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物冶期末總結(缺陷、塑性變形、熱力學、退火機制)

可以 | 2021-01-14 16:31:03 | 巴幣 3262 | 人氣 6993

均質形成差排:單純受到應力而產生的差排

異質形成差排:是由材料內部缺陷形成的差排,像是透過空孔聚集或是差排源形成的差排


舊的差排有機會讓雜質擴散進差排,使能量下降

能量高的差排比較容易移動,所以新生差排比較容易移動

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Bending的方向跟差排最終移動的方向有關,bending產生壓應力,應力在滑移面的分力剛好互為剪力,使差排移動,移動至差排表面形成階梯狀

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臨界分解剪應力,是在滑移面的分力除以滑移面的面積

1.簡單滑移
2.多重滑移
3.差排不再快速增加

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稜柱面(prism) 〈11-20〉{10-10} only for Ti Be Zr

second-order pyrimid二階錐面
〈11-2-3〉{11-22} only for Zn Cd

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cross-slip通常是 prism和basal

½[1-10]=⅙[-12-1]+⅙[-211]
而⅙[-211]=⅙[-1-10]+⅙[-121]

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primary slip system
cross slip system
conjugate slip system



真應力應變推導

晶粒小,晶界多,差排難移動,這是hall petch equation

回復:退火第一步驟,使材料的硬度,物理、機械等性質回復到接近加工前的狀態。通常是消除過多的差排,也有可能是形成低能量差排結構,如胞壁,多變性化


動態回復:回復在加工時就已發生。影響動態回復有兩個關鍵因素

溫度愈高,原子動能更大,更容易產生動態回復
疊差能愈高,擴張差排的距離愈近,更容易產生熱激交叉滑移,更容易產生動態回覆


晶界角度,sin(θ/2)=b/2d,所以,θ=b/d


硫化鐵易於晶界形成薄膜狀的析出(與表面張力有關),硫化鐵與鐵會形成低熔點共晶化合物,在高溫熱處理時,共晶化合物熔融,使晶界強度下降,導致材料沿晶界裂掉


共位晶界:Cu在400度退火,之後調高溫度至800~1000度進行二次再結晶。相鄰的晶粒的原子排列模式一樣,但會剛好呈現一個旋轉角度的狀態,此時的晶界稱共位晶界


共位位置與所有原子的比率成為density of coincidence sites,倒數後是更普遍用來表示密度的方式,以sigma表示


Hf是形成vacancy的能量
Hm是vacancy移動所需能量



------考古有出現的考題

動態回復:回復在加工時就已發生。影響動態回復有兩個關鍵因素

溫度愈高,原子動能更大,差排更容易移動,產生動態回復
疊差能愈高,擴張差排的距離愈近,更容易產生熱激交叉滑移,更容易產生動態回覆

加工硬化的機制是依靠差排交叉讓材料硬化。而因為動態回復會使應變能下降,不易產生新的差排。因此降低了加工硬化率

三種點缺陷:vacancy 空孔
                     intetstitial填隙型位置
                    divacancy雙空孔,兩個空孔集合


回復:退火第一步驟,使材料的硬度,物理、機械等性質回復到接近加工前的狀態。通常是消除過多的差排,也有可能是形成低能量差排結構,如胞壁,多變性化

再結晶:驅動力是冷加工時造成的應變能,目的是消除應變能,產生新的晶粒取代舊的晶粒。當新的晶粒完全取代舊的晶粒時,再結晶完成。

晶粒成長:再結晶完成後,新的晶粒繼續成長,目的是降低晶界能(驅動力)

為什麼晶粒成長是朝曲率中心移動?
A:畫圖解釋,一邊原子bonding少,另一邊多,因此有一邊較容易移動。


交叉滑移:當材料有兩個以上的滑移面時,差排滑移可能會改變滑移面,這樣的情況稱交叉滑移。而滑移面是由burger vector和差排線共同決定的,兩者皆需橫躺在滑移面上。旋差排burger vector和差排線平行,因此滑移面可以轉換。但刃差排,b和差排線垂直,因此滑移面只有一個


雙交叉滑移:在某些情況下,旋差排可能會做兩次的交叉滑移(畫圖),在轉換滑移面時,原子的排序會改變,因此會產生像frank-read source的結構,可以再產生新的差排。

而新的差排不斷產生都在同一個滑移面上,因為是差排源產生,所以產生的差排緊密排列,這個現象叫滑移帶


硫化鐵易於晶界形成薄膜狀的析出(與表面張力有關,需畫圖解釋),硫化鐵與鐵會形成低熔點共晶化合物,在高溫熱處理時,共晶化合物熔融,使晶界強度下降,導致材料沿晶界裂掉。而在低溫時,共晶化合物是固體,對晶界強度影響較不大



在晶粒成長時,影響晶粒大小的因素:
1.雜質原子(散布強化),加上推導公式
2.free-surface effect 、thermal groove
3.畫一根棒子,當晶粒大小幾乎跟材料厚度一樣,晶粒長到一定大小,晶界就都移動到表面,產生自由表面效應,不具曲率,無法繼續長大
4.preferred orientation,在texture容易看到。兩塊原子排列差不多的晶粒彼此之間是低角度晶界,所以晶界能低,自然不容易繼續成長
5.strain-induced boundary migration:寫在下面



共位晶界:Cu經過滾壓,在400℃進行退火,之後再加溫至800~1000℃再退火一次,因此形成二次再結晶。
二次再結晶後的晶粒之間有個特殊的關係,兩塊晶粒原子排列一樣,但從垂直晶界的角度看過去剛好會旋轉一個角度。這時在兩個晶粒之間的晶界成為共位晶界


多變形化:經過彎曲冷加工後,將材料進行退火,此時差排很可能開始進行回復,並產生LEDS(畫圖),此LEDS結構有點類似晶界,給了一個名稱叫次晶界,被次晶界隔開的成為次晶粒。因為形成了不同晶粒,材料也變得像是多邊形,稱這個機制為多邊形化。繞射的結果會不連續,因為Bragg角不連續(畫圖)


預成晶核:再結晶的成核位置在應變能高的地方,又因為再結晶是為了消除應變能,再結晶晶界移動方向是往較高能的地方成長


Taylor relation:公式推導

cell structure:在退火的回復階段,差排聚集所形成的低能量差排結構稱為cell structure

strain-induced boundary migration:退火時,在回復及再結晶階段可能沒有完全釋放應變能,於是到了晶粒成長階段時,會利用剩餘應變能進行成長。且因目的是為了消除應變能,並沒有將能量完全釋放,反而部分變成以晶界能儲存。與grain growth的成長方向不同,往遠離曲率中心方向移動,增加晶界能

Geometrical coalescene:退火時,在回復再結晶晶粒成長的階段都有可能發生。兩大塊原子排列接近的晶粒如果靠的夠近,會傾向結合在一起,降低能量。通常在高織構有preferred orientation,更容易發生此機制(畫圖解釋)



LEDS:材料在退火或是塑性變形時會傾向形成低能量差排結構,像是cell structure 多邊形化。差排之間形成上下排列的方式可以抵消應力場,能量較低,典型的例子是 Taylor lattice(畫圖解釋)

如果差排的應力場互相抵消,那個對其他沒有差排的位置而言就像沒有應力場一樣,所以距離LEDS很遠的部分沒有應力場影響


Hall-petch equation
小的晶粒內部差排數較少,差排要越過晶界產生塑型變形較困難。
反之,大的晶粒較容易產生塑型變形。
所以晶粒小的材料強度比較強(畫圖解釋)


回復的驅動力:應變能高的地方,像是差排交錯的地方
單位面積疊差能高的材料較易產生交叉滑移形成動態回復
溫度低的話差排爬升不易,形成多邊形化或胞狀都需要爬升。因此溫度高對回復而言是比較有益的
溫度低就只有空孔能移動


主滑移系統:變形時傾向的滑移系統,因為臨界分解剪應力在此系統最大
但滑移過程中應力與各個滑移系統的夾角也會改變,當另外一個系統的臨界分解檢應力更大時,會換成此滑移系統進行滑移,稱此滑移系統為共軛滑移系統
交叉滑移系統:在主滑移系統旁的滑移系統,因為在旁邊,主滑移系統有機會進行交叉滑移轉移至交叉滑移系統

臨界分解剪應力=在滑移面上的剪力/滑移面面積



再結晶:回復結束後,利用剩餘應變能來產生新的晶粒,降低能量。當新的晶粒全部取代舊的晶粒,此時再結晶完成



1.簡單滑移,只有一個滑移系統啟動,差排不易交錯,加工硬化率低。應力應變圖斜率低(只須小小的應力就能產生變形)
2.多重滑移,應力越來越大,伴隨其他滑移系統跟著啟動,於是多個差排開始滑移並交錯,產生加工硬化效果,材料強度增加

3.差排不再快速增加,加工硬化效應已飽和,也不再產生大量差排,彼此之間干擾降低



舊的差排有機會讓雜質擴散進差排,使能量下降。可以透過蝕刻方式來辨別新舊差排。新的差排能量高能量高,蝕刻造成孔洞大,反之舊的差排小

能量高的差排較易克服原子之間的bonding,所以新生差排比較容易移動

drag force of particle on the boundary推導



二次再結晶:晶粒成長結束後,給予不同的環境條件,像是提高溫度,能夠讓晶粒繼續成長,驅動力是晶界能

necking point 的推導

輻射損傷:受到核輻射或高能電子束會使原子產生interstitial,因為能量高,導致這個點缺陷擴散快


退火溫度,加工量,純度,起始粒度會影響再結晶速率

加工量和起始粒度影響晶粒大小

創作回應

想爬溫迪的苦茶子
我是剛考完
2021-01-14 16:34:52
可以
我野4,早上考完
2021-01-14 16:36:11
GerPeeF
沒修過物理冶金,但一樣給你一個大大的讚
2021-01-14 16:59:42
可以
https://truth.bahamut.com.tw/s01/202005/86f18fec92caf648fac04ad498c0a5d6.JPG
2021-01-15 12:11:36
LeoWTF
爸爸
2024-01-11 19:15:42
可以
鵝子,姆咪~,太好了~
2024-01-11 20:24:35

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