工程材料与热加工基础：第2章 材料的结构、第3章凝固、变形

1、l 第第2章章 材料的结构、凝固与变形材料的结构、凝固与变形l 本章主要内容是：金属的晶体结构；结晶；金属的本章主要内容是：金属的晶体结构；结晶；金属的塑性变形与再结晶。塑性变形与再结晶。l 第第 1节节 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶l 金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。对于金属内部结构的研究通常把金属的一个重要因素。对于金属内部结构的研究通常把金属原子作为研究的基本单位，讨论金属原子间的相互结合原子作为研究的基本单位，讨论金属原子间的相互结合以及原子排列规律等。以及原子排列规律等。l 金属在固态下通常都是晶体，要了

2、解金属内部结构，金属在固态下通常都是晶体，要了解金属内部结构，首先要了解晶体的结构，其中包括晶体中原子之间的相首先要了解晶体的结构，其中包括晶体中原子之间的相互作用、结合方式、原子排列方式和分布规律、各种晶互作用、结合方式、原子排列方式和分布规律、各种晶体的特点与差异等。体的特点与差异等。l l l一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构l 1.晶体与非晶体晶体与非晶体l 固体物体按其原子（或分子）的聚集状态分为：晶固体物体按其原子（或分子）的聚集状态分为：晶体和非晶体体和非晶体l 晶体：是指其原子呈规则排列的固态物体。晶体：是指其原子呈规则排列的固态物体。l 在自然界中，包括金属在内的大多数固体

3、都属于晶在自然界中，包括金属在内的大多数固体都属于晶体。天然晶体往往会具有规则的几何外形，如钻石、宝体。天然晶体往往会具有规则的几何外形，如钻石、宝石、水晶等，冰花、雪花、盐等也容易看到规则的几何石、水晶等，冰花、雪花、盐等也容易看到规则的几何外形。但金属晶体及其制品，一般则看不到规则的几何外形。但金属晶体及其制品，一般则看不到规则的几何外形。外形。l 非晶体：是指其原子（或分子）呈无规则堆砌的固非晶体：是指其原子（或分子）呈无规则堆砌的固态物质。态物质。l 少数物质，如玻璃、松香、木材、棉花等属于非晶少数物质，如玻璃、松香、木材、棉花等属于非晶体，其内部的原子则是散乱分布。体，其内部的原子则

4、是散乱分布。l l 晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别: :l(1)(1)晶体可具有规则几何外形；晶体可具有规则几何外形；l(2)(2)晶体具有固定的熔点；晶体具有固定的熔点；l(3)(3)晶体具有各向异性晶体具有各向异性( (不同方向性能不同不同方向性能不同) )。非晶体非晶体l2.2.基本概念基本概念( (晶格、晶胞、晶格常数、晶向与晶格、晶胞、晶格常数、晶向与晶面晶面 ) l 为研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中为研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的钢球，晶体即由这些钢球堆垛的原子都是固定不动的钢球，晶体即由这些钢球堆垛而成，形成原子堆垛的球体几何模型而成

5、，形成原子堆垛的球体几何模型, ,如下图。这种如下图。这种模型的优点是立体感强，很直观，但钢球密密麻麻地模型的优点是立体感强，很直观，但钢球密密麻麻地堆垛一起，很难看清内部原子排列的规律和特点。堆垛一起，很难看清内部原子排列的规律和特点。 l (1) (1) 晶晶 格格 l 为了便于分析各种晶体中的原子排列的规律性，常以为了便于分析各种晶体中的原子排列的规律性，常以通过各原子中心的一些假想联线来描绘其三维空间中的通过各原子中心的一些假想联线来描绘其三维空间中的几何排列形式，如下图。各联线的交点称作几何排列形式，如下图。各联线的交点称作“结点结点”，表示各原子中心位置。这种表示各原子中心位置。这

6、种用以描述晶体中原子排列的用以描述晶体中原子排列的空间格架称为空间点阵或晶格。空间格架称为空间点阵或晶格。 l(2) (2) 晶晶 胞：胞： 组成晶体的最基本的几何单元称为晶胞组成晶体的最基本的几何单元称为晶胞, ,如图（如图（c c）。）。l 晶格常数：晶胞的棱边长度和棱边间相互夹角晶格常数：晶胞的棱边长度和棱边间相互夹角、表示，如图（表示，如图（c c）l 晶格中由一系列原子组成的平面称为晶格中由一系列原子组成的平面称为晶面晶面，晶格中，晶格中各原子列的位向称为各原子列的位向称为晶向晶向。l3.常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构l 金属原子之间的结合是靠金属键，因此固态金属原子之间的结合

7、是靠金属键，因此固态金属具有以下特性：金属具有以下特性：l （1）良好的导电性；）良好的导电性；l （2）良好的导热性；）良好的导热性；l （3）正的电阻温度系数；）正的电阻温度系数；l （4）具有不透明性和金属光泽；）具有不透明性和金属光泽；l （5）具有良好的塑性或延展性。）具有良好的塑性或延展性。l常见的金属晶体结构类型有常见的金属晶体结构类型有：l（1） 体心立方晶格（体心立方晶格（bcc)：l 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的在晶胞的中心和八个角上各有一个原子中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有

8、，每个晶胞实际上只占有邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1 18 8个个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为原子数为8 81 18 81 12 2（个）（个）。具有体心立方品格的金具有体心立方品格的金属有。属有。-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。等。 l(2) 面心立方晶格面心立方晶格(fcc):单个晶胞中原子数为单个晶胞中原子数为4个，个，l 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的

9、原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8 81 18 86 61 12 24 4（个）。（个）。l 具有面心立方晶格的金属有：具有面心立方晶格的金属有：-Fe、Cu、Ni、Al 、A g、Au、Pb、Pt 等。等。l （3）密排六方晶格）密排六方晶格（hcp)： 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两

10、个晶格常数表示。一个是柱体的高度表示。一个是柱体的高度c c，另一个是六边形的边长，另一个是六边形的边长，在晶胞在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子中间还有三个原子。 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12121 16 62 21 12 23 36 6

11、（个）。（个）。具有密排六方晶格的金属有具有密排六方晶格的金属有Mg Mg 、Zn Zn 、 Be、Cd等。等。 。 l实际实际金金属属晶体缺陷晶体缺陷l 前面讨论的金属晶体结构是理想的结构，是由原子前面讨论的金属晶体结构是理想的结构，是由原子排列位向或方向完全一致的晶格组成的，称为单晶体排列位向或方向完全一致的晶格组成的，称为单晶体( (或理想晶体或理想晶体) )。l 实际金属是多晶体结构，是由很多小的单晶体所组实际金属是多晶体结构，是由很多小的单晶体所组成，称多晶体中的每个单晶体为成，称多晶体中的每个单晶体为晶粒晶粒，每个晶粒的原，每个晶粒的原子位向是不同的。子位向是不同的。l 晶粒内存在

12、着亚结构（在多晶体每个晶粒内晶粒内存在着亚结构（在多晶体每个晶粒内部，存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶部，存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块。这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小块。这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚结构（或区域称为亚结构（或亚晶粒亚晶粒, ,在高倍显微镜或电在高倍显微镜或电子显微镜下才能观察到）。同时，由于结晶条件子显微镜下才能观察到）。同时，由于结晶条件等原因，会造成晶体内部某些局部区域，不像理等原因，会造成晶体内部某些局部区域，不像理想晶体那样规则和完整，称这种想晶体那样规则和完整，称这种偏离理想状态的偏离理想状态的区域为区域为晶体缺陷或晶格缺

13、陷晶体缺陷或晶格缺陷。按几何形态分为：。按几何形态分为：l（一）点缺陷：空间三维尺寸均小，有空位、间点缺陷：空间三维尺寸均小，有空位、间隙原子和置换原子。隙原子和置换原子。l( (二二) ) 线缺陷：空间两维尺寸很小，在原子尺寸线缺陷：空间两维尺寸很小，在原子尺寸范围内，一维尺寸相对很大的缺陷，属于这一类范围内，一维尺寸相对很大的缺陷，属于这一类缺陷的主要是位错。缺陷的主要是位错。l 位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生有位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。可看作是晶体中一部分晶体相规律的错排现象。可看作是晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体产生局部滑移而造成的，滑移对于另

14、一部分晶体产生局部滑移而造成的，滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。部分与未滑移部分的交界线即为位错线。l 晶体中位错的基本类型有刃型位错和螺型位晶体中位错的基本类型有刃型位错和螺型位错两种：刃型位错模型如图错两种：刃型位错模型如图1 11010所示，某一原子所示，某一原子面在晶体内部中断，宛如用一把锋利的钢刀切入面在晶体内部中断，宛如用一把锋利的钢刀切入晶体沿切口插入一额外半原子面一样，刀口处的晶体沿切口插入一额外半原子面一样，刀口处的原子列即为刃型位错线。原子列即为刃型位错线。l 当子钢刀切人晶体后，被切的上下两部分沿当子钢刀切人晶体后，被切的上下两部分沿刃口相对错动了一个原子间距，上

15、下两层相邻原刃口相对错动了一个原子间距，上下两层相邻原子发生了错排和不对齐的现象，即子发生了错排和不对齐的现象，即为螺型为螺型位位错错。l( (三三) )面缺陷面缺陷l 空间一维尺寸很小，在原子尺寸范围内，空间一维尺寸很小，在原子尺寸范围内，另外二维尺寸相对很大的缺陷，包括晶界、亚晶另外二维尺寸相对很大的缺陷，包括晶界、亚晶界和相界等。界和相界等。l 实际金属是多晶体，各晶粒间位向不同，晶实际金属是多晶体，各晶粒间位向不同，晶界处原子排列的规律性受到破坏；晶界实际上是界处原子排列的规律性受到破坏；晶界实际上是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层。亚不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层。亚晶

16、界同样是小区域的原子排列无规则的过渡层。晶界同样是小区域的原子排列无规则的过渡层。过渡层中晶格产生了畸变，如下图所示。相界是过渡层中晶格产生了畸变，如下图所示。相界是具有不同晶体结构的两相之间的分界面，相界上具有不同晶体结构的两相之间的分界面，相界上的原子偏离平衡位置产生畸变。的原子偏离平衡位置产生畸变。l 缺陷的存在破坏了晶体的完整性，使晶格产缺陷的存在破坏了晶体的完整性，使晶格产生畸变，晶格能量增加，相对于完整的晶体来说，生畸变，晶格能量增加，相对于完整的晶体来说，晶格缺陷处于一种不稳定状态，外界条件变化时晶格缺陷处于一种不稳定状态，外界条件变化时会发生原子的扩散与迁移，从而引起金属某些性

17、会发生原子的扩散与迁移，从而引起金属某些性能的变化。能的变化。对强度：一般情况下随缺陷的增加，强度提高；对强度：一般情况下随缺陷的增加，强度提高；抗蚀性：降低抗蚀性；抗蚀性：降低抗蚀性；l3.金属材料的结构特点金属材料的结构特点l 金属材料主要由金属晶体组成，纯金属的结构金属材料主要由金属晶体组成，纯金属的结构主要指晶体结构的类型，以及机体的显微组织主要指晶体结构的类型，以及机体的显微组织（在金相显微镜下所观察到的金属中各种晶粒的在金相显微镜下所观察到的金属中各种晶粒的大小、形态和分布的图形叫作显微组织或金相组大小、形态和分布的图形叫作显微组织或金相组织织）形态和缺陷状态：包括晶粒形状、大小，

18、晶形态和缺陷状态：包括晶粒形状、大小，晶格的畸变、位错的密度等。格的畸变、位错的密度等。l 工业中常用的金属主要是合金。工业中常用的金属主要是合金。l 所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其他方法制成的金属与非金属经熔炼、烧结或用其他方法制成的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。l l 组元：组成合金最简单、最基本的、独立的组元：组成合金最简单、最基本的、独立的物质称为组元，或简称元。物质称为组元，或简称元。 l 组元可以是纯元素，如组元可以是纯元素，如CuCu、NiNi、A1A1、TiTi、FeFe、C C、N N、 B

19、 B、O O等，也可以是化合物，如等，也可以是化合物，如A1A12 20 03 3、SiOSiO2 2、 TiOTiO2 2、 BNBN等。等。l 材料可以由单一组元组成，如纯金属或材料可以由单一组元组成，如纯金属或A1A12 20 03 3晶体，也可以是多组元组成。晶体，也可以是多组元组成。l 由两个组元组成的合金称为二元合金由两个组元组成的合金称为二元合金.l 合金系：两个或两个以上相同组元组成的不合金系：两个或两个以上相同组元组成的不同成分的合金同成分的合金。 l l 相：将合金中具有相同化学成分和晶体结构相：将合金中具有相同化学成分和晶体结构和相同物理或化学性能并与其余部分有界面分开和

20、相同物理或化学性能并与其余部分有界面分开的均匀部分。的均匀部分。l 组织：在显微镜下观察到的材料内部组成相组织：在显微镜下观察到的材料内部组成相的大小、方向、形状、分布及相互结合状态。的大小、方向、形状、分布及相互结合状态。l 由一种相组成的组织为单相组织，由两种或由一种相组成的组织为单相组织，由两种或以上相组成的组织为多相组织。以上相组成的组织为多相组织。l 合金中的相分为：固溶体和化合物。合金中的相分为：固溶体和化合物。l（一）固溶体（一）固溶体l 以合金中某一元素作为溶剂，其他组元作为以合金中某一元素作为溶剂，其他组元作为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构的固相称溶质，所形成的与溶剂有相

21、同晶体结构的固相称为固溶体。为固溶体。l 固溶体的分类固溶体的分类l （1）置换固溶体：一部分溶质原子占据溶剂）置换固溶体：一部分溶质原子占据溶剂晶格中某些结点位置，形成的固溶体。一般情况晶格中某些结点位置，形成的固溶体。一般情况下，溶质原子直径与溶剂原子相差不大。下，溶质原子直径与溶剂原子相差不大。l （2）间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格结）间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格结点之间的空隙中，形成的固溶体。点之间的空隙中，形成的固溶体。l 根据溶质原子的溶解度大小，固溶体分为有限根据溶质原子的溶解度大小，固溶体分为有限和无限固溶体。和无限固溶体。l 固溶体的固溶体的结构特性结构特性l 保留溶

22、剂晶格类型，溶质的晶格类型消失。保留溶剂晶格类型，溶质的晶格类型消失。l 性能特性性能特性：强度不太高，塑性韧性好。：强度不太高，塑性韧性好。l 随着溶质含量的增高，固溶体的性能将发生改随着溶质含量的增高，固溶体的性能将发生改变，其一般情况是强度、硬度升高、而塑性、妊变，其一般情况是强度、硬度升高、而塑性、妊性有所下降。性有所下降。l 固溶强化固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。化。l 固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的

23、晶格产生畸变，进而使位错移动引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大的缘故。固溶强化是材料的时所受到的阻力增大的缘故。固溶强化是材料的一种主要的强化途径。一种主要的强化途径。l（二）化合物（中间相）（二）化合物（中间相）l 两组元间的相对尺寸差，电子含量及电负性两组元间的相对尺寸差，电子含量及电负性差都有一定溶限，当溶质原子加入量超过此溶限差都有一定溶限，当溶质原子加入量超过此溶限时，形成的一种新相，称为中间相（化合物相），时，形成的一种新相，称为中间相（化合物相），其晶体结构不同于任一组元。其晶体结构不同于任一组元。l 由于中间相具有一定的金属特性，所以亦称由于中间相具有

24、一定的金属特性，所以亦称为金属间化合物。为金属间化合物。l（1） 性能特性性能特性 ：中间相一般具有较高的熔点及：中间相一般具有较高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，塑性、韧性低。提高，塑性、韧性低。l （2）第二相质点强化第二相质点强化（弥散强化）：适量的金（弥散强化）：适量的金属化合物在合金中弥散分布可提高合金的强度、属化合物在合金中弥散分布可提高合金的强度、硬度及耐磨性。硬度及耐磨性。l l 第第 3 章章 金金 属属 的结晶、变形与再结晶的结晶、变形与再结晶l3. 1 金属的结晶金属的结晶l （1 1）结晶概念）结晶概念l

25、 物质从液态转变为固态的过程称为凝固。物质从液态转变为固态的过程称为凝固。l 通过凝固能形成晶体结构则称为结晶。通过凝固能形成晶体结构则称为结晶。l金属自液态经冷却转变为固态的过程，通常是原金属自液态经冷却转变为固态的过程，通常是原子由不规则排列的液态向规则排列的晶体状态转子由不规则排列的液态向规则排列的晶体状态转变的过程，故属于结晶过程。变的过程，故属于结晶过程。l 某些金属凝固后在不同温度下有不同晶格形某些金属凝固后在不同温度下有不同晶格形式，称这中在固态下由于温度的改变而发生晶格式，称这中在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象为改变的现象为同素异构转变同素异构转变。 l（2） 过冷、

26、过冷度（结晶的条件）过冷、过冷度（结晶的条件）l 纯金属都有一个固定的熔点或称平衡结晶温度或理纯金属都有一个固定的熔点或称平衡结晶温度或理论结晶温度，即将金属加热熔化成液体，在无限缓慢冷论结晶温度，即将金属加热熔化成液体，在无限缓慢冷却条件下平衡结晶，所得到的结晶温度，常用却条件下平衡结晶，所得到的结晶温度，常用T T0 0表示）。表示）。也就是说，纯金属的结晶过程总是在一个恒定温度下进也就是说，纯金属的结晶过程总是在一个恒定温度下进行。行。l 在实际结晶中，冷却都有一定的冷却速度，此时，在实际结晶中，冷却都有一定的冷却速度，此时，液态金属将在理论结晶温度液态金属将在理论结晶温度T0T0以下某

27、一温度以下某一温度TnTn才开始结才开始结晶，如图晶，如图1 11313所示。金属的实际结晶温度所示。金属的实际结晶温度TnTn低于理论低于理论结晶温度结晶温度T T0 0的这一现象称为过冷现象。理论结晶温度与的这一现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差实际结晶温度的差T T0 0 - Tn - Tn T T 称为过冷度。称为过冷度。l 金属液体的冷却速度越大，过冷度越大。金属液体的冷却速度越大，过冷度越大。l 从能量的角度来看，纯金属结晶之所以存在平衡结从能量的角度来看，纯金属结晶之所以存在平衡结晶温度，是由于其液体与晶体二者之间的能量在该温度晶温度，是由于其液体与晶体二者之间的能

28、量在该温度能达到平衡。能达到平衡。l（3）结晶的过程）结晶的过程-晶核形成、晶核长大。晶核形成、晶核长大。l 液态金属结构的液态金属结构的x x射线和中子衍射等研究结射线和中子衍射等研究结果表明，液态金属中总是存在着许多类似于晶体果表明，液态金属中总是存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小集团，称为近程有序排列。中原子有规则排列的小集团，称为近程有序排列。在在理论结晶温度以上，这些小集团尺寸较小，极理论结晶温度以上，这些小集团尺寸较小，极不不稳定，时聚时散，此起被伏。当低于理论结晶稳定，时聚时散，此起被伏。当低于理论结晶温度时，这些小集团中的某些就可能成为稳定的温度时，这些小集团中的某些就可

29、能成为稳定的结结晶晶核心核心，称作称作晶晶核。核。l 随着冷却不断进行。已形成的随着冷却不断进行。已形成的晶晶核不断长大，核不断长大，同时液态金属中又会不断产生新的晶核并随冷却同时液态金属中又会不断产生新的晶核并随冷却不断长大，直至液态金属全部消失，晶体彼此相不断长大，直至液态金属全部消失，晶体彼此相互接触为止互接触为止。l 结晶的动力是液体与晶体之间的自由能差，结晶的动力是液体与晶体之间的自由能差，阻力是结晶潜热。阻力是结晶潜热。l（4 4）晶粒的大小）晶粒的大小l 金属结晶后形成由许多晶粒构成的多晶体，金属结晶后形成由许多晶粒构成的多晶体，而晶粒大小是衡量金属组织的重要标志之一。而晶粒大小

30、是衡量金属组织的重要标志之一。l 常温下，常温下，金属的晶粒越细小，强度、硬度则金属的晶粒越细小，强度、硬度则越大，同时塑形、韧性也越好。越大，同时塑形、韧性也越好。l 晶粒大小可用单位体积内晶粒的数目或单位晶粒大小可用单位体积内晶粒的数目或单位面积上晶粒数目来表示，称为晶粒度。面积上晶粒数目来表示，称为晶粒度。l 用晶粒度级别用晶粒度级别C C来确定单位面积上晶粒数目，来确定单位面积上晶粒数目，C C有有1 18 8级，数值小，晶粒度小，晶粒大。级，数值小，晶粒度小，晶粒大。l细化晶粒的措施：细化晶粒的措施：l 1.增大过冷度：形核率（单位时间单位体积形成增大过冷度：形核率（单位时间单位体积

31、形成的晶核数）大于晶核长大速度。的晶核数）大于晶核长大速度。l2.变质处理：在液态金属中加少量变质剂作为人变质处理：在液态金属中加少量变质剂作为人工晶核，增加晶核数。工晶核，增加晶核数。l3.振动结晶振动结晶l 3. 2 塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶l 金属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大金属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大l不均匀、组织不致密和成分偏析等缺陷，因此金不均匀、组织不致密和成分偏析等缺陷，因此金l属材料经冶炼浇注后大多要进行各种压力加工，属材料经冶炼浇注后大多要进行各种压力加工，l如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型材和工件如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型材和工件l再予使

32、用。金属经压力加工，不仅改变了外形，再予使用。金属经压力加工，不仅改变了外形，l而且也使材料内部的组织和性能发生很大变化，而且也使材料内部的组织和性能发生很大变化，l讨论金属的塑性变形规律和塑变后加热转变具有讨论金属的塑性变形规律和塑变后加热转变具有l重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。l金属变形特性金属变形特性l 金属材料在外力作用下，变形过程可分为弹金属材料在外力作用下，变形过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。在弹性变形性变形、塑性变形和断裂三个阶段。在弹性变形阶段用阶段用E弹性模量来表示材料在外力作用下抵抗弹性模量来表示材料在外力作用下

33、抵抗弹性变形的能力；在塑性变形阶段，用弹性变形的能力；在塑性变形阶段，用和和表表示材料塑性变形能力的好坏；用屈服强度表示材示材料塑性变形能力的好坏；用屈服强度表示材料料抵抗微量塑性变形抵抗微量塑性变形的能力；强度极限反映材的能力；强度极限反映材料产生料产生最大均匀塑性变形最大均匀塑性变形的抗力；的抗力；l 断裂通常按材料断裂时有无宏观塑性变形分断裂通常按材料断裂时有无宏观塑性变形分为脆性断裂和韧性断裂，韧性断裂在断裂前有明为脆性断裂和韧性断裂，韧性断裂在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，灰暗无光。显的塑性变形，断口呈纤维状，灰暗无光。l l 脆性断裂材料在断裂前无明显的塑性变形，脆性断裂材

34、料在断裂前无明显的塑性变形，断口常具有闪烁的光泽（金属光泽），断口若凹断口常具有闪烁的光泽（金属光泽），断口若凹凸不平称为沿晶断裂，断口若比较平坦称为穿晶凸不平称为沿晶断裂，断口若比较平坦称为穿晶断裂。断裂。l 1.单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形l 单晶体金属的最基本的塑性变形方式是单晶体金属的最基本的塑性变形方式是滑移滑移，另外还有孪生。另外还有孪生。l 滑移是指晶体的一部分相对于另一部分沿一滑移是指晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动的过程。定晶面和晶向发生相对滑动的过程。l 滑移所依赖的晶面叫滑移所依赖的晶面叫滑移面滑移面，晶体在滑移面，晶体在滑移面上的滑动方

35、向叫上的滑动方向叫滑移方向滑移方向。l （ 1）滑移带）滑移带 l 取单晶体拉伸试样，表面经良好抛光，进行取单晶体拉伸试样，表面经良好抛光，进行拉伸，试样发生一定塑性变形后，在显微镜下可拉伸，试样发生一定塑性变形后，在显微镜下可看到试样表面出现许多相互平行的线条，称为看到试样表面出现许多相互平行的线条，称为滑滑移带移带，在高倍显微镜或电子显微镜下可发现每条在高倍显微镜或电子显微镜下可发现每条滑移带是由许多密集且相互平行的滑移线构成，滑移带是由许多密集且相互平行的滑移线构成，这些滑移线实际上是塑变后在晶体表面产生的一这些滑移线实际上是塑变后在晶体表面产生的一个个小台阶，一个滑移台阶就是一条滑移线

36、，每个个小台阶，一个滑移台阶就是一条滑移线，每一条滑移台阶对应的台阶高度，标志着某一滑移一条滑移台阶对应的台阶高度，标志着某一滑移面的滑移量面的滑移量。相互靠近的一组小台阶组成一个大相互靠近的一组小台阶组成一个大台阶台阶-滑移带。滑移带。l（2） 滑移系滑移系 l1产生滑移的力产生滑移的力 ：切应力（以图示说明）：切应力（以图示说明）l2滑移系：一个滑移面和这个滑移面上的一滑移系：一个滑移面和这个滑移面上的一个滑移方向构成一个滑移系。它表示金属晶体在个滑移方向构成一个滑移系。它表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间取向。发生滑移时滑移动作可能采取的空间取向。l * 一般情况下，一般情况

37、下，滑移常常沿晶体中原子密滑移常常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生度最大的晶面和晶向发生。 因为在晶体的原因为在晶体的原子密度最大的晶面上，原子结合力最强，而面间子密度最大的晶面上，原子结合力最强，而面间距最大距最大,密排面间的原子结合力最弱，滑移的阻密排面间的原子结合力最弱，滑移的阻力最小，沿原子密度最大的晶向滑动的阻力也最力最小，沿原子密度最大的晶向滑动的阻力也最小。小。l 即即滑移面为密排晶面，滑移方向是密排晶向滑移面为密排晶面，滑移方向是密排晶向。晶体中滑移系越多，晶体发生滑移的可能性越大，晶体中滑移系越多，晶体发生滑移的可能性越大，塑性越好。塑性越好。l 但在滑移系数相同时，滑移

38、方向数对塑性的但在滑移系数相同时，滑移方向数对塑性的贡献大于滑移面贡献大于滑移面面心立方晶体塑性好于体心。面心立方晶体塑性好于体心。l 表为三种常见金属晶格的滑移系。表为三种常见金属晶格的滑移系。l3 滑移的位错机制滑移的位错机制l 以铜单晶体为例（假设为完整晶体），计算以铜单晶体为例（假设为完整晶体），计算得到沿滑移系作整体刚性滑移需要的临界切应力得到沿滑移系作整体刚性滑移需要的临界切应力为为1540MPa，而实际测得的仅为，而实际测得的仅为0.98MPa，相差，相差34个数量级。说明晶体的滑移不是晶体的一部个数量级。说明晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体刚性移动。分相对于另

39、一部分同时作整体刚性移动。l 滑移是靠滑移面上的位错运动来实现的。因滑移是靠滑移面上的位错运动来实现的。因实际晶体中存在位错。实际晶体中存在位错。l 在晶体的滑移过程中，位错扫过滑移面而移在晶体的滑移过程中，位错扫过滑移面而移出晶体表面，从这方面讲，位错数目应该减少，出晶体表面，从这方面讲，位错数目应该减少，但在晶体塑性变形后，晶体中的位错数不但不减但在晶体塑性变形后，晶体中的位错数不但不减少，反而会显著增加，这一现象即为位错的增值少，反而会显著增加，这一现象即为位错的增值现象。原因是实际晶体中存在大量的位错，大量现象。原因是实际晶体中存在大量的位错，大量位错的交互作用会形成钉扎位错，如图示位

40、错的交互作用会形成钉扎位错，如图示P60。l2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形l 其本质与单晶体的塑性变形相同，每个晶粒其本质与单晶体的塑性变形相同，每个晶粒的塑变仍以滑移方式为主进行，但较单晶体要复的塑变仍以滑移方式为主进行，但较单晶体要复杂的多（因晶界的存在和每个晶粒中晶格位向的杂的多（因晶界的存在和每个晶粒中晶格位向的不同）。不同）。l1）. 晶界：晶界处原子排列乱，杂质缺陷多，位晶界：晶界处原子排列乱，杂质缺陷多，位错滑移到晶界处运动阻力增大，从而增大了滑移错滑移到晶界处运动阻力增大，从而增大了滑移的阻力，变形困难；的阻力，变形困难；l2）.晶粒的位向：具有与外力成晶粒的位向：具有

41、与外力成45角的滑移面角的滑移面上的晶粒内首先发生滑移，滑移时受到相邻位向上的晶粒内首先发生滑移，滑移时受到相邻位向不同的晶粒的约束，使滑移受到阻碍，变形困难。不同的晶粒的约束，使滑移受到阻碍，变形困难。l 多晶体晶粒愈细，晶界愈多，且不同位向的多晶体晶粒愈细，晶界愈多，且不同位向的晶粒也愈多，塑性变形的抗力愈大，强度便愈大。晶粒也愈多，塑性变形的抗力愈大，强度便愈大。l注：注： 多晶体的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且多晶体的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性和韧性也较好塑性和韧性也较好-原因是晶粒愈细，晶体单位原因是晶粒愈细，晶体单位体积中的晶粒数愈多，变形时同样的变形量便可体积中的晶粒数愈多，

42、变形时同样的变形量便可分散在多个晶粒中发生，产生均匀的塑性变形，分散在多个晶粒中发生，产生均匀的塑性变形，而不造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生而不造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和扩展。和扩展。l3.合金体的塑性变形合金体的塑性变形l 合金按组织分为单相固溶体合金和多相合金，合金按组织分为单相固溶体合金和多相合金，合金的塑性变形较多晶体更为复杂。合金的塑性变形较多晶体更为复杂。l1.单相固溶体单相固溶体l 由于溶质原子的作用，造成晶格畸变，塑变由于溶质原子的作用，造成晶格畸变，塑变抗力增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降抗力增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降-固溶强化。固溶强化。

43、l 固溶强化有两方面原因：一是晶格畸变对滑固溶强化有两方面原因：一是晶格畸变对滑移面上运动的位错起阻碍作用；二是在位错线上移面上运动的位错起阻碍作用；二是在位错线上偏聚的溶质原子对位错起钉扎作用，使位错运动偏聚的溶质原子对位错起钉扎作用，使位错运动所需切应力增大。所需切应力增大。l 2. 多相合金：它的塑性变形除受晶界、晶粒位多相合金：它的塑性变形除受晶界、晶粒位向影响外，还受相结构差异和相界的影响。多相向影响外，还受相结构差异和相界的影响。多相合金的塑性变形除与基体固溶体相关外，还与第合金的塑性变形除与基体固溶体相关外，还与第二相的性质、形状、大小、数量和分布等有关。二相的性质、形状、大小、数量和分布等有关。l （1）当两相性能相近，数量接近时，塑性变形）当两相性能相近，数量接近时，塑性变形可视为两相的平均值，与多晶体接近；可视为两相的平均值，与多晶体接近；l （2）当两相性能相差较大时，合金的塑性变形）当两相性能相差较大时，合金的塑性变形与第二相的分布直接相关。与第二相的分布直接相关。l A.第二相与基体呈片状或层状分布时，如珠光第二相与基体呈片状或层状分布时，如珠光体，塑性变形