復動力學 冷變形材料性能的回冷變形材料性能的回復程度與回復處理的復程度與回復處理的時間和溫度有關。時間和溫度有關。回回復過程是熱激活過程，復過程是熱激活過程，轉變的速度決定于原轉變的速度決定于原子的

48、活動能力。子的活動能力。上圖中硬化分數 R 表示為：R=(m-r)/(m-0)；m、r、0分別為變形后、回復后以及完全退火后的屈服應力。其它材料性能參量的回復過程也具有類似的熱激活特征。設變形前（或完全退火態）材料的某一可測物性參量(如電阻率等)為P0，冷變形后為Pd，回復過程中其性能P和回復溫度、時間滿足如下動力學關系： 其中A為與材料類型結構有關的常數，Q為回復激活能，R為氣體常數，T發生回復溫度，t為回復進行的時間。 )exp(ln00RTQAtppppd同理，不同的溫度下，回復到相同的程度所需時間可以表示為：即ln t 1/T成線性關系。一方面可以由此測量計算它的激活能；另一方面說明熱

49、激活過程中時間和溫度的等效關系。實際上任何材料變形后都在慢慢的發生回復，室溫下無明顯變化主要是因為變化的速度很慢所致。 TRQCt1ln 去應力退火 降低應力（保持加工硬化效果） 防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。2.4 回復應用回復應用 第三節 再結晶(Recrystallization)3.1 再結晶的基本過程冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于0.4Tm)或保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產生了無畸變的新晶粒，新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯密度顯著降低，性能發生顯著變化并恢復到冷變形前的水平，這個過程稱為再結晶。再結晶的驅動力也是變形儲能的降低。p 變化前后的晶粒成分相

50、同，晶體結構并未發生變化，因此它們是屬于同一個相。p 再結晶不像相變那樣，有轉變的臨界溫度點，即沒有確定的轉變溫度。p 再結晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以發生可逆變化。p 發生再結晶的熱力學驅動力是冷塑性變形晶體的畸變能，也稱為儲存能。冷塑性變形后的發生再結晶，晶粒以形核和晶核長大來進行，但再結晶過程不是相變。原因有：3.2 再結晶形核再結晶的形核是個復雜的過程。最初人們嘗試用經典的形核理論來處理再結晶過程，但計算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗結果不符。大量實驗表明，再結晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復階段發生的多邊化是再結晶形核的必要準備。3.2.1 亞晶粒

51、長大形核機制亞晶粒長大形核一般在受大變形度的材料中發生。回復階段，塑性變形所形成的胞狀組織經多邊化發展成亞晶，其中亞晶長大形核的方式有亞晶合并和亞晶界移動兩種機制。a.亞晶合并機制相鄰亞晶界的位錯，通過滑移和攀移轉移到周圍晶界或亞晶界上，導致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴散和位置的調整，使兩個或多個亞晶粒的取向變為一致，合并成為一個大的亞晶粒，成為再結晶的晶核。b.亞晶界移動機制如上圖，晶粒中某些局部位錯密度很高的亞晶界向周邊移動，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長為再結晶晶核。3.2.2晶界凸出形核機制金屬變形是不均勻的，若晶界兩邊一個晶粒的位錯密度高，另一個位錯密度低，加熱時晶界會向密度高的

52、一側突然移動，高密度一側的原子轉移到位錯低的一側，新的排列應為無畸變區，這個區域就是再結晶核心。 和結晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲面因面積增加會增加界面能，另一方面形核區中原變形區內有應變能的釋放 。形核的臨界條件是 ：其中ES為單位體積內的應變畸變能，為界面能，a為生成前晶界的半徑。 晶界凸出形核現象在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中曾直接觀察到。 變形晶粒晶界附近的原子移動到新的變形晶粒晶界附近的原子移動到新的未變形晶粒上，從而可以減少變形應未變形晶粒上，從而可以減少變形應變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結晶完成全部為新晶粒，再結

53、晶完成。 3.3 核心的長大核心的長大3.4 形核率和長大線速率的影響因素p 變形程度提高、原始晶粒尺寸減小，材料中變形儲能提高，高能區域增多，再結晶形核率N和長大速率G增大。p 形核率和長大速率與溫度的關系滿足：N=N0exp(-QN/RT)；G=G0exp(-QG/RT)N0、G0為常數，QN、QG分別為形核和長大激活能，當變形程度為12%左右時，兩者大體相等。p 固溶于合金中的微量元素或雜質，往往聚集在點陣缺陷（空位、位錯、亞晶界）周圍，使它們難以運動，不易形成再結晶核心，降低形核率。p粗大第二相雜質粒子存在于基體中時，塑性變形后在分界面會產生局部的點陣畸變很嚴重的區域，使鄰近的第二相的

54、基體中容易形核，促使形核率增大。p極為細小的二相粒子(70%)后，可能產生明顯織構，在退火溫度高時發生晶粒的異常長大。退火溫度和時間：退火溫度和時間：退火溫度高，完成再結晶用的時間少，長大的時間就長，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結晶退火一般均采用保溫 2小時，保證再結晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時間顯然會造成晶粒尺寸的長大。 5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素3) 雜質：無論是固溶于晶體內的異類原子，還是在材料組織中存在的第二相質點，特別是彌散分布時，都將促進再結晶后的晶粒細化。4) 原始晶粒大小：在其他條件相同時，材料變形前的晶粒尺寸愈細小

55、，晶界面多，有利形核，再結晶后的晶粒也細小。5) 變形溫度：材料變形溫度較高，或再結晶退火前進行較有效的回復處理，因降低了畸變能，可使再結晶后的晶粒變粗。p 應避免在臨界變形量；p 同時一次不宜進行過大的變形，防止產生組織織構或出現晶粒的異常長大；p 嚴格控制再結晶退火的溫度和保溫時間，以保證再結晶能充分完成而晶粒不過分長大。控制方法再結晶晶粒尺寸和凝固結晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止再結晶后晶粒粗大，材料需要進行再結晶退火時：5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素5.3 其他組織變化 再結晶織構材料的冷變形程度較大，如果產生了變形織構，在再結晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優取

56、向，這時的織構稱為再結晶織構。 再結晶織構對進一步的加工不利。如沖壓再結晶銅板形成制耳。經常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質，退火孿晶有些結構的金屬及合金，再結晶退火后經常出現孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結晶孿晶。 第六節 金屬的熱加工 1.熱加工 2.熱加工的流變應力3.熱加工時的軟化機制 4.熱加工對材料組織性能的影響 6.1 何謂熱加工？何謂熱加工？p 熱加工：再結晶溫度以上的加工稱為“熱加工”。p 溫加工：低于再結晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工：室溫加工。p Sn的再結晶溫度低于室溫，因此室溫下對錫的加工即為熱加工。6.2 熱加工的流變應力熱加工所需的應力稱為流變應力

57、。塑性變形一方面產生加工硬化，進一步變形需要加大應力，另一方面在再結晶溫度以上，材料會發生再結晶軟化，可使變形應力減小，并且加工硬化程度越高，再結晶速度越快，二者達到動態平衡后，繼續變形就不需要再加大應力，也就是在這個應力作用下能一直變形，這個應力就是流變應力。流變應力的大小和材料的本質有關，由材料成分所決定的強度高，對應的流變應力必然也高。此外，還和變形溫度和變形速度有直接的關系，流變應力隨變形速率(單位時間內的變形量)加大而增加，隨變形溫度升高而下降。 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 在高溫下，塑性變形的同時，發生組織結構的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復和再結晶，由于變

58、形硬化和軟化同時發生，軟化具有自己的特點，熱加工時軟化有以下類型：1）動態回復：）動態回復：在熱加工的溫度下，材料可以進行較快回復過程。它不同于靜態回復，材料在變形的同時，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時作用可達到動態平衡，維持在某一固定的水平。 2）動態再結晶）動態再結晶：多晶材料發生塑性變形，部分區域的變形量超過臨界變形量后，以再結晶方式形核，變形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不斷的長大。由于變形在繼續進行，長大的晶粒也在變形中，一邊長大的同時，內部又因變形而增加缺陷硬化，長大前后不同，內部的缺陷密度也不同。這些在再結晶中生成長大的晶粒當變形超過一定程度會再次形核長大，如此周而復始。材料中的平均統計缺陷的密度決定于變形速率，變形速率高，平均硬化程度維持在較高的水平，材料在變形中表現出較高的流變應力。 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 3）亞動態再結晶：）亞動態再結晶：變形過程中形成的再結晶核心或長大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續