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1、物理冶金學(xué)原理物理冶金學(xué)原理研究對(duì)象研究對(duì)象: :New MaterialsProcessing Innovations面缺陷:晶界與相界面面缺陷:晶界與相界面Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases實(shí)際金屬材料中的晶界與相界實(shí)際金屬材料中的晶界與相界 單相單晶材料:?jiǎn)蜗鄦尉Р牧希?單相多晶材料:晶界單相多晶材料:晶界 多相材料:相界面、相結(jié)構(gòu)多相材料:相界面、相結(jié)構(gòu)晶界及相界的結(jié)構(gòu)、性晶界及相界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、作用質(zhì)、作用! !材料的物理化學(xué)性能材料的物理化學(xué)性能與晶界與相界結(jié)構(gòu)與晶界與相界結(jié)構(gòu) 物理性能:電阻、磁性

2、、導(dǎo)熱性物理性能:電阻、磁性、導(dǎo)熱性 化學(xué)性能:耐蝕性、化學(xué)性能:耐蝕性、 室溫及高溫力學(xué)性能:強(qiáng)度、塑室溫及高溫力學(xué)性能:強(qiáng)度、塑性、韌性、裂紋擴(kuò)展、氧化性能性、韌性、裂紋擴(kuò)展、氧化性能 工藝性能:冷變形、熱變形、焊工藝性能:冷變形、熱變形、焊接、熱處理、機(jī)械加工、接、熱處理、機(jī)械加工、晶界的描述晶界的描述: 5個(gè)自由度個(gè)自由度小角度晶小角度晶界界Low Angle Grain Boundaries對(duì)稱(chēng)傾側(cè)小角度晶界對(duì)稱(chēng)傾側(cè)小角度晶界由刃位錯(cuò)墻組成由刃位錯(cuò)墻組成Symmetric Tilt Small Angle Grain BoundariesEgb=Ee/D = Eeq/b =Gbq q

3、 /4p(1-n)ln(D/ro) q=b/DDEgb=Ee/D = Eeq q/b =Gbq q /4p p(1-n)ln(D/ro) 對(duì)稱(chēng)傾側(cè)小角晶界對(duì)稱(chēng)傾側(cè)小角晶界HREM照片照片 (高分辨透射電子顯微照片)(高分辨透射電子顯微照片)扭轉(zhuǎn)小角度晶界:扭轉(zhuǎn)小角度晶界:由兩列柏氏矢量由兩列柏氏矢量互相垂直的螺位錯(cuò)組成互相垂直的螺位錯(cuò)組成(螺位錯(cuò)網(wǎng))(螺位錯(cuò)網(wǎng))Twist Small Angle Grain Boundaries大角度晶界大角度晶界High Angle Grain Boundaries重合位置點(diǎn)陣CSL Lattice晶界的性質(zhì)重合位置點(diǎn)陣與大角度晶界重合位置點(diǎn)陣與大角度晶界C

4、oincidence Site Lattice and Large Angle Grain Boundaries大角度晶界HREM像(CSL)晶界與晶粒取向差的關(guān)系晶界與晶粒取向差的關(guān)系純鋁晶界與晶粒取向差的關(guān)系純鋁晶界與晶粒取向差的關(guān)系計(jì)算值計(jì)算值 實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值晶界強(qiáng)化晶界強(qiáng)化Grain Boundary StrengtheningHall-Petch公式:公式: ts= t to o + kd-1/2 ss= s so o + kd-1/2晶界前位錯(cuò)塞積群數(shù)目 n (t-tt-to o)d/(bG)領(lǐng)先位錯(cuò)處的應(yīng)力場(chǎng) t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2

5、d/(bG)在相鄰晶粒位錯(cuò)源S2處的分切應(yīng)力t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG)當(dāng)t(r) t t*時(shí), (t*為位錯(cuò)源S2開(kāi)動(dòng)的臨界應(yīng)力),S2開(kāi)動(dòng),相鄰晶粒發(fā)生塑性變形,即材料整體開(kāi)始屈服,此時(shí)的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(bG) t t* ts = t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2) Hall-Petch公式:公式: ts= t to o + kd(-1/2)S1nS2t tr晶界前位錯(cuò)塞積群數(shù)目 n (t-tt-to o)d/(bG)領(lǐng)先位錯(cuò)

6、處的應(yīng)力場(chǎng) t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2d/(bG)在相鄰晶粒位錯(cuò)源S2處的分切應(yīng)力 t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG)當(dāng)t(r) t t*時(shí),(t*為位錯(cuò)源S2開(kāi)動(dòng)的臨界應(yīng)力),S2開(kāi)動(dòng),相鄰晶粒發(fā)生塑性變形,即材料整體開(kāi)始屈服,此時(shí)的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(bG) t t* ts= t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2)= t to o + kd(-1/2)晶界的性質(zhì):晶界的高能量晶界的性質(zhì):晶界的高

7、能量 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不可逾越的障礙:位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不可逾越的障礙:Hall-Petch關(guān)系、細(xì)化關(guān)系、細(xì)化晶粒同時(shí)提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法;晶粒同時(shí)提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法; 原子擴(kuò)散的快速通道:原子擴(kuò)散的快速通道: 固態(tài)相變形核之場(chǎng)所:固態(tài)相變形核之場(chǎng)所: 溶質(zhì)原子平衡偏聚的場(chǎng)所:溶質(zhì)原子平衡偏聚的場(chǎng)所:晶界偏聚對(duì)材料物理、晶界偏聚對(duì)材料物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響?;瘜W(xué)、力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。 降低晶界能:降低晶界能: 晶界結(jié)合力提高:晶界結(jié)合力提高: 晶界結(jié)合力降低或變脆:晶界結(jié)合力降低或變脆: 腐蝕、氧化、熔化等自晶界

8、開(kāi)始:腐蝕、氧化、熔化等自晶界開(kāi)始: 高溫變形之薄弱環(huán)節(jié):晶界滑動(dòng)、晶界遷移高溫變形之薄弱環(huán)節(jié):晶界滑動(dòng)、晶界遷移 晶粒易長(zhǎng)大晶粒易長(zhǎng)大晶界的運(yùn)動(dòng)(遷移)晶界的運(yùn)動(dòng)(遷移)Migration of Grain Boundaries晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力相鄰晶粒內(nèi)能差相鄰晶粒內(nèi)能差 晶界自由能差:晶界自由能差:小晶??s小消失、大晶小晶??s小消失、大晶粒長(zhǎng)大粒長(zhǎng)大 應(yīng)變能差:應(yīng)變能差:高應(yīng)變晶??s小消失、低應(yīng)變晶高應(yīng)變晶??s小消失、低應(yīng)變晶粒長(zhǎng)大粒長(zhǎng)大 ss表面自由能:表面自由能:表面曲率引起的晶粒內(nèi)部附加壓力表面曲率引起的晶粒內(nèi)部附加壓力2s2s sin(dq q/2) = D DP

9、R dq q D DP = s s/R由于表面自由能的由于表面自由能的驅(qū)動(dòng):驅(qū)動(dòng):小晶粒小晶粒縮小、大晶??s小、大晶粒長(zhǎng)大長(zhǎng)大正曲率晶??s小、負(fù)曲率晶粒長(zhǎng)大正曲率晶??s小、負(fù)曲率晶粒長(zhǎng)大小晶??s小、大晶粒長(zhǎng)大小晶??s小、大晶粒長(zhǎng)大(馬太效應(yīng))(馬太效應(yīng))影響晶界遷移運(yùn)動(dòng)的因素影響晶界遷移運(yùn)動(dòng)的因素 溫度溫度: D=Doexp(-Q/kT) 晶界能晶界能: 小角度晶界、低能晶界小角度晶界、低能晶界 晶粒內(nèi)晶體缺陷密度及均勻性:晶粒內(nèi)晶體缺陷密度及均勻性: 晶界元素偏析情況晶界元素偏析情況 晶界第二相:晶界第二相: 晶界結(jié)構(gòu)(鋸齒狀晶界、彎曲晶界等)晶界結(jié)構(gòu)(鋸齒狀晶界、彎曲晶界等) 晶體性質(zhì)(晶

10、體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、原子間結(jié)晶體性質(zhì)(晶體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、原子間結(jié)合力、層錯(cuò)能等)合力、層錯(cuò)能等)相界面相界面Interfaces between Phases共格界面共格界面Coherent Interface形成條件形成條件:1)兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近2)某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近b ba a共格界面共格界面Coherent Interface 特點(diǎn):特點(diǎn):界面能很低界面能很低!但應(yīng)變能較高!但應(yīng)變能較高!a ab b孿晶界:一種理想的共格界面孿晶界:一種理想的共格界面 無(wú)應(yīng)變能、界面能即層錯(cuò)能無(wú)應(yīng)變能、界面能即

11、層錯(cuò)能沉淀強(qiáng)化:位錯(cuò)切割粒子沉淀強(qiáng)化:位錯(cuò)切割粒子Precipitation Strengthening: Particle-Cutting 強(qiáng)化效果取決于粒子的本性!強(qiáng)化效果取決于粒子的本性!沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles由于其極低的界面由于其極低的界面能,利用能,利用共格粒子共格粒子沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化是強(qiáng)化高高溫結(jié)構(gòu)材料溫結(jié)構(gòu)材料的主要的主要途徑之一:例如途徑之一:例如鎳基高溫合金鎳

12、基高溫合金 g g (Ni3Al)/g-g-Ni非共格界面非共格界面Non-Coherent Interface特點(diǎn):特點(diǎn):界面能很高!應(yīng)變能很低!界面能很高!應(yīng)變能很低!彌散強(qiáng)化:彌散強(qiáng)化:位錯(cuò)繞過(guò)粒子位錯(cuò)繞過(guò)粒子Dispersion Hardening: Particle-bypassing強(qiáng)化效果只取決于粒子的尺寸強(qiáng)化效果只取決于粒子的尺寸d(粒子間距)!與粒子本性無(wú)關(guān)?。W娱g距)!與粒子本性無(wú)關(guān)!t = Gb2/2RDispersion StrengtheningParticle Size (d)Yield Strength (t)沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)

13、化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系:Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles半共格界面半共格界面Semi-coherent Interface特點(diǎn):特點(diǎn):介于共格與非共格之間界面之間!介于共格與非共格之間界面之間!第二相界面結(jié)構(gòu)與相生長(zhǎng)形態(tài)第二相界面結(jié)構(gòu)與相生長(zhǎng)形態(tài) 界面共格:界面能很低、應(yīng)變能很高界面共格:界面能很低、應(yīng)變能很高 碟狀、片狀、針狀:碟狀、片狀、針狀:比表面積最大、比表面積最大、應(yīng)變能最低!應(yīng)變能最低! 界面非共格:界面能很高、應(yīng)變能很低界面非共格:界面能很高、應(yīng)變能很低

14、 球狀:球狀:比表面積最小,比表面積最小,表面能最低!表面能最低! 半共格界面:界與上述兩者之間半共格界面:界與上述兩者之間潤(rùn)濕性(界面結(jié)構(gòu))潤(rùn)濕性(界面結(jié)構(gòu))與第二相生長(zhǎng)形態(tài)與第二相生長(zhǎng)形態(tài) 非共格 ? 共格提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法(高溫金屬材料強(qiáng)化方法)(高溫金屬材料強(qiáng)化方法)高溫變形高溫變形: 晶界遷移、晶界滑動(dòng)晶界遷移、晶界滑動(dòng)蠕變?nèi)渥?Creep) 提高金屬材料高溫強(qiáng)提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法(高溫金屬度的方法(高溫金屬材料強(qiáng)化方法)材料強(qiáng)化方法)降低原子擴(kuò)散速率降低原子擴(kuò)散速率阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與交滑移阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與交滑移阻礙晶界滑移與遷移阻礙晶界滑移與遷移阻

15、礙晶粒長(zhǎng)大阻礙晶粒長(zhǎng)大Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet EngineTurbofan GP7000 for Airbus 380Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法提高金屬材料高溫強(qiáng)度的方法 基體材料:基體材料: 高熔點(diǎn)金屬高熔點(diǎn)金屬; 高原子間結(jié)合力材料高原子間結(jié)合力材料 (金屬間化合物等金屬間化合物等): 致密的晶體結(jié)構(gòu)致密的晶體結(jié)構(gòu)(FCC、HCP、TCP)、低的層錯(cuò)能、低的層錯(cuò)能 合金元素:合金元素:

16、加入高熔點(diǎn)、難擴(kuò)散合金元素固溶強(qiáng)化加入高熔點(diǎn)、難擴(kuò)散合金元素固溶強(qiáng)化 低界面能低界面能共格粒子共格粒子沉淀強(qiáng)化(粒子長(zhǎng)大區(qū)動(dòng)力小)沉淀強(qiáng)化(粒子長(zhǎng)大區(qū)動(dòng)力?。?高穩(wěn)定性粒子彌散強(qiáng)化:高穩(wěn)定性粒子彌散強(qiáng)化:ODS 晶界強(qiáng)化:晶界強(qiáng)化: 阻止晶界滑動(dòng):晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶阻止晶界滑動(dòng):晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶界、彎曲晶界等界、彎曲晶界等 微合金化降低晶界能(填充晶界空位):降低晶界移動(dòng)性、微合金化降低晶界能(填充晶界空位):降低晶界移動(dòng)性、阻止晶界遷移阻止晶界遷移 減少晶界減少晶界(粗晶粒粗晶粒); 消除橫向晶界:定向凝固柱狀晶合金消除橫向晶界:定向凝固柱狀晶合金 消除全部晶界:?jiǎn)尉Ш辖鹣烤Ы纾簡(jiǎn)尉Ш辖鹩捎谄錁O低的界面由于其極低的界面能,利用能,利用共格粒子共格粒子沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化是強(qiáng)化高高溫結(jié)構(gòu)材料溫結(jié)構(gòu)材料的主要的主要途徑之一:例如途徑之一:例如鎳基高溫合金鎳基高溫合金 g g (Ni3Al)/g-g-Ni高穩(wěn)定粒子彌散強(qiáng)化:高穩(wěn)定粒子彌散強(qiáng)化: ODS高溫合金高溫合金晶界晶界高溫變形簿弱環(huán)節(jié)!高溫變形簿弱環(huán)節(jié)!晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng) 晶界遷移晶界遷移TTcs晶界

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