工程材料的十万个为什么§

Abstract

因为老师上课实在有一些地方没学懂, 并且课程讲授中诸多概念混乱不已, 因而诞生了这个笔记. 很赞同纸鹭的话: 不得不承认, 这门课的教学顺序和教学方式或许还有可以改进的地方, 但能否学好这门课, 终究得靠自己.

主要参考了老师上课的 ppt, 折一只纸鹭的补天资料等. 具体引用的所有参考文献可以在这些资料中递归地解析出来(笑). 另外, 这不是复习笔记, 是学习笔记. 也就是说, 此笔记没做对重点内容的提炼工作, 仅以辅助平时理解为唯一目标.

Warning

笔记内容仅是博主自己的理解, 难以保证绝对的准确性. 同时考虑到部分不考察的内容难以解释, 也没有在此列出.

1. Chap I, Chap II 的必要解释§

为什么密排六方晶格的致密度是 0.74?

可以先用几何方法解算出晶胞高度, 然后按照其他晶胞相同的方法计算: 数原子数-计算单个原子的体积大小, 并进一步算出总的原子体积大小-计算六棱柱(晶胞)的体积-二者相比计算出致密度.

什么是晶向/晶面? 为什么我们需要晶向/晶面?

先说明"为什么需要". 高中时候我们就知道, 晶体具有各向异性, 同一晶体不同方向的性能各不相同. 但是, 我们如何准确地表述晶体上的某一个方向呢? 这就需要晶向了, 这也就是晶向了. 晶面亦是如此, 有了晶面就可以准确地描述晶体哪个面最容易变形(滑移).

接下来说明二者分别是什么: 晶向, 我们用晶向指数来表述, 记作 \([uvw]\), 类似于矢量(区分方向(\([uvw]\ne [\overline u\overline v \overline w]\)), 可平移), 但是需要化简到最简整数比. 晶面, 本质是一组彼此平行的晶格平面, 先确定平面在 \(u\), \(v\), \(w\) 三轴上的截距 \(u'\), \(v'\), \(w'\), 而后分别取倒数得到 \(h=\frac{1}{u'}\), \(k=\frac{1}{v'}\), \(l=\frac{1}{w'}\), 于是将晶面记作 \((hkl)\), 这也就是晶面指数.

什么是晶面族/晶向族? 为什么我们需要晶面族/晶向族?

先说明"为什么需要". 因为坐标是我们人为规定的, 因此 \(x\), \(y\), \(z\) 坐标轴可以任意变化, 而这一变化对于原本记录的晶向/晶面的性质不影响. 例如原本的 \(xyz\) 可以变为 \(xzy\), 而我们发现按照原本记录的晶向/晶面指数探测得到物理性质不变. 更一般的说, 这一定义表明了晶体绝佳的对称性, 我们研究时只需要取某一特殊的参考系就可以代表一整个晶面族/晶向族的效果.

定义式略, 提醒: 晶面族记作 \(\{hkl\}\), 晶向族记作 \(<uvw>\).

为什么实际结晶温度总是低于理论结晶温度? 为什么冷却速度与过冷度同步增大?

根据热力学第二定律, 如果实际结晶温度(即外部设定的温度)只是恰好等于理论结晶温度, 那么待结晶的纯金属需要无限长的时间才能达到和外部设定温度相同的温度. 因此需要低于理论结晶温度.

然后先回忆什么是过冷度. 温差越大那么传递热能的速率越大, 因此过冷度越大冷却的越快.

增大过冷度会如何影响 \(N/G\)(形核率/长大速度)?

首先对形核度有着显著影响, 可以迅速提高形核率(提供从液体到晶体所需释放能量的地方), 对长大速度影响在过冷度较小时有较小的促进, 较大时抑制.

元素/组元/相/组织/合金之间是什么关系呀? ppt 中一下子出现了一堆概念, 讲的好混乱

~~确实讲的很混乱~~. 大概关系是:

合金
├─ (一) 组成
│  ├─ 元素: Al, Cu, Fe, Zn...
│  └─ 组元: 地位类似于元素, 表示的就是合金体系中的独立成分
│     ├─ 二元合金: 2个组元
│     └─ 三元合金: 3个组元
│
├─ (二) 相
│  ├─ 含义: 成分相同, 结构相同, 性质均一, 有界面分开的均匀部分
│  ├─ 实例: 固态合金中的相
│  │  ├─ 固溶体
│  │  └─ 金属化合物
│  ├─ 按相数分类
│  │  ├─ 单相合金：只有一种相
│  │  └─ 两相/多相合金：有两种或多种相
│  └─ 注意
│     └─ 相不等于晶粒, 因为晶粒需要区分取向, 进一步还有晶界, 但是相不用考虑取向
│
├─ (三) 组织
│  ├─ 含义: 显微镜下各相和晶粒的形态, 数量, 大小和分布
│  ├─ 常见描述
│  │  ├─ 层片状
│  │  ├─ 颗粒状
│  │  ├─ 针状
│  │  └─ 网状
│  └─ 注意
│     └─ 组织不等于相, 因为相回答的是组成成分和结构, 而组织回答的是形态
│
└─ (四) 三者关系
   ├─ 组元: 决定体系的成分基础
   ├─ 相: 决定材料内部有哪些"种类不同"的均匀部分
   └─ 组织: 决定这些相最终以什么形貌和分布出现

请问点缺陷, 线缺陷(位错), 滑移所需切应力之间又有什么关系呀?

大概关系就是:

点缺陷
↓ 使得
位错更容易产生
↓ 而有位错相较于无位错的晶体
有位错的晶体的位错面更容易产生滑移
↓ 为什么
因为位错使得滑移所需的切应力大大下降, 切应力不需要大到让整个原子面滑移, 只需要让有缺陷(即位错)好移动的原子面滑移
↓ 位错的结果
大量的这种位错在宏观上表现为晶体的屈服强度大大下降

螺型位错和刃型位错的区别?

这个建议看视频, 很直观: 两种位错的3D动画

为什么滑移的同时伴随着晶体的转动?

因为这是一门从实际向理论推导的学科, 可以这么思考: 在拉伸或压缩试验中, 样品的两端通常被夹具固定, 依次发生了下面的事件:

不均匀变形: 当晶体内部某组滑移系启动发生滑移时, 晶体内部会产生错位, 而错位方向不是垂直/平行于拉伸/压缩轴的.

保持轴线一致: 为了抵消滑移造成的几何偏移, 使样品的中心轴线仍然保持在拉伸(或压缩)力的作用线上, 晶体必须通过整体转动来补偿这种位移.

力矩作用: 这种几何上的限制会在滑移面上产生一个附加力矩, 迫使滑移面或滑移方向向外力的作用线方向旋转.

为什么说滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生?

这里初读 ppt 上的解释可能产生误解, 需要这样理解: 首先, 这里指的是两个晶面, 晶向之间的距离, 不是指一个晶面, 晶向内原子之间的距离; 其次, 我们知道相同体积内的原子数目一定, 因此某个面/向上的原子越多, 为了方便理解我们假定原子按照晶胞结构均匀分布, 那么这种面/方向的数量就越少, 因此原子最多的两个之间的距离就最大, 自然最容易发生滑移.

滑移系的计算公式我怎么看不懂呢? 这些数字是哪里来的呢?

确实难以理解. 首先应该记住前面的概念, 晶面是相互平行的一组平面的集合, 在数平面时需要避免将相互平行的平面数进去. 这样一个个地去数数出来会发现, 还真是 ppt 写的那个结果. 但是, 只是去数平面实在是又慢又容易错, 有没有更简单的方法呢?

答案是有, 但是对密排六方晶格是不起作用的. 我们使用

工程材料的十万个为什么§

1. Chap I, Chap II 的必要解释§

评论