材料微观结构第四章晶体中的位错与层错4

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1、4.4.2金属与合金强化的位错机制通过各种冷、热加工处理和化学处理以及合金化等途径，改变合金的组织结构，为位错的运动设置障碍，降低位错的活动性，以达到强化的目的。固溶强化、弥散强化、晶界强化1固溶强化―富勒谢(Fleischer)理论如图4-20，设滑移面上溶质原子任意分布，位错运动将遇到途中溶质原子的阻碍而弯曲。这种阻力因外力增大而增大，位错也愈弯曲。设位错所遇阻力最大值fmax，外力超过它时，将冲破溶质原子的阻碍而向前运动。此时所对应的切应力叫做临界分切应力τc。b:柏氏矢量的大小；l：位错在运动过程中遇到障碍的平均距离。根据位错基

2、本理论，引入位错线张力T，溶质原子的平均线尺寸a和溶质原子的浓度c，经过简单计算可以得到平均间距l。然后可以求得临界分切应力。不同学者对上述过程的后期处理略在差异，从而也得到过τcc2/3的关系，其结果更接近实验。讨论：(1)位错与溶质原子相互作用力fmax来源于：基体原子和溶质原子大小不同引起的错配度。不同溶质原子浓度c引起的弹性模量变化。(2)在富勒谢模型基础上进一步研究表明，要获得最佳固溶强化效果可考虑：选择高弹性模量材料作为基体材料；溶质浓度尽只可能大一些，使具有或接近过饱和浓度，如淬火；还要考虑由溶质原子溶入而引起

3、的畸变类型，引起方正畸变(如C在BCC的α-Fe中)较对称畸变效果要好。2弥散强化(沉淀强化)工程实用材料大多为复相合金。除基体外，还通过各种途径引入第二相，以强化基体。通过第二相粒子的合理分布，阻碍位错的运动，同时也借助第二相与基体的共格应变强化基体。位错和第二相粒子相遇时，有两种情况。Orowan机制―位错遇到“硬”相粒子位错在“硬”粒子前面以绕过的方式进行，位错绕过粒子后在粒子周围留下位错圈。切割机制―位错遇到“软”粒子位错遇到较“软”粒子时，切过粒子并沿一定的晶体学平面将粒子剪切开。两种越过机制的选择当单根位错和一系列平均间距为

4、D的粒子列相遇时，和粒子接触处位错的受力情况如图所示。T：位错线张力；f：粒子对位错的钉扎力；θ：位错线弯曲角；x：位子直径；D：粒子平均间距。设没有第二相时位错在基体中运动所需这切应力为τm，τ为有第二相粒子阻碍时位错运动所需要的切应力，则Δτ=τ-τm为第二相阻力使位错运动需要增加的切应力，应有每个粒子能够承受的最大力，也就是f力的最大值fm，它对一定的粒子是确定值。若在位错弯曲到90度以前先到达fm，则粒子将被切过，取切割机制；若在到达fm前，位错线已经弯曲到90度，则位错将绕过粒子，取Orowan机制。第四章晶体中的位错与层错4

5、.4.2金属与合金强化的位错机制3.细晶强化大量试验结果指出，多晶体的加工硬化速率和屈服应力比单晶体高得多，且屈服应力随晶粒尺寸减小而增高．这与多晶体的总晶界表面积高于单晶体这一事实直接相关．设有边长为a的立方盒子，若只填充一个半径为a/2的球，其表面积为4π(a/2)2=πa2．若填充８个半径为a/4的球，其表面积将增加到8*4π(a/4)2=2πa2，增加了一倍．将填充的小球类比做晶粒,表面积增加意味着什么呢?第四章晶体中的位错与层错细化晶粒可以提高金属的强度，其原因在于晶界对位错滑移的阻滞效应．当位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧

6、晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒．此外要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高．晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高，已有大量的实验和理论研究工作证实了这一点．3.细晶强化第四章晶体中的位错与层错霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式如图，设左右两个取向不同的晶粒，其界面处有一个台阶，也可以是其它可以作为位错源的界面缺陷，在应力作用下，台阶向右晶粒发射一根位错．

7、设单位晶界面积上的位错总长度为s，若晶界全部位错均释放到晶粒中去，使晶内位错密度达到ρ．假设晶粒为圆球形，直径为a，则每个晶粒的表面积为4π(a/2)2=πa2，故释放位错总长度为πsa2．但是每个晶界属于两个晶粒，故对一个晶粒来说只有（πsa2）／２．由此得到单位体积中位错线的长度（位错密度）为：图晶体作为位错源向相邻晶粒发射位错第四章晶体中的位错与层错这就是著名的霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式．对一定金属在给定的温度和应变速率下，α，Ｇ，s，k均为常数从大量金属的实测结果，得到流变应力τ和位错密度ρ的关系：τ０为位错密度极

8、低时的初始屈服应力；Ｇ为切变弹性模量；α为一常数，约等于0.5；b为位错柏氏矢量长度．第四章晶体中的位错与层错大多数金属材料都很好地遵从Hall-Petch关系式该公式解释加工硬化材料的屈服应力随位错密度的