中子和同步辐射在工程材料科学中的应用

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• 印刷时间：2014年10月14日
• 开 本：16开
• 纸 张：胶版纸
• 包 装：精装
• 是否套装：否
• 国际标准书号ISBN：9787030412508

作者:(德)W.Reimers等编著出版社:科学出版社出版时间:2014年10月 

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主要包括相关领域研究院所的研究人员、大学教师和学生、工程材料产业界的研究人员 

内容简介

中子和同步辐射技术是工程材料结构分析的一对互补的物理分析方法,能够无损地
对材料表面区域和体相的微结构信息进行研究?与传统实验室的X 射线相比,利用同步
辐射和中子能使空间分辨率和可探测信息的深度增加几个量级,为新材料和复合材料微
结构的分析带来新进展,满足工程材料研究不断增长的需求?中子和同步辐射在物理学
和其他自然科学领域已应用多年?伴随着在反应堆?散裂源和电子储存环上建立的专门
的材料科学应用装置的发展,以及适用于复杂工程材料微结构研究的实验技术的发展,
中子和同步辐射的应用吸引了工作在大学?研究所和工业界的材料学家和工程师们?中
子和同步辐射在工程材料科学研究中最主要的实验技术包括衍射?小角散射和断层成像?
《中子和同步辐射在工程材料科学中的应用》的第一部分对工程材料学基础,以及中子和同步辐射的产生与特性等背景知识进行中子和同步辐射技术是工程材料结构分析的一对互补的物理分析方法,能够无损地<br />对材料表面区域和体相的微结构信息进行研究?与传统实验室的X 射线相比,利用同步<br />辐射和中子能使空间分辨率和可探测信息的深度增加几个量级,为新材料和复合材料微<br />结构的分析带来新进展,满足工程材料研究不断增长的需求?中子和同步辐射在物理学<br />和其他自然科学领域已应用多年?伴随着在反应堆?散裂源和电子储存环上建立的专门<br />的材料科学应用装置的发展,以及适用于复杂工程材料微结构研究的实验技术的发展,<br />中子和同步辐射的应用吸引了工作在大学?研究所和工业界的材料学家和工程师们?中<br />子和同步辐射在工程材料科学研究中最主要的实验技术包括衍射?小角散射和断层成像?<br />《中子和同步辐射在工程材料科学中的应用》的第一部分对工程材料学基础,以及中子和同步辐射的产生与特性等背景知识进行<br />了介绍;第二部分介绍了中子和同步辐射在工程材料研究中使用的衍射?散射和成像等<br />方法的详细信息;第三部分介绍了该领域中出现的新方法;第四部分提供了中子和同步<br />辐射在工业上应用的例子?《中子和同步辐射在工程材料科学中的应用》将会成为在工程材料科学研究领域应用中子和同步辐射<br />技术的入门参考书,将会促进学生?科研人员和工程技术人员在该研究领域的深入研究<br />和发展兴趣?

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目　　录

目 录
译者序
第一部分概 述
第1章 工程材料的显微结构和特性 3
1.1引言 3
1.2显微结构 4
1. 2.1晶体缺陷 6
1.2.2晶界f相界)和孪晶 6
1.2.3沉淀相和弥散物 7
1.3显微结构及性能 9
1.4显微结构的表征 12
参考文献 15
第2章 工程材料中的内应力 18
2.1定义 18目 录<br />译者序<br /> 第一部分概 述<br />第1章 工程材料的显微结构和特性 3<br /> 1.1引言 3<br /> 1.2显微结构 4<br /> 1. 2.1晶体缺陷 6<br /> 1.2.2晶界f相界)和孪晶 6<br /> 1.2.3沉淀相和弥散物 7<br /> 1.3显微结构及性能 9<br /> 1.4显微结构的表征 12<br /> 参考文献 15<br />第2章 工程材料中的内应力 18<br /> 2.1定义 18<br /> 2.1.1应力张量?应变张量和弹性张量 18<br /> 2.1.2定义,残余应力 20<br /> 2.2宏观和微观残余应力的产生 23<br /> 2.2.1主要成型过程中残余应力的形成 24<br /> 2.2.2热处理过程中残余应力的形成 25<br /> 2.2.3成型过程中残余应力的形成 29<br /> 2.2.4切削加工中残余应力的形成 33<br /> 2.2.5焊合过程中的残余应力 35<br /> 2.2.6涂层中残余应力的形成 39<br /> 2.3相关内容 41<br /> 2.3.1温度变化引发残余应力形成或释放导致的失效 42<br /> 2.3.2静态和动态机械加载对失效零部件上残余应力的影响 43<br /> 2.3.3腐蚀环境中残余应力对工伴失效的影响 45<br />2.3.4残余应力对耐磨性的影响 45 <br />参考文献 46<br />第3章 工程材料的织构与织构分析 50<br /> 3.1引言 50<br /> 3.2极图 52<br /> 3.3实验室尺度上的织构测量 53<br /> 3.3.1 X射线衍射 53<br /> 3.3.2电子衍射 55<br /> 3.4大型设备织构测量 56<br /> 3.4.1中子衍射 56<br /> 3.4.2同步X射线在织构分析中的应用 60<br /> 参考文献…64<br />第4章 光子和中子的物理性能 67<br /> 4.1引言 67<br /> 4.2 X射线光子和中子与单个原子的相互作用 68<br /> 4.2.1中子 68<br /> 4.2.2 X射线 70<br /> 4.3原子集群的X射线光子和中子的散射 73<br /> 参考文献 75<br />第5章 辐射源 76<br /> 5.1 中子的产生和特性 76<br /> 5.1.1引言 76<br /> 5.1.2中子的产生 76<br /> 5.1.3谱仪 80<br /> 参考文献 81<br /> 5.2同步辐射的产生和特性 81<br /> 5.2.1引言 81<br /> 5.2.2同步辐射的特性 83<br /> 5.2.3同步辐射光源 87<br /> 5.2.4展望:自由电子激光器 91<br /> 5.2.5总结 93<br /> 参考文献 93<br /> 第二部分方 法<br />第6章 用于内应力分析的衍射方法介绍 97 <br />6.1 -般性质 97<br /> 6.2衍射原理 97<br /> 6.3用衍射方法确定应变的原理 .99<br /> 6.4无应力晶面间距do的确定 101<br /> 6.5 siri2yj技术102<br /> 6.6非线性的晶格应变分布 103<br /> 6.6.1各向异性 103<br /> 6.6.2应力/应变梯度 104<br /> 6.6.3剪切应力/应变 105<br /> 6.7衍射弹性常数 106<br /> 6.7.1 DEC的计算 107<br /> 6.7.2 DEC的实验测定 107<br /> 6.8实验装置和测量步骤 108<br /> 6.8.1实验装置 108<br /> 6.8.2测量步骤 110<br /> 6.9深度和局部残余应力分析综述 111<br /> 参考文献 111<br />第7章 利用角度色散中子衍射方法分析应力 114<br /> 7.1引言 114<br /> 7.2残余应力分析衍射仪 115<br /> 7.2.1应变扫描衍射仪的布局 115<br /> 7.2.2单色器 116<br /> 7.2.3狭缝系统 116<br /> 7.2.4样品定位 117<br /> 7.2.5探测器 117<br /> 7.3测量和数据分析 118<br /> 7.3.1测试体积与样品定位 118<br /> 7.3.2数据简化和分析…120<br /> 7.4实例 122<br /> 7.4.1搅拌摩擦焊薄铝片中的残余应力分析 122<br /> 7.4.2水淬火涡轮盘中的残余应力 124<br /> 7.5总结与展望 126<br /> 参考文献 126<br />第8章利用中子能量色散衍射方法分析应力 128<br /> 8.1引言 128 <br />8.2飞行时间中子衍射 128<br /> 8.2.1飞行时间的衍射峰形状与数据分析包 129<br /> 8.3飞行时间应变扫描仪 131<br /> 8.3.1计数时间与分辨率 132<br /> 8.3.2中子光学与时间聚焦 134<br /> 8.4虚拟应变扫描实验室 135<br /> 8.5晶粒间的应力演化 137<br /> 8.6飞行时间透射分析 138<br /> 8.6.1布拉格边 139<br /> 8.6.2绘制应变图 139<br /> 8.6.3定量物相分析 140<br /> 8.6.4其他方面的应用 141<br /> 8.7小结 142<br /> 参考文献 142<br />第9章 利用高能单色X射线分析残余应力 145<br /> 9.1基本装置 145<br /> 9.2狭缝成像原理及数据重建 147<br /> 9.3锥形狭缝 148<br /> 9.3.1工作原理 148<br /> 9.3.2性能 149<br /> 9.3.3实例 150<br /> 9.4螺线形狭缝 151<br /> 9.4.1功能原理 151<br /> 9.4.2性能 152<br /> 9.4.3实例 153<br /> 9.5同时测量几个大晶粒的应变…154<br /> 9.6粗粒度效应…156<br /> 9.7面探测器获取的衍射数据分祈…157<br /> 9.8针对具体问题选择实验技术…158<br /> 参考文献…159<br />第10章 高能X射线白光分析残余应力 161<br /> 10.1反射模式 161<br /> 10.1.1原因…161<br /> 10.1.2反射几何下深度分辨能量色散X射线应力分析(XSA)的基本关系式…161<br />10.1.3实验装置…164 <br />10.1.4用能量色散衍射法分析深度方向的残余应力实例 166<br /> 10.1.5结束语和展望 69<br /> 参考文献…170<br /> 10.2透射模式 171<br /> 10.2.1原因…171<br /> 10.2.2实验装置和实验细节 171<br /> 10.2.3数据处理…175<br /> 10.2.4例子 176<br /> 10.2.5总结. 179<br /> 参考文献…179<br />第11章 微结构分析的衍射成像方法…183<br /> 11.1介绍和衍射成像的原理 183<br /> 11.2 HASYLAB光源G3束线上的MAXIM实验…183<br /> 11.3数据结构 184<br /> 11.4数据处理和可视化策略 185<br /> 11.5展望,块体成像 187<br /> 参考文献…189<br />第12章 小角散射方法基础…190<br /> 12.1小角散射装置的共同特征 190<br /> 12.2衬度…190<br /> 12.3散射曲线 191<br /> 12.4幂定律/分形系统的散射 193<br /> 12.5纪尼叶(Guinier)和波罗德(Porod)近似 193<br /> 12.6宏观微分散射截面…194<br /> 12.7尺寸分布的模型计算…195<br /> 12.8礅结构 195<br /> 参考文献…196<br />第13章 小角中子散射 198<br /> 13.1氢可逆存储的二氢化镁纳米晶体 198<br /> 13.2钢铁中的析出物 201<br /> 13.3聚合物基体中的Si02纳米颗粒——工业应用…203<br /> 13.4绿色表面活性剂 204<br /> 参考文献…205<br />第14章 Cu-Co合金的分解动力学:小角X射线散射应用 207<br /> 14.1引言 207 <br />14.2反常小角X射线散射(ASAXS)的基本原理 207<br /> 14.3表征铜钴合金分解的ASAXS实验结果 209<br /> 14.4展望…211<br /> 14.5总结…212<br /> 参考文献…212<br />第15章 B3成像 214<br /> 15.1射线投影成像 214<br /> 15 .1.1基本原理一…214<br /> 15.1.2 中子与物质的相互作用 215<br /> 15.1.3几何结构一…218<br /> 15.1.4分辨率函数 220<br /> 15.1.5图像退化…223<br /> 15.1.6其他成像技术 224<br /> 15.2断层成像 228<br /> 15.2.1数学处理方法介绍228<br /> 15.2.2切片定理和香农定理 230<br /> 15.2.3图像重建…231<br /> 15.3中子断层成像的新进展 234<br /> 参考文献…238<br />第16章 基于中子和同步辐射的成像在材料科学中的应用一一从宏观到<br /> 纳米断层成像 240<br /> 16.1引言…240<br /> 16 .1.1吸收衬度投影 240<br /> 16.1.2相位衬度投影 241<br /> 16.1.3相位增强投影 241<br /> 16.1.4直接相位衬度投影242<br /> 16.1.5非直接相位衬庋投影 242<br /> 16.2平行束断层成像 242<br /> 16.2.1数据测量和重建 243<br /> 16.2.2密度分辨率和探测器质量 244<br /> 16.2.3数据评估和可视化…245<br /> 16.3中子宏观断层成像…247<br /> 16.3.1实验装置一…247<br /> 16.3.2测量和结果 248<br />16.4基于同步辐射的显微断层成像 249 <br />16.4.1束线光学…250<br /> 16.4.2实验装置252<br /> 16.5总结和展望…254<br /> 参考文献…254<br />第17章 工程材料的微断层成像技术(IJ-CT) 257<br /> 17.1 同步辐射断层成像的优点 257<br /> 17.2应用和3D图像分析…257<br /> 17.2.1碱性电池的放电过程 257<br /> 17.2.2 Nb3Sn多丝超导线的微结构检测 260<br /> 17.2.3发泡剂在金属泡沫结构中的影响 261<br /> 17.3图像伪影 .263<br /> 17.3.1环状伪影 …263<br /> 17.3.2图像噪声…263<br /> 17.3.3边缘伪影…264<br /> 17.3.4运动伪影…264<br /> 17.3.5旋转轴的中心误差265<br /> 参考文献…265<br />第18章 衍射增强成像 268<br /> 18.1引言…268<br /> 18 .1.1理论基础…268<br /> 18.1.2消光衬度270<br /> 18.1.3 DEI的原理 270<br /> 18.2实验装置 272<br /> 18.3实例…273<br /> 18.3.1 -套完整的DEI图像 273<br /> 18.3.2材料科学274<br /> 18.3.3矿物学研究举例…274<br /> 18.4结论…275<br /> 参考文献…276<br /> 第三部分新出现的方法<br />第19章 三维X射线衍射显微术 279<br /> 19.1基本实验装置和方法 .279<br />19.1.1 3DXRD显微镜 282 <br /> 19.2晶粒指标化和平均特性表征 282<br /> 19.2.1应用I:成核和生长研究 283<br /> 19.2.2应用II:塑性形变 284<br /> 19.2.3应用III:亚晶粒和纳米晶粒材料研究…285<br /> 19.3晶粒和取向分布图…286<br /> 19.3.1模式III:无形

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第1章工程材料的显微结构和特性
Helmut Clemens, Christina Scheu
1.1弓I 言
一般来说,工程材料基本分为四个类型:金属?陶瓷?高分子聚合物和半导体? 其中半导体是典型的功能材料,而其余三种材料则可根据其应用归为结构材料或 功能材料?无论属于功能材料或结构材料,固体材料的主要特性都依赖于原子的几 何排列以及组元原子之间的化学键的类型?在工程材料中共发现三种类型的原始 化学键:共价键?离子键和金属键,它们对每种材料的主要贡献如图1.1所示?金 属及其合金具有原始的金属键;半导体材料以共价键为主,而多数陶瓷材料中,共 价键和离子键混合存在?在工程高分子聚合物中,延长的共价键烃链之间存在较弱 的次价键(范德瓦耳斯力,图1.1)?大多数情况下,化学键的类型取决于组成固体 各原子的电子结构以及能够获得稳定电子组态的原子配置?
离子键
图1.1 不同种工程材料中存在的化学键行为(参照文献[2])
共价键?离子键和金属键表示牢固的主价键,范德瓦耳斯力是较弱的次价键
工程材料的结构与其内部组元排列有关?从原子尺度上讲,结构可以理解为 原子相互间的组织关系?在晶体材料中,原子周期性地重复排列,这种排列方法被 称为是晶胞或点阵结构?例如,金属具有特别简单的晶体结构:(a)面心立方结构 (fee); (b)体心立方结构(bcc); (c)密排六方结构(hcp); (d)四面体结构?许多金属 及其合金在不同温度和成分组成下,具有一种或多种固定的晶体结构,但是,多数 情况下这四种晶体结构之间存在转变?相比之下,半导体通常以钻石结构(锗?硅) 或常见的闪锌矿(如砷化镓)结构结晶?下一个较大的结构水平等级是微观尺度,在这个尺度上,人们将大量原子的排 布看成是显微结构的组元,它们决定了材料的主要性能?工程材料的显微结构可以 通过对晶粒尺寸?存在相的类型?结构?形状和尺寸分布加以描述?此外,二维缺 陷,如晶界和多相界面;一维缺陷,如位错;以及零维缺陷,如点缺陷,它们通常 也都是决定材料特性的重要的显微结构特征?
在本绪论章节中主要介绍了工程材料中金属材料的显微结构,总结了多晶多 相材料组织结构;提出了显微结构中最重要的参数,并简要讨论了这些参数对机械 性能的影响?表1.1大致总结了原子分布?原子缺陷和显微结构对金属材料性能的 影响?同时,在绪论章节中将通过重点介绍电子显微镜来概述对材料在纳米和微米 尺度上进行显微结构表征的方法?在章节的结尾部分列出了可能会对读者深入了 解工程材料的显微结构和特征[1-15],以及研究显微结构特征所使用的方法有所帮 助的教材和期刊文章[6,16-23]?
表1.1原子排布和显微结构对工程金属材料性能的影响第1章工程材料的显微结构和特性<br />Helmut Clemens, Christina Scheu<br />1.1弓I 言<br />一般来说,工程材料基本分为四个类型:金属?陶瓷?高分子聚合物和半导体? 其中半导体是典型的功能材料,而其余三种材料则可根据其应用归为结构材料或 功能材料?无论属于功能材料或结构材料,固体材料的主要特性都依赖于原子的几 何排列以及组元原子之间的化学键的类型?在工程材料中共发现三种类型的原始 化学键:共价键?离子键和金属键,它们对每种材料的主要贡献如图1.1所示?金 属及其合金具有原始的金属键;半导体材料以共价键为主,而多数陶瓷材料中,共 价键和离子键混合存在?在工程高分子聚合物中,延长的共价键烃链之间存在较弱 的次价键(范德瓦耳斯力,图1.1)?大多数情况下,化学键的类型取决于组成固体 各原子的电子结构以及能够获得稳定电子组态的原子配置?<br />离子键<br />图1.1 不同种工程材料中存在的化学键行为(参照文献[2])<br />共价键?离子键和金属键表示牢固的主价键,范德瓦耳斯力是较弱的次价键<br />工程材料的结构与其内部组元排列有关?从原子尺度上讲,结构可以理解为 原子相互间的组织关系?在晶体材料中,原子周期性地重复排列,这种排列方法被 称为是晶胞或点阵结构?例如,金属具有特别简单的晶体结构:(a)面心立方结构 (fee); (b)体心立方结构(bcc); (c)密排六方结构(hcp); (d)四面体结构?许多金属 及其合金在不同温度和成分组成下,具有一种或多种固定的晶体结构,但是,多数 情况下这四种晶体结构之间存在转变?相比之下,半导体通常以钻石结构(锗?硅) 或常见的闪锌矿(如砷化镓)结构结晶?下一个较大的结构水平等级是微观尺度,在这个尺度上,人们将大量原子的排 布看成是显微结构的组元,它们决定了材料的主要性能?工程材料的显微结构可以 通过对晶粒尺寸?存在相的类型?结构?形状和尺寸分布加以描述?此外,二维缺 陷,如晶界和多相界面;一维缺陷,如位错;以及零维缺陷,如点缺陷,它们通常 也都是决定材料特性的重要的显微结构特征?<br />在本绪论章节中主要介绍了工程材料中金属材料的显微结构,总结了多晶多 相材料组织结构;提出了显微结构中最重要的参数,并简要讨论了这些参数对机械 性能的影响?表1.1大致总结了原子分布?原子缺陷和显微结构对金属材料性能的 影响?同时,在绪论章节中将通过重点介绍电子显微镜来概述对材料在纳米和微米 尺度上进行显微结构表征的方法?在章节的结尾部分列出了可能会对读者深入了 解工程材料的显微结构和特征[1-15],以及研究显微结构特征所使用的方法有所帮 助的教材和期刊文章[6,16-23]?<br />表1.1原子排布和显微结构对工程金属材料性能的影响<br />性能 原子排布和原子缺陷的影响 显微结构的影响<br />机械性能(如强度和韧性) 强 强<br />电学性能?磁学性能和热力学性能 (如电阻率?磁化强度?电导率) 化学性能(如耐蚀性能?催化电位) 中等强度<br />轻度 轻度 轻度到中等强度<br />注:可以通过例如铸造?粉末冶金?加工和热处理方法控制原子排布和显微结构[13]<br />1.2 显微结构 <br />图1.2以图示的方法显示了多晶?多相金属材料的显微结构?为了全面地?更<br />刃型k错<br />图1.2多晶多相金属材料显微结构图示解下面的解释,表1.2列出各类显微结构特征的典型摩尔分数和尺寸范围, 表1.3则描述了它们的主要特征及其对不同性能的影响?<br />表1.2工程金属材料的显微结构:组成及其浓度和尺寸范围<br />显微结构组成 范围<br />空位 平衡浓度(摩尔分数):10-5(室温)?10-4(培点)<br />位错 密度1010(退火)?1016m—2(冷加工)<br />晶粒 尺寸:纳米?分米<br />亚晶粒/范围 尺寸:纳米?微米<br />合金元素 浓度(摩尔分数):ppm-50%<br />第二相 体积分数:0-70%<br />颗粒物(析出相,弥散相) 尺寸:纳米?微米体积分数:0-70%<br />注:a)位错密度:横穿一个随机表面部分单位面积的位错数量,或者每个材料单位体积中总位错的<br />长度<br />表1.3显微结构组成在工程金属材料中的作用<br />取决因素/特性(可选)<br />引起变化(举例)<br />显微结构组成<br />空位 位错<br />堆垛层错<br />机械孪晶 亚晶/域<br />晶界 相界<br />晶粒<br />退火孪晶<br />沉淀物/弥散体<br />相的排布(如低共熔 体?双重体)<br />温度,形变<br />形变?温度?回复和再结晶过程; 刃位错可能攀移离开其滑移面<br />晶体结构?合金化<br />堆垛层错能量?形变?温度<br />形变?温度?堆垛层错能量/规则晶体结<br />构?反相相界能量<br />邻位晶粒间的晶格取向;小角度?中等角 度和大角度晶界中的小部分 合金系?成分?高温时相的稳定性<br />合金系?晶粒形核类型?加工?形变?热处 理?再结晶<br />堆垛层错能;面心立方材料的特征是具有 低堆垛层错能<br />合金系,热处理,加工,可黏附?半黏附和 无黏附的颗粒和基体的界面<br />合金系,成分,加工,热处理<br />图1.2展示的显微结构图包含两种不同相的晶粒?两种相分别具有不同的晶 体结构(fcc和bcc)以及化学成分?如晶体结构的描述中所示,每种相形成了一种 固溶体?一种固溶体表示了一种包括两种或更多化学组分的均匀的晶态相?置换固 溶体和间隙固溶体都可能会生成,例如铁中的镍和铬(如奥氏体钢),或是铁中的 碳(如可热处理的刚钢)?金属的溶解度,例如其合金化行为,依赖于原子尺寸系数 (溶质和溶剂原子之间的尺寸差异)?电化学效应(电负性差异越高,元素形成金属 间相化合物的趋势比形成大范围固溶体的趋势更大)和相对的电子价态(具有高电 子价态的金属更易溶解在一个低电子价态的金属中,反之较难)?<br />1.2.1晶体缺陷<br />显微结构中的晶粒表示多晶体材料中单独的晶体(图1.2)?在每个晶粒中,原 子根据基本晶体结构有规律地排列,但是各种晶体缺陷都可能存在?这些缺陷是 点缺陷(空位?间隙原子)?线缺陷(位错)?面缺陷(堆垛层错?孪晶界)和体缺陷 (空隙?空穴)?其中特别需要关注的是位错,这主要是由于塑性变形与位错在切应 力(见第19章和第20章)作用下的运动有关?相比之下,阻碍位错运动则是强化 机理的基本概念(见1.3节)?位错可以再划分为刃型位错和螺型位错?在没有发生 热激活扩散的温度下,刃型位错运动局限在其滑移面?刃型位错的原理示意图如图 1.2所示?刃型位错是一种与点阵畸变有关的线性缺陷,而点阵畸变产生于晶格中 多余半原子平面尾端附近?在经过不同工艺的加工以及加载后,材料内部晶粒被位 错网络或位错缠结进一步分割,形成亚晶或胞状结构?在具有有序晶体结构的晶粒 中(如金属间相化合物中),则有可能形成畴结构?而每个畴被反相界隔断,相应的 能量被认为是反相界能?<br />1.2.2晶界(相界)和牵晶<br />晶粒尺寸取决于材料的加工工艺和热处理工艺,并可在一个较宽的范围内调 整?在大多数与工艺相关的结构金属材料,如钢?铝合金和钛合金,晶粒尺寸可在 几十个微米范围内?相比之下,在纳米结构功能材料,如高耐磨超硬涂层,则要求 晶粒尺寸在几个纳米范围内?如图1.2中,晶粒由晶界(相界)分开?一般来说,晶 界(相界)是指能够区别相邻两个具有不同晶体学取向的晶粒(相),以及具有不同 晶体结构或不同化学成分相的界面?晶界(相界)区域一般具有一个至几个原子的 宽度,包括由于相邻晶粒之间晶粒取向过渡引起的原子错配?因此根据其结构的不 同可将晶界(相界)分为大角度晶界和小角度晶界等?由于原子沿晶界可以不同地 调整或结合,因此有边界能或晶界能随之存在?能量的大小是晶粒之间取向差角度 的函数,尽管特殊晶界位置会产生一些能量尖端,但大角度晶界的能量仍然较大? 简单的小角度晶界可以用位错的排布来描述?在图1.2中展示了一种特殊的晶界类型——孪晶界?孪晶界一端的原子分布在另一端原子的镜像位置?孪晶是由于外 应力作用下产生了原子位移引起的(机械孪晶或形变孪晶),或是形变后退火热处 理过程中产生了原子位移而引起的(退火孪晶)?孪晶的形成与材料的堆垛层错能 密切相关?总的来说,低堆垛层错能促进了孪晶的形成,在面心立方金属及其合金 中可见到高密度的退火孪晶,如铜?a-黄铜和奥氏体不锈钢?形变孪晶有利于提 高材料的应变硬化和形变能力,例如,在TWIP(孪晶-诱导塑性)钢中发现了形变 孪晶?<br />1.2.3沉淀相和弥散物<br />许多结构工程金属材料中都会产生沉淀物?图1.2中示意了两种沉淀物:晶界 上少数的大沉淀物以及晶粒中大量弥散?均匀分布的小颗粒沉淀物?多数合金中, 如钢或镍基合金,沉淀物为碳化物或金属间化合物?它们对机械性能的影响主要取 决于其体积分数?尺寸?分布?沉淀物类型,及其排列方式?沿晶界的大沉淀物如 图1.2所示,对材料性能既有正面影响,也有负面影响?例如,镍基高温合金中,在 特殊热处理工艺下产生的晶界沉淀相将使镍基高温合金在高温服役条件下的晶界 滑移量降到最低?然而,这样的相分布也会导致严重的脆化,比如钢中沿晶界存在 非金属夹杂物或渗碳体薄膜会导致钢的脆化?除了固溶强化(见1.3节)外,晶粒 中均匀分散的第二相纳米尺寸颗粒为金属材料提供了多种的强化机制?在金属基 体中,可以有多种方法生成非常细小的颗粒:各种金属合金系都已发展了所谓的沉 淀析出热处理,即从过饱和固溶体中析出新沉淀相?可通过沉淀析出进行强化的工 程合金包括铝-铜合金(如铝钢或硬铝)?镍-铝合金(如镍基超耐热合金)和一些铁 合金(如马氏体时效钢和工具钢)?一般情况下,这些纳米尺度下的沉淀相在沉淀初 期与基体的共格,并以亚稳相形式析出?然而,在热服役过程中,这些沉淀颗粒可 能改变其化学特性并易于长大?通常,在这个过程中共格界面逐渐减弱,逐渐转化 为半共格界面或非共格界面?因此,材料初始的硬化机理会发生改变,从而导致了 强度的降低?<br />另一种强化金属及其合金的方法是使一些非常坚硬?化学性质稳定的小尺寸 颗粒产生均匀弥散分布于材料中?弥散相可以是金属或是非金属,它们通常与基体 金属具有非共格界面?例如,氧化物弥散强化(ODS)高温合金,其制备过程为:利 用粉末冶金技术将高强度的纳米Y2O3颗粒与基体粉末混合进行机械合金化处理, 并进行进一步的压实以及后续处理,最终获得成品材料?弥散强化效应通常在技术 上难以实现,然而,其强化效应在材料高温长时服役过程中能够保留?这主要是因 为细小惰性颗粒不会在材料服役过程中发生长大和再溶解?<br />上文主要介绍了从原子尺度到介观尺度下各种显微结构的组分?在工程金属 材料中,这些组分以多种排列形式出现,而不同的排列组成反过来决定了其特性(表1.1?表1.3)?图1.3中给出了常用结构金属材料中不同显微结构的示意图?鉴 于完整性,必须说明金属及其合金的形变处理状态,如轧制?锻造或拉丝等,这是 因为形变过程会导致材料中出现晶粒择优取向或形变织构,即变形后晶粒中某些 晶面相对于最大应变方向出现择优分布?冷加工处理的金属在经过再结晶热处理 后晶粒会出现与原取向不同的新的择优取向?这种织构可称为退火或再结晶织构 (见第3章和第20章)?<br />(a) 单晶?原子呈周期性重复排列,并连续不断地延伸到整个试样?其特性完 全依赖于晶体取向?例如:镍基超耐热合金制成的单晶?<br />(b) 多晶单相材料?每个晶粒的晶体取向不同,并由晶界(GB)分隔开?例如: 具有体心立方(bcc)点阵结构的a-铁(铁素体)?<br />(c) 两相材料?相成分和相结构不同?晶粒由相界(PB)或晶界(GB)分隔开? 一种相很可能保持面心立方(fcc)点阵结构,并表现为退火孪晶的形貌?TB表示 连续的李晶晶界?例如:a + p黄铜,由a晶粒(fcc)和p晶粒(bcc)组成?<br />(d) 单相材料?结构中存在大量退火孪晶,箭头指示为非连续孪晶界?例如: a黄铜(fcc)?奥氏体不锈钢?<br />(e) 具有拉长夹杂物的变形晶粒?例如:含有非金属夹杂物的铁素体钢轧制薄 板材,轧制能够导致明显轧制织构,进而使板材机械性能具有明显的各向异性?<br />(f) 两相材料,其中一相位于晶界处?例如:晶界上含有先共析铁素体的珠光 体钢?<br />(g) 含有沉淀物的多晶材料?例如:含有/-Ni3Al沉淀物的镍基高温合金?<br />扩散控制下共析转变后的两相材料?晶粒由交替层(或薄片)的组成相构

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书摘插画

<div class='pic' style='text-align:center'><img data-original='http://img30.ddimg.cn/imgother/201510/23_1/201510231536531090.png' src="images/loading.gif" alt='插图' /></div><br><div class='pic' style='text-align:center'><img data-original='http://img30.ddimg.cn/imgother/201510/23_1/201510231536491080.png' src="images/loading.gif" alt='插图' /></div><br><div class='pic' style='text-align:center'><img data-original='http://img38.ddimg.cn/imgother/201510/23_1/201510231536481048.png' src="images/loading.gif" alt='插图' /></div><br><div class='pic' style='text-align:center'><img data-original='http://img33.ddimg.cn/imgother/201510/23_1/201510231536521053.png' src="images/loading.gif" alt='插图' /></div><br><div class='pic' style='text-align:center'><img data-original='http://img31.ddimg.cn/imgother/201510/23_1/201510231536571091.png' src="images/loading.gif" alt='插图' /></div>

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