第2章金属学基础

1、第二章第二章 金属学基础金属学基础本章主要内容：本章主要内容： 金属的晶体结构，金属的结晶金属的晶体结构，金属的结晶。学习本章的具体要求：学习本章的具体要求： 掌握掌握常见晶体结构及实际晶体的缺陷常见晶体结构及实际晶体的缺陷。 了解晶粒细化措施，再结晶、加工硬化等概念。了解晶粒细化措施，再结晶、加工硬化等概念。第二章第二章 金属学基础金属学基础硅表面原子排列 碳表面原子排列 n第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构n金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。第二章第二章 金属学基础金属学基础一一、晶体

2、与非晶体、晶体与非晶体金属晶体模型金属晶体模型 非晶体非晶体一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体晶体与非晶体的主要区别在于原子内部排列方式晶体与非晶体的主要区别在于原子内部排列方式的不同。的不同。1 1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。长程有序，各向异性。2 2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。程无序，各向同性。3 3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如石蜡等）是非晶体外，绝大多数

3、都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。机化合物，甚至植物纤维都是晶体。晶体与非晶体的性能区别晶体与非晶体的性能区别n有些晶体具有有些晶体具有规则的多面体规则的多面体外形，如水晶；外形，如水晶；有些则没有规有些则没有规则整齐的外形，则整齐的外形，如金属。如金属。n 晶体有固定的晶体有固定的熔点，而非晶熔点，而非晶体则没有。体则没有。晶体与非晶体的转变晶体与非晶体的转变晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变1.玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；2.金

4、属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；3.非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。性能，近年来已为人们所重视。二、常见金属的晶体结构二、常见金属的晶体结构晶格与晶胞：晶格与晶胞：n各种晶体物质的内部原子按一定的规律在空间各种晶体物质的内部原子按一定的规律在空间有规则地紧密堆积在一起，为了便于分析各种有规则地紧密堆积在一起，为了便于分析各种晶体原子中原子排列的规律，用假想的几何线晶体原子中原子排列的规律，用假想的几何线条将各原子的中心连接起来，使之构成一个空条将各原子的中心连接起来，使之构成一

5、个空间格子。这种用以间格子。这种用以描述原子在晶体中排列形式描述原子在晶体中排列形式的空间格子叫做的空间格子叫做“晶格晶格”。n晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。基本单元。二、常见金属的晶体结构二、常见金属的晶体结构选取原则：选取原则：1.1.能够充分反映空间点阵的对称性；能够充分反映空间点阵的对称性；2.2.相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；3.3.具有尽可能多的直角；具有尽可能多的直角；4.4.体积最小。体积最小。晶格常数晶格常数 三个棱边的

6、长度三个棱边的长度a,b,ca,b,c及其夹角及其夹角,表示。晶体晶格晶胞典型晶体结构及其几何特征典型晶体结构及其几何特征n在元素周期表一共约有在元素周期表一共约有110110种元素，其中种元素，其中8080多多种是金属，占种是金属，占2/32/3。而这。而这8080多种金属的晶体结多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是： 1 1、体心立方晶格、体心立方晶格 2 2、面心立方晶格、面心立方晶格 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格原子排列方式原子排列方式： 体心立方晶格的晶胞中体心立方晶格的晶胞中, ,八个原子处

7、于立方体的角上八个原子处于立方体的角上, ,一一个原子处于立方体的中心个原子处于立方体的中心, , 角上八个原子与中心原子紧角上八个原子与中心原子紧靠。靠。 体心立方晶胞特征：晶格常数：体心立方晶胞特征：晶格常数：a=b=c, a=b=c, = = =90=90 常见金属：具有体心立方晶格的金属有：钼常见金属：具有体心立方晶格的金属有：钼( (Mo)Mo)、钨钨( (W)W)、钒钒( (V)V)、 - -铁铁( (-Fe, 912-Fe, 912) )等。等。 原子个数：原子个数：在体心立方晶胞中在体心立方晶胞中, , 每个角上的原子在晶格中每个角上的原子在晶格中同时属于同时属于8 8个相邻的

8、晶胞个相邻的晶胞, ,因而每个角上的原子属于一个晶胞因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为仅为1/8, 1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一一个体心立方晶胞所含的原子数为个体心立方晶胞所含的原子数为 2 2个。个。 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格n原子排列方式原子排列方式：金属原子分布在立方体的八个角上和：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。紧靠。n面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： 晶格常数：晶格常数：a=b=c, a=b

9、=c, = = =90=90 常见金属：具有这种晶格的金属有：常见金属：具有这种晶格的金属有： 铝铝( (Al)Al)、铜铜( (Cu)Cu)、镍镍( (Ni)Ni)、金金( (Au)Au)、 银银( (Ag)Ag)、- - 铁铁( ( -Fe, 912Fe, 91213941394) )等。等。 原子个数：在面心立方晶格的晶胞中，八个顶角上原子个数：在面心立方晶格的晶胞中，八个顶角上各有一个原子，在立方体的每个面的中心还各有一个各有一个原子，在立方体的每个面的中心还各有一个原子，这个原子也同时属于与该面相邻的两个晶胞，原子，这个原子也同时属于与该面相邻的两个晶胞，因此，面心立方晶体的晶胞中原

10、子数为因此，面心立方晶体的晶胞中原子数为4 4个。个。面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格n原子排列方式原子排列方式：十二个金属原子分布在六方体：十二个金属原子分布在六方体的十二个角上的十二个角上, , 在上下底面的中心各分布一个在上下底面的中心各分布一个原子原子, , 上下底面之间均匀分布三个原子。上下底面之间均匀分布三个原子。n密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常数：用底面正六边形的边长晶格常数：用底面正六边形的边长a a和两底和两底面之间的距离面之间的距离c c来表达来表达, , 两相邻侧面之间的夹两相邻侧面之间的夹角为角为120120, , 侧面与底面之间的夹

11、角为侧面与底面之间的夹角为9090。 常见金属：常见金属：具有这种晶格的金属有镁具有这种晶格的金属有镁( (Mg)Mg)、镉镉( (CdCd) )、锌锌( (Zn)Zn)、铍铍( (Be)Be)等。等。 原子原子个数：个数：晶胞原子数：晶胞原子数：6 6密排六方晶格密排六方晶格 三、金属的同素异三、金属的同素异晶转变晶转变n某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。n下面以铁为例子来

12、说明同素异晶转变：下面以铁为例子来说明同素异晶转变： -Fe-Fe-Fe-Fe-FeFen 体体心立方心立方 （912912） 面心立方面心立方 （14921492）体心立方）体心立方n金金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。同素异晶转变。四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构n1 1、单晶体与多晶体、单晶体与多晶体n如果晶体中所有原子排列位向一如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶

13、粒组成的。是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。实际金属多是的硅或锗单晶体。实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。界称为晶界。n单晶体具有各向异性，而多晶体单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。则具有各向同性。 多晶体示意图 多晶体示意图多晶体示意图 四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构 在晶体中，晶格的每一个结点上都有一个原子，其在晶体中，晶格的每一个结点上都有一

14、个原子，其它间隙处都没有原子，原子排列规则整齐，这种晶它间隙处都没有原子，原子排列规则整齐，这种晶体称为理想晶体。但实际金属晶体中的原子排列未体称为理想晶体。但实际金属晶体中的原子排列未必完全规则，在某些局部区域，原子排列甚至很不必完全规则，在某些局部区域，原子排列甚至很不规则。这些原子排列的规律性受到严重破坏的区域，规则。这些原子排列的规律性受到严重破坏的区域，称之为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有着称之为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响，材料的烧结和固相的反应以及金属极重要的影响，材料的烧结和固相的反应以及金属的塑性变形等等都和晶体中缺陷的存在有关。的塑性变形等等都和

15、晶体中缺陷的存在有关。 根根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类： 点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷 。四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构1 1）点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。）点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。 主要有晶格空位、间隙原子和异类原子。主要有晶格空位、间隙原子和异类原子。n纯金属晶体中的点缺陷包括空位和自间隙原子，纯金属晶体中的点缺陷包括空位和自间隙原子，以及由它们组合而成的复杂形式。空位是晶体内以及由它们组合而成的复杂形式。空位是晶体内部原子迁移到界面后，在体内留下的原子尺度的部

16、原子迁移到界面后，在体内留下的原子尺度的空洞；自间隙原子是进入自身晶格间隙位置的原空洞；自间隙原子是进入自身晶格间隙位置的原子。子。n异类原子是指杂质原子或合金元素的原子。异类异类原子是指杂质原子或合金元素的原子。异类原子占据晶格结点时称为置换原子。当异类原子原子占据晶格结点时称为置换原子。当异类原子直径很小时，常存在于晶格间隙中，这也称为间直径很小时，常存在于晶格间隙中，这也称为间隙原子。隙原子。四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构点缺陷与材料行为：点缺陷与材料行为： （1 1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原

17、子可引起收缩缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）或膨胀。） （2 2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）减小。） 力学性能（屈服强度提高。）力学性能（屈服强度提高。）2）线缺陷线缺陷是在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸线缺陷是在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。位错：晶体中某处一列或较大的缺陷。主要是位错。位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。若干列原子有规律的错排。 意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的

18、扩散、相变过程断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）有较大影响。） 位错的基本类型（位错的基本类型（A A）刃型位错刃型位错分类：正刃型位错（分类：正刃型位错（）；负刃型位错（）；负刃型位错（）。）。2 2）线缺陷）线缺陷螺螺型型位错位错 分分类：左螺型位错；右螺型位错。类：左螺型位错；右螺型位错。不锈钢中的位错线位错的运动位错的运动 位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。 位错运动的方式位错运动的方式 a a 滑移：位错沿

19、着滑移面的移动。滑移：位错沿着滑移面的移动。 b b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面攀移：刃型位错在垂直于滑移面 方向上的运动。方向上的运动。 3 3）面缺陷）面缺陷面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、亚晶界。上尺寸较大的缺陷。如晶界、亚晶界。（1 1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。大角度晶界：晶粒位向差大于大角度晶界：晶粒位向差大于1010度的晶界度的晶界。其。其结构为几个原子结构为几个原子范围内的原的范围内的原的混乱混乱排列，可视为一个过渡区。排列，可视为

20、一个过渡区。小角度晶界：晶粒位向差小于小角度晶界：晶粒位向差小于1010度的晶界。其结构为位错列，度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界：位向差小于亚晶界：位向差小于1 1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。亚晶界亚晶界第二节第二节 金属的结晶金属的结晶n凝固与结晶凝固与结晶 物质从液态到固态的转变过程称为凝固。若凝固物质从液态到固态的转变过程称为凝固。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。都是晶体，所以它们的凝固过程就

21、是结晶。n凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。n凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。n金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。一、一、 结晶的基本规律结晶的基本规律1 1 、液态金属的结构、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。位数较小、原子排列较混乱。n2 2 、过冷现象、过冷现象n （1 1）过冷：金）过冷：金属

22、的实际结晶温度属的实际结晶温度总是低于其理论结总是低于其理论结晶温度的现象。晶温度的现象。n （2 2）过冷度：）过冷度：金属材料的理论结金属材料的理论结晶温度晶温度(Tm) (Tm) 与其与其实际结晶温度实际结晶温度ToTo之之差差 T=Tm-To T=Tm-To n 注：过冷是结晶注：过冷是结晶的必要条件，结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过程总是在一定的过冷度下进行。过冷度下进行。 3 3、结晶过程、结晶过程n（1 1）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）n（2 2）描述结晶进程的两个参数）描述结晶进程的两个参数n 形核率：单位时间、单位体积液体

23、中形成的晶形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用核数量。用N N表示。表示。n 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用界面方向上单位时间内迁移的距离。用G G表示。表示。二、晶核的形成和长大二、晶核的形成和长大n1、晶核的形成、晶核的形成1 1）自发形核）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形

24、核，依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。形成的结晶核心叫做非自发晶核。 2 2、晶核的长大、晶核的长大1 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。其表面向前平行推移的方式长大。2 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大

25、。 金属结晶示意图金属结晶示意图三、铸锭组织三、铸锭组织n最典型的铸造结构，整最典型的铸造结构，整个铸锭明显地分为三个个铸锭明显地分为三个各具特征的晶区。各具特征的晶区。n1 1、表面细晶粒层、表面细晶粒层n2 2、中间柱状晶粒层、中间柱状晶粒层n3 3、中心等轴晶粒层（粗、中心等轴晶粒层（粗晶层）晶层）n表面细晶粒层比较致密，表面细晶粒层比较致密，力学性能好，但这一层力学性能好，但这一层很薄，只对某些薄壁铸很薄，只对某些薄壁铸件起一定作用。柱状晶件起一定作用。柱状晶粒区，在两排相对生长粒区，在两排相对生长的柱状晶粒相遇的结合的柱状晶粒相遇的结合面上存在脆弱区。在此面上存在脆弱区。在此区常有低

26、熔点杂质和非区常有低熔点杂质和非金属夹杂物聚集，锻压金属夹杂物聚集，锻压轧制时容易沿结合面裂轧制时容易沿结合面裂开。开。四、晶粒细化及措施四、晶粒细化及措施n金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。n在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。n细化铸态金属晶粒有以下措施。n1、增加过冷度一定体积的液态金属中,若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,m/

27、s)越快,则晶粒越粗。四、晶粒细化及措施四、晶粒细化及措施n金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。n 在一般情况下在一般情况下, , 晶粒越小晶粒越小, , 则金属的强度则金属的强度, , 塑性和韧性塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化越好。工程上使晶粒细化, , 是提高金属机械性能的重要途径是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。之一。这种方法称为细晶强化。n 细化铸态金属晶粒有以下措施。细化铸态金属晶粒有以

28、下措施。n 1 1、增加过冷度、增加过冷度 一定体积的液态金属中一定体积的液态金属中, ,若形核率若形核率N N( (单位时间单位体单位时间单位体积形成的晶核数积形成的晶核数, ,个个/ /m m3 3s)s)越大越大, , 则结晶后的晶粒越多则结晶后的晶粒越多, , 晶粒晶粒就越细小就越细小; ; 晶体长大速度晶体长大速度G(G(单位时间晶体长大的长度单位时间晶体长大的长度, , m/sm/s) )越快越快, , 则晶粒越粗。则晶粒越粗。n随着过冷度的增加随着过冷度的增加, , 形核速率和长大速形核速率和长大速度均会增大。但前度均会增大。但前者的增大更快，因者的增大更快，因而比值而比值N/G

29、N/G也增大也增大, , 结果使晶粒细化。结果使晶粒细化。n增大过冷度的主要增大过冷度的主要办法是提高液态金办法是提高液态金属的冷却速度属的冷却速度, , 采采用冷却能力较强的用冷却能力较强的模子。例如采用金模子。例如采用金属型铸模属型铸模, , 比采用比采用砂型铸模获得的铸砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。件晶粒要细小。n2. 2. 变质处理变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、组织

30、。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。钒、铝等。n3. 3. 振动振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。核心，获得细小的晶粒。n 4. 4. 电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。晶体

31、的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。第三节、金属的塑性变形与再结晶第三节、金属的塑性变形与再结晶n一、金属的塑性变形一、金属的塑性变形n1 1单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形 工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。 将一个表面经过抛光的纯锌单晶体进行拉伸试将一个表面经过抛光的纯锌单晶体进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线

32、条的痕迹，称为滑移带。条的痕迹，称为滑移带。 锌单晶体拉伸试验示意图（a）变形前试样 （b）变形后试样n金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。滑移变形具有以下特点：生相对滑动位移的现象。滑移变形具有以下特点：（1 1）滑移在切应力作用下产生）滑移在切应力作用下产生（2 2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3 3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间

33、距的整数倍倍 晶体滑移后，在其表面上出现滑移痕迹，通常称晶体滑移后，在其表面上出现滑移痕迹，通常称为滑移带，如图为滑移带，如图5-25-2所示。在电子显微镜下观察还会发所示。在电子显微镜下观察还会发现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成的。的。n（4 4）滑移的同时伴随着晶体的转动。）滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移带和滑移系的示意图2 2滑移的机理滑移的机理n大量的理论和试验研究的结果证明，滑大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。的。晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图晶

34、体中通过位错运动而造成滑移的示意图3 3多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n多晶体金属的塑性变形与单晶体比较并多晶体金属的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变形仍然以滑移等方式进行。但由于晶界形仍然以滑移等方式进行。但由于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多。多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多。4 4合金的塑性变形与强化合金的塑性变形与强化n合金中由于含有合金元素而使其晶格发生合金中由于含有合金元素而使其晶格发生了畸变，因而也使它的性能发生显著变化。了畸变，因而也使

35、它的性能发生显著变化。根据合金的组织可将其分为单相固溶体和根据合金的组织可将其分为单相固溶体和多相混合物两大类。在这两种不同情况下，多相混合物两大类。在这两种不同情况下，合金元素对塑性变形的影响也不相同。合金元素对塑性变形的影响也不相同。二、塑性变形对组织和性能的影响二、塑性变形对组织和性能的影响n1 1塑性变形对金属显微组织的影响塑性变形对金属显微组织的影响 当变形量很大时，晶粒将被拉长成当变形量很大时，晶粒将被拉长成纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金属的性能将会有明显的各向异性，如纵属的性能将会有明显的各向异性，如纵向的性能明显优于横向。塑性变形也会向的性

36、能明显优于横向。塑性变形也会使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒。破碎成亚晶粒。n2 2形变织构的产生形变织构的产生 当出现织构以后，多晶体金属就表当出现织构以后，多晶体金属就表现出一定程度的各向异性，这对材料的现出一定程度的各向异性，这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。性能和加工工艺有很大的影响。3 3塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 在塑性变形的过程中，随着金属内在塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化，金属的性能也将产生变部组织的变化，金属的性能也将产生变化。随着变形程度的增加，金属的强度、化。随着变形程度的增加，金属的强度

37、、硬度提高，而塑性、韧性下降，这一现硬度提高，而塑性、韧性下降，这一现象称为象称为“加工硬化加工硬化”或或“形变强化形变强化”。n4 4残余内应力残余内应力 内应力分为三类：第一类内应力又内应力分为三类：第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心部叫宏观内应力，是由于金属表层与心部变形不一致造成的，所以存在于表层与变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间；第二类内应力又叫微观内应心部之间；第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增应力

38、又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，加引起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。所以存在于晶体缺陷中。三、加工硬化的意义三、加工硬化的意义n1 1、加工硬化可使金属零件具有一定的抗、加工硬化可使金属零件具有一定的抗偶然过载的能力，保证机械零件的安全。偶然过载的能力，保证机械零件的安全。n2 2、加工硬化是冷变形工件成型的重要因、加工硬化是冷变形工件成型的重要因素。通过加工硬化，使材料发生均匀的素。通过加工硬化，使材料发生均匀的塑性变形，从而获得冷变形加工的金属塑性变形，从而获得冷变形加工的金属制品，如冲压件等。制品，如冲压件等。n3 3、加工硬化是强化金

39、属的重要手段。、加工硬化是强化金属的重要手段。四、变形金属在加热过程中组织和性能的变化四、变形金属在加热过程中组织和性能的变化n金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀，但却给进一步的冷成形加工（例塑性变形比较均匀，但却给进一步的冷成形加工（例如深冲）带来困难，所以常常需要将金属加热进行退如深冲）带来困难，所以常常需要将金属加热进行退火处理，以使

40、其性能向塑性变形前的状态转化。对冷火处理，以使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。回复、再结晶和晶粒长大。变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图n1 1回复回复 回复是指冷变形金属加热时，在光学显微组织回复是指冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。亚结构和性能的变化过程。2 2再结晶再结晶冷变形金属加热到一定温度之后

41、，在原来的变形组冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。纯金属：为再结晶。纯金属：T T再结晶（最低）再结晶（最低）=0.4T=0.4T熔点，熔点，合金：合金： T T再结晶（最低）再结晶（最低）= =（0.5-0.7)T0.5-0.7)T熔点，式中熔点，式中T T为绝对温度。为绝对温度。T0=273.15KT0=273.15K。n3 3晶粒长大晶粒长大冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，