工程材料之金屬形變理論基礎
註：內容參考至東北大學機械學院何雪浤老師課件
一、金屬的晶體結構
塑性變形或破壞均沿著某一特定的面或方向，可知結晶構造和材料強度之間有著密切的關系。
1.基本概念
（1）晶體與非晶體
晶體是組成物質的原子、離子和分子有規則排列
非晶體是組成物體的原子、離子和分子無規則地堆積在一起
理想晶體：質點嚴格按照空間點陣排列
實際晶體：存在著各種各樣的結構的不完整性
（2）空間點陣
定義：將晶體中質點排列情況抽象為有規則地排列與空間的幾何點，即空間點陣，
表達：
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幾何量：棱邊長、晶軸夾角、點陣矢量
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點陣常數：晶胞中每條棱邊的長度即為點陣常數，或稱晶格常數。
（3）晶胞
空間點陣中選擇一個小的平行四邊形作為基本單元，成為晶胞或晶格。
（4）晶系
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（5）布萊菲點陣
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?
（6）晶向和晶向指數
定義：晶體中由物質質點所連城的直線
標定：Miller指數——晶向指數
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晶向族：因對稱關系而等同的各組晶向可歸為一個晶向族，例如對於立方晶系如下圖
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圖中，OA、OB、OC方向的晶向可表示為?，由於這幾個方向的性質一致，故都可以用<100>來表示。
（7）晶面和晶面指數
定義：晶體中由物質質點所組成的平面
標定：Miller指數——晶面指數，即
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晶面族：當晶面上的原子排列情況和面間距等相同，可歸為一個晶面族。
?
如圖中，<100>,<110>,<111>等皆為晶面族。
2.典型的晶體結構
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體心立方結構 |
面心立方結構 |
密排六方結構 |
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簡寫 |
Bcc |
fcc |
Hcp |
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晶胞模型 |
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晶胞原子數 |
2 |
4 |
6 |
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點陣常數 |
a=(2/√3) |
a=√2 |
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配位數 |
8 |
12 |
12 |
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致密度 |
0.68 |
0.74 |
0.74 |
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間隙 |
八面體間隙3個 四面體間隙6個 |
八面體間隙4個 四面體間隙8個 |
八面體間隙4個 四面體間歇8個 |
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最密排面 |
{110} |
{111} |
{0001} |
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最密排方向 |
<111> |
<110> |
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代表金屬 |
a-Fe,V,Cr,Mo,W等 |
r-Fe,Cu,Ag,Au,Pt等 |
Zn、Cd、α—Ti等
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3.各向異性
定義：沿晶格不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性不同。
但工業使用的金屬材料，一般不具有各向異性的特征。
4.晶體的原子堆垛方式和間隙
（1）晶體中原子堆垛方式
最緊密堆積原理：晶體中各離子間的相互結合，可以看作是球體的堆積，球體堆積的密度越大，系統的勢能越低，晶體越穩定。
金屬晶體中原子是以緊密堆積的形式存在的。在一層中，最緊密的堆積方式，是一個球與周圍六個球相切，在中心周圍形成6個凹位，如下圖，ABCA,ABAB。
（2）晶體中原子間的間隙
空隙有兩種，四面體間隙（由4個球所構成，球心連線構成一個四面體）和八面體間隙（由6個球體構成，球心連線形成一個八面體）
二、晶體缺陷
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點缺陷 |
線缺陷 |
面缺陷 |
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定義 |
零維缺陷 |
一維缺陷 |
二維缺陷 |
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形式 |
空位：在應有原子處出現了空隙 間隙原子：在晶格中間插入的原子 雜質原子：分為置換型和侵入型 |
刃型位錯：滑移區與未滑移區在滑移面上的交界線，常用表示； 螺型位錯：原子數目未變，左右不分滑移一個原子間距
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晶體表面是一種缺陷，分為晶界和相界。 （1）晶界：單相晶體不同晶粒之間的界面（主要） 1）孿晶界：兩晶體或一個晶體兩個部分沿一個公共晶面結合起來而保持鏡面對稱的位向關系。 2）平移晶界（堆垛層錯、反相疇界和結晶切變面）：堆垛順序出錯 3）晶粒間界：以任意取向關系相交接的兩晶粒間的界面 （2）相界：合金組織不同相之間的界面 1)共格相界 界面上原子同時處於兩相晶格節點上 2)部分共格相界 兩種相點陣常數不同，依靠刃型位錯保持匹配 3）非共格相界：完全沒有共格關系 |
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機理 |
自然狀態下原子處於動平衡狀態，溫度越高，原子振動越厲害，可能會擺脫原子束縛而脫離平衡位置。 Schottky缺陷：離開平衡位置的原子遷移至晶體表面的正常格點位置，而晶體內僅留有空位，晶體中形成肖特基缺陷（特點是晶體體積膨脹，密度下降） Frankel缺陷：離開平衡位置的原子進入晶格的間隙位置（特點是空位和間隙原子同時出現，晶體體積不發生變化，晶體不會因為出現空位而產生密度變化） |
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原因 |
過度族金屬元素形成化合物時可能產生空位 某些金屬發生氧化時金屬原子外遷 金屬受力塑性變形導致位錯線互相交割 高能粒子轟擊產生空位和間隙原子 |
位錯不能終止在晶體內部，但可終止在晶體表面。在內部，位錯只能以封閉環形式存在。 兩個變形程度不同的區域的分界必存在位錯； 位錯附近變形大，是晶體中內應力場的源 |
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特點 |
點缺陷處於動平衡 點缺陷重要影響是擴散 對金屬高溫下的行為有重要作用。 |
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材料行為 |
1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間歇原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）；形成其他晶體缺陷（如過飽和的空位可集中形成內部的的空洞，集中一片的塌陷形成位錯） 2.性能變化：物理性能：如電阻率增大，密度減小。力學性能：屈服強度提高（間歇原子和異類原子的存在會增加位錯的運動阻力），加快原子的擴算遷移。 |
對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等都起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程又較大的影響。 |
·簡述晶體缺陷與材料性能之間的關系
（1）點缺陷對材料性能的影響
晶體中點缺陷的不斷無規則運動和空位與間歇原子不斷產生與復合是晶體中許多物理過程如擴散、相變等過程的基礎。空位是金屬晶體結構中故有的點缺陷，空位會與原子交換位置造成原子的熱激活運輸，空位的遷移直接影響原子的熱運輸，從而影響材料的電、熱、磁等工程性能。晶體中點卻像存在一方面造成點陣畸變，使晶體內能升高，增加了晶體熱力學不穩定性，另一方面增大了原子排列的混亂程度，改變了周圍原子的振動頻率。使熵值增大，使晶體穩定。在一般情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質，如比容、比熱容、電阻率等。
三、滑移變形
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1.滑移系
（1）滑移：金屬在切應力作用下沿著一定的晶面和一定的晶向進行的切變過程。?
（2）滑移方向：上述滑動的晶向稱為滑移方向，在原子間隔最小的方向
（3）滑移面：上述滑移的晶面稱為滑移面，一般是原子密度最高的結晶面。面間間隔最大，對滑移的抵抗最小。
（4）滑移線：滑移變形的結果是在試樣表面出現滑移線。
（5）很少的滑移系標誌著晶體極端的取向性和很差的塑性，眾多的滑移系標誌優良的塑性。
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2.臨界分切應力
定義：使金屬晶體產生滑移所需要的分切應力，稱為臨界分切應力，也成理論切變強度。
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