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螺型位错运动 沿切应力垂直方向发生移动
3．定义滑移系，并举例说明。
滑移系 滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移（如位错的移动）可以沿该系统发生。 FCC:{111}<110> BCC:{110}<111> HCP:{0001}<1120>所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如体心立方12个，面心立方12个，密排六方3，且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。
4．描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。 多晶体金属的变形过程
多晶体金属在外力的作用下，处于软取向的晶粒优先产生滑移变形，处于硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。由于晶界附近点阵畸变和相邻晶粒位向的差异，使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶粒，致使位错在晶界处塞积。只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着变形加大，晶界处塞积的位错数目不断增多，应力集中也逐渐提高。当应力集中达到一定程度后，相邻晶粒中的位错源开始滑移，变形就从一批晶粒扩展到另一批晶粒。同时，一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，其变形愈来愈困难，另一批晶粒又从硬取向转动到软取向，参加滑移变形。多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。1.晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 2.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化3.织构现象的产生 4.残余内应力
5．说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有着大晶粒的金属强度大。
晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体 。金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高 ，而且塑性与韧性也较高 6．从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。
在置换固溶体中，溶质原子部分占据了溶剂原子格点的位置，如图 (b)所示。当溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格类型等因素都相近时，形成置换固溶体。例如钒、铬、锰、镍和钴等元素与铁都能形成置换固溶体。在间隙固溶体中，溶质原子占据了溶剂原子格点的间隙之中，如图 (c)所示。氢、硼、碳和氮等一些原子半径特别小的元素与许多副族金属元素能形成间隙固溶体。
应当指出，当溶剂原子格点溶入溶质原子后，多少能使原来的格点发生畸变，它们能阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性和导电性将会下降。固溶体的这种普遍存在的现象称为固溶强化。固溶体的强化原理对钢的性能和热处理具有重大意义。
固溶强化 纯金属经适当的合金化后强度、
硬度提高的现象 根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体 固溶强化的特点：（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大；（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大；（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；（3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。 7．从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化（冷加工）现象。
应变硬化即是位错在运动过程中由于遇到晶界、第二相质点以及位错间相互作用，如位错交割、扭折、增殖等各种障碍，使运动受阻，需要不断增加外应力才能使位错继续运动。其表现为应力不断增加，塑性变形才能继续进行。金属晶粒拉长,其位错密度随冷加工变形量的增加,冷加工中位错密度增加也能强化材料 8．从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。
Recrystallization: 再结晶 在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。
通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍
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处于不稳定的状态。
当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。 再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的。 再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。
所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性长高，便于进一步加工。
11．描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。 弹性形变 -屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂 12．讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响：(a)分子量(b)结晶度(c)预变形(d)不变形材料的热处理。
（1）化学结构 链刚性增加的因素（比如主链芳环、侧基极性或氢键等）都有助于增加抗张强度基过大，反而会使材料较脆，抗冲击强度
?t。极性基团过密或取代
?i下降。
（2）相对分子质量 在临界相对分子质量变。
Mc（缠结相对分子质量）之前，相对分子质量增加
?t增加，越过
Mc后
?t不
?i随相对分子质量增加而增加，不存在临界值。
（3）支化和交联 交联使
?t和
?i都提高。但支化使
t?i提高，而
?t下降。
（4）结晶和取向 结晶度增加，总之以上各因素在讨论
?提高，但
?i降低。结晶尺寸减小，
?t和
?i均提高。取向使
?t提高。
?t时主要考虑分子间作用力的大小，而讨论
?i时主要考虑自由体积的大小。
（5）应力集中物 裂缝、银纹、杂质等缺陷在受力时成为应力集中处，断裂首先在此处发生。
纤维的直径越小，强度越高，这是由于纤维越细，纤维皮芯差别就越小，缺陷出现的几率越小。根据这个原理，用玻璃纤维增强塑料可以得到高强度的玻璃钢。
（6）添加剂 增塑剂、增量剂（又称填料）、增强剂和增韧剂都可能改变材料的强度。增塑使分子间作用力减小，从而降低了强度。惰性填料（如CaCO3）只降低成本，强度也随着降低；活性填料有增强作用，如炭黑对天然橡胶的补强效果。纤维状填料有明显的增强作用。塑料增韧的方法是共混或共聚，用少量橡胶作为增韧剂去改进塑料的脆性。
（7）外力作用速度和温度 在拉伸试验中提高拉伸速度和降低温度都会使强度降低。在冲击试验中提高温度会增加冲击强度。由于外力作用速度和温度的改变，甚至会使材料从脆性变为韧性，或反过来。 Important terms and concepts
Cold working: 冷加工、冷变形 金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
Critical resolved shear stress( ?crss): 临界剪切分切应力 使得晶体开始滑移所需要的纯剪切应力，在某一特定滑移面和滑移方向上的分量。
Dislocation density: 位错密度 材料单位体积内的位错线的总长度，或者在一个随机切面上的单位面积内切断的位错根数。 Grain growth: 晶粒长大 多晶体材料中晶粒尺寸的增大，对大多数材料来说，晶粒长大只在升高温度加热的时候发生。 Recovery: 回复 冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热处理的方法。
Recrystallization: 再结晶 在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。
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Recrystallization temperature: 再结晶温度 对于某种合金，在大约一小时的时间里，完成再结晶所需的最低温度. Slip: 滑移 位错移动导致的塑性变形或两个相邻原子面的剪切位移。
Slip system: 滑移系 滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移（如位错的移动）可以沿该系统发生。 Solid-solution strengthening: 固溶强化 由于合金化形成固溶体而导致的材料硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。
Strain hardening: 加工硬化 塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的硬度和强度升高现象。
Viscosity (?): 粘性 剪切应力数值与其产生应变速率的比值叫粘性，用来衡量非晶材料抵抗永久变形的能力。
Questions and Problems
8.7. One slip system for the BCC crystal structure is {110}<111>. In a manner similar to Figure 8.6b sketch a {110}-type plane for
the BCC structure, representing atom positions with circles. Now, using arrows, indicate two different <111>slip directions within this plane.
8.8 One slip system for the HCP crystal structure is {0001}<1120>. In a manner similar to Figure 8.6b sketch a {0001}-type plane
for the HCP structure, representing atom positions with circles. Now, using arrows, indicate two different <1120> slip directions within this plane.
8.18 Describe in your own words the three strengthening mechanisms discussed in this chapter (i.e., grain size reduction, solid
solution strengthening, and strain hardening). Be sure to explain how dislocations are involved in each of the strengthening techniques.
晶粒细化强化grain size reduction：细化后晶粒有较多的晶界来阻碍位错的移动，而使材料硬化和强化
固溶强化solid solution strengthening：由于合金化形成固溶体而导致的材料硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。
加工硬化Strain hardening： 塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的硬度和强度升高现象。 8.30 Briefly cite the differences between recovery and recrystallization processes.
Recovery: 回复 冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热处理的方法。
Recrystallization: 再结晶 在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。
8.36 The average grain diameter for a brass material was measured as a function of time at 650℃, which is tabulated below at two
different times.
(a) What was the original grain diameter?
(b) What grain diameter would you predict after 150 min at 650℃. d=0.085mm Time
解：由公式：d?d0?Kt（取n=2）
nnGrain Diameter (mm) 3.9×10-2 6.6×10-2
(min) 30
d1?d0?Kt1
2222d2?d0?Kt2
90
K?d2?d1t2?t122?(6.6?10?2)?(3.9?102?2)290?30?4.725?10?5mm2/min
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d0?d1?Kt1?1.02?1022?2mm
d3?d0?Kt3?8.48?10?2mm?0.085mm
8.D6 A cylindrical rod of copper originally 16.0mm in diameter is to be cold worked by drawing; the circular cross section will be
maintained during deformation. A cold-worked yield strength in excess of 250MPa and a ductility of at least 12%EL are desired. Furthermore, the final diameter must be 11.3mm. Explain how this may be accomplished. 解：
(%CW?d02)??(((?16.0mm2(22di2)??1002d02)?11.3mm2)?22)??(16.0mm2)??1002
?50.12%CW 由右图8.19a，8.19c，当%CW=50.12%时，
?s?335MPa，%EL=4.5%，?s满足，%EL过小。
部分直径减小可通过再结晶来消除冷加工的影响，在通过二次拉
伸获得所要求的强度，韧性和直径
由右图8.19a，屈服强度为250MPa对应21%CW的冷变形率，另外，由右图8.19c可得只有在冷变形率小于或等于23%CW时，延伸率大于12%EL，所以最后的变形是由21%CW--〉23%CW，取平均值22.5%CW，得最后直径d0’
(22.5%CW?d02')??((d02'25.1mm2)?2)?2?100
解得：d0’=12.8mm
Chapter nine Failure 失效 Learning Objects
1．描述韧性与脆性断裂的裂纹扩展机理。 裂纹扩展过程包括裂纹萌生和裂纹的扩展
韧性断裂形成稳定裂纹，一种伴随大量塑性变形的断裂方式
脆性断裂形成不稳定裂纹，通过快速裂纹扩展发生断裂，没有明显的宏观变形
裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。其穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
3．以术语来定义断裂韧性（a）简单陈述（b）给出公式，说明公式中所有参数。 Fracture toughness (Kc)断裂韧性(Kc)：发生裂纹扩展时应力强度因子的临界值。 断裂韧性Kc?Y?c?a 临界应力?c?(2E?s)1/2
?a6. 简单描述陶器出现细微裂纹的现象。
由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性
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变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性 8. 定义疲劳并特殊说明产生条件。
Fatigue疲劳：在相对低的应力水平下，承受交变和循环应力结构的失效。
9. 从某种材料的疲劳图上确定：(a)疲劳寿命（在特定应力值下）；(b)疲劳强度（在给定循环次数条件下）。 Fatigue life (Nf )疲劳寿命(Nf )：在某一指定应力幅值下，引起疲劳失效的应力循环总数。 如果材料没有疲劳极限，在S—N曲线上取N=N1处的应力副为疲劳强度
IMPORTANT TERMS AND CONCEPTS 重要术语和概念（全部） Ductile fracture延性/韧性断裂：一种伴随大量塑性变形的断裂方式。
Brittle fracture脆性断裂：通过快速裂纹扩展发生断裂，没有明显的宏观变形。 Transgranular fracture穿晶断裂：多晶材料裂纹穿过晶粒扩展而断裂。 Intergranular fracture沿晶断裂：多晶材料裂纹沿着晶界扩展而断裂。
Fracture mechanics断裂力学：一门断裂分析技术，用于确定已知尺寸的预先存在裂纹扩展并导致断裂的应力水平。 Stress raiser应力集中：一个小裂缝（内部或表面的）或者是结构不连续，在该处施加的拉伸应力将被放大，裂纹会扩展。 Fracture toughness (Kc)断裂韧度(Kc)：发生裂纹扩展时应力强度因子的临界值。
Plane strain平面应变：在断裂力学中重要的条件，对于拉伸载荷，在垂直于应力轴和裂纹扩展的方向上均为零应变。该条件存在于厚板，零应变方向垂直于板面。厚度方向无应变，可以有应力。
Plane strain fracture toughness (KIc)平面应变断裂韧性(KIc)：平面应变条件下应力强度因子的临界值（即达到该值时裂纹发生扩展）。
Charpy test却贝/摆锤式[单梁]冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功或缺口韧性实验的一种（另一种见Izod test）。通过重摆锤给试件施加冲击。
Izod test悬臂梁式冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功实验的一种（另一种见Charpy test）。通过重摆锤给试件施加冲击。
Impact energy (notch toughness)冲击功（缺口韧性）：标准尺寸及形状的试件受到快速冲击载荷时，断裂过程中所吸收能量的度量。采用摆锤式或悬臂梁式冲击实验来测量该参数。在评定材料的塑性-脆性转变行为方面很重要。
Ductile-to-brittle transition延性-脆性转变：体心立方合金随着温度的降低表现出从延性到脆性行为的转变。该转变发生的温度范围可以通过摆锤式或悬臂梁式冲击实验来确定。
Fatigue limit疲劳极限：对疲劳而言，最大应力幅值水平，低于该值材料可以承受无限次应力循环而不失效。 Fatigue strength疲劳强度：对应某一特定循环次数，材料能承受而不失效的最大应力水平。
Case hardening表面硬化：通过渗碳或渗氮方法使钢件的外表面或“表面”硬化，用于改善耐磨性和抗疲劳性。 Creep蠕变：承受应力时依赖于时间发生的永久性变形，对大多数材料而言只在高温下重要。 Corrosion fatigue腐蚀疲劳：由循环应力和化学腐蚀同时作用导致的一类失效。 Fatigue疲劳：在相对低的应力水平下，承受交变和循环应力结构的失效。
Fatigue life (Nf )疲劳寿命(Nf )：在某一指定应力幅值下，引起疲劳失效的应力循环总数。
Stress intensity factor (K)应力强度因子(K)：断裂力学中使用的一个因子，说明裂纹尖端处的应力强度。 Thermal fatigue 热疲劳：一种疲劳失效类型，循环应力是由于交变热应力引起的。
QUESTIONS AND PROBLEMS Design Problem 9.1设计举例9.1
考虑半径为r厚度为t可以用作压力容器的薄壁球罐(图9.5)。
（a）设计球罐要求在由于形成临界尺寸裂纹并随后快速扩展之前球壁材料屈服，这样，球壁的塑性变形可以观察到，球罐内的压力可以在灾难性失效发生前释放掉。显然，希望材料具有大的临界裂纹长度，以这一准则为基础，把金属合金按类别列表见附录B表B.5，临界裂纹尺寸从最长到最短。
（b）也常应用于压力容器的选择性设计术语为“破坏前泄露”。利用断裂机制原理，在裂纹快速扩展发生之前，允许裂纹生长穿过整个容器壁厚度。这样，裂纹将完全穿透容器壁，不会出现灾难性失效，允许通过带压液体泄露进行检测。用这个
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