第1章金属的晶体结构

1、 a)离子键离子键 b)共价键共价键 c)金属键金属键 d)分子键分子键 图图 1.1 原子结合键的类型原子结合键的类型 离子键有较强的结合力，因此离子化合物的熔离子键有较强的结合力，因此离子化合物的熔点、沸点、硬度很高，热膨胀系数很小。大部点、沸点、硬度很高，热膨胀系数很小。大部分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式结合，部分陶瓷材料结合，部分陶瓷材料(MgO、Al2O3、ZrO2等等)及钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。及钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。共价键结合极为牢固，共价晶体共价键结合极为牢固，共价晶体(如金刚如金刚石石)具有高的熔

2、点、硬度和强度。由于全具有高的熔点、硬度和强度。由于全部外层电子束缚于共价键，所以它们不部外层电子束缚于共价键，所以它们不是导体是导体(金刚石是绝缘体，硅、锗是半导金刚石是绝缘体，硅、锗是半导体体)。 用金属键可以粗略地解释用金属键可以粗略地解释金属的一般特性：金属的一般特性： 良好的导电性；良好的导电性； 良好的导热性；良好的导热性； 正的电阻温度系数；正的电阻温度系数； 良好的塑性；良好的塑性； 不透明性，而吸收了能量不透明性，而吸收了能量被激发的电子回到基态时被激发的电子回到基态时产生辐射，使金属具有光产生辐射，使金属具有光泽。泽。金属键模型 由于分子键很弱，故结合成的晶体具有低熔点、由

3、于分子键很弱，故结合成的晶体具有低熔点、低沸点、低硬度、易压缩等性质。例如，石墨低沸点、低硬度、易压缩等性质。例如，石墨的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低，接近于零，是剥离，强度、塑性和韧性极低，接近于零，是良好的润滑剂。塑料、橡胶等高分子材料中的良好的润滑剂。塑料、橡胶等高分子材料中的链与链间的结合力为范德华力，故它们的硬度链与链间的结合力为范德华力，故它们的硬度比金属低，耐热性差，不具有导电能力。比金属低，耐热性差，不具有导电能力。 表 四大类工程材料的原子间结合键及其性能特点种类结合键熔点弹性模量强度硬度塑性 韧性导

4、电性导热性耐热性耐蚀性其他性能金属材料金属键为主较高较高较高良好(铸铁等脆性材料除外)良好较高一般密度大，不透明，有金属光泽高分子材料分子内共价键，分子间分子键较低低较低变化大绝缘，导热不良较低高密度小，热膨胀系数大，抗蠕变性能低，易老化，减摩性好陶瓷材料离子键或共价键为主高高抗压强度与硬度高，抗拉强度低绝缘，导热不良高高耐磨性好，硬性高，抗热振热性差复合材料取决于 组成物的结合键能克服单一材料的某些弱点，充分发挥材料的综合性能1.概念概念 2.常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构3. 3. 晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常数晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常

5、数 根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系十四种晶格。约有晶体结构分为七大晶系十四种晶格。约有90%以以上的金属晶体都具有以下三种晶格形式。上的金属晶体都具有以下三种晶格形式。 晶格常数：晶格常数：a=b=c原子半径：原子半径：r =每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(1/8)8+1=2致密度：致密度：K=0.68配位数：配位数：8属于体心立方晶格的金属有：属于体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、-Ti、Na、K等。等。 a43晶格常数：晶格常数：a=b=c原子半径：原子半径：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(

6、1/8)8+(1/2)6=4致密度：致密度：K=0.74配位数：配位数：12属于体心立方晶格的金属有：属于体心立方晶格的金属有：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、-Co等。等。ar42 晶格常数：晶格常数：c/a1.633 原子半径：原子半径：1/2a 每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(1/6)12+(1/2)2+3=6 致密度：致密度：K=0.74 配位数：配位数：12 属于体心立方晶格的金属有：属于体心立方晶格的金属有：Be、Mg、Zn、Cd、-Co、-Ti等。等。 晶面和晶向的表达分别采用晶面指数晶面和晶向的表达分别采用晶面指数(hkl)和晶向指数和晶向指数uvw的形式的形

7、式(hkluvw为整数为整数)。晶面族。晶面族hkl和晶向族和晶向族。 由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一晶体单晶体的不同晶面和晶向上各种性能也会而在同一晶体单晶体的不同晶面和晶向上各种性能也会不同，这种现象就称为各向异性。不同，这种现象就称为各向异性。 晶面指数的确定方法确立坐标系确立坐标系以晶格常数为度量单以晶格常数为度量单位，求待定晶面在三位，求待定晶面在三坐标轴上的截距；坐标轴上的截距；求截距的倒数并最小求截距的倒数并最小整数化；整数化；写在括号内即得到晶写在括号内即得到晶面指数面指数(hkl)晶向指数的确定方法确立

8、坐标系，以晶格确立坐标系，以晶格常数为度量单位；常数为度量单位；过坐标原点作一平行过坐标原点作一平行于待求晶向的直线；于待求晶向的直线；求出直线上任一结点求出直线上任一结点空间坐标值，并最小空间坐标值，并最小整数化；整数化；写在方括号内即得到写在方括号内即得到晶面指数晶面指数uvw1单晶体与多晶体单晶体与多晶体 点缺陷点缺陷2 2晶体缺陷晶体缺陷 线缺陷线缺陷 -(-(位错位错) ) 面缺陷面缺陷 结晶方位完全一致的晶体称为单晶体。其中所有的晶胞均结晶方位完全一致的晶体称为单晶体。其中所有的晶胞均呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。此外，它还有较呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。此外，它还有

9、较高的强度、抗蚀性、导电性和其他特性。高的强度、抗蚀性、导电性和其他特性。 实际的金属结构都包含着许多小晶体，晶格相同而位向不实际的金属结构都包含着许多小晶体，晶格相同而位向不同。这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。不显示各同。这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。不显示各向异性。（概念：晶粒、晶界）向异性。（概念：晶粒、晶界） 多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，在常温多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好。下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好。 a)单晶体单晶体 b)多晶体多晶体 包括空位、间隙原子、置换原子等。

10、包括空位、间隙原子、置换原子等。 点缺陷的形成，主要是由于原子在各自平衡位子上做点缺陷的形成，主要是由于原子在各自平衡位子上做不停的热运动的结果。空位和间隙原子的数目随着温不停的热运动的结果。空位和间隙原子的数目随着温度的升高而增加。此外，其他加工和处理，如塑性加度的升高而增加。此外，其他加工和处理，如塑性加工、离子轰击等，也会增加点缺陷。工、离子轰击等，也会增加点缺陷。 点缺陷造成晶格畸变，使材料的强度、硬度和电阻率点缺陷造成晶格畸变，使材料的强度、硬度和电阻率增加以及其他力学、物理、化学性能的改变。增加以及其他力学、物理、化学性能的改变。 a）空位）空位 b)置换原子置换原子 c)间隙原子

11、间隙原子 分为刃型位错和螺型位错。分为刃型位错和螺型位错。 a)a)示意图示意图 b)b)平面示意图平面示意图 图图1.91.9刃型位错刃型位错 位错的出现使位错线周围造成晶格畸变，畸变程度随离位错的出现使位错线周围造成晶格畸变，畸变程度随离位错线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变位错线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变的范围约为几个原子间距。的范围约为几个原子间距。 随着位错密度的增高，材料的强度将会显著增加，所以提高位错密度是金属强化的重要途径之一。 图图1.10材料强度材料强度与位错密度与位错密度的关系的关系 最常见的是晶界和亚晶界。 （1）在腐蚀介质中，晶界处较晶内易腐

12、蚀。）在腐蚀介质中，晶界处较晶内易腐蚀。 （2）晶界面上的原子扩散速度较晶内的原子扩散速度快。）晶界面上的原子扩散速度较晶内的原子扩散速度快。 （3)晶界附近硬度高，晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。晶界附近硬度高，晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。 （4）当金属内部发生相变时，晶界处是首先形核的地方。）当金属内部发生相变时，晶界处是首先形核的地方。图图1.11晶界晶界 图图1.12实际金属晶粒内的结构实际金属晶粒内的结构晶界具有以下特点： 在实际晶体结构中，上述晶体缺陷并不是静止在实际晶体结构中，上述晶体缺陷并不是静止不变的，而是随着一定的温度和加工过程等各不变的，而是随着一定的温度和加工过程等

13、各种条件的改变而不断变化的。晶体缺陷对金属种条件的改变而不断变化的。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响，特别对金属的塑性的许多性能有很大的影响，特别对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过程都起者重要的变形、固态相变以及扩散等过程都起者重要的作用。作用。工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。u工程材料的力学性能工程材料的力学性能u工程材料的物理性能工程材料的物理性能 u工程材料的化学性能工程材料的化学性能 u工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能 强度强度、塑性塑性、 硬度硬度、冲击韧性冲击韧性断裂韧性断裂韧性、耐磨耐磨性性、粘弹性粘弹性载荷的形式载荷的形式

14、载荷的形式载荷的形式 是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。 不产生永久变形的性能称为弹性。不产生永久变形的性能称为弹性。e e称为弹性极限。称为弹性极限。 在弹性变形范围内，在弹性变形范围内，=E=E，常数，常数E E称为弹性模量，在工称为弹性模量，在工程上亦叫刚度，它主要决定于材料本身，与合金化、热处程上亦叫刚度，它主要决定于材料本身，与合金化、热处理、冷热加工等关系不大。理、冷热加工等关系不大。 s s(0.2 0.2 ) ) 是表示材料抵是表示材料抵 抗微量塑性变形的能力。抗微量塑性变形的能力。 b b s s与与b b的比值叫做屈强比的比

15、值叫做屈强比 拉伸试验拉伸试验机机 最常用的是疲劳强度，它是指在大小和方向重复循环最常用的是疲劳强度，它是指在大小和方向重复循环变化的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。变化的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。 材料在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力就材料在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力就是疲劳强度，用是疲劳强度，用-1表示，单位为表示，单位为MPa。 在交变载荷作用下，即使交变应力小于在交变载荷作用下，即使交变应力小于s，材料经较，材料经较长时间的工作也会发生失效长时间的工作也会发生失效(断裂断裂)， 通常是突然断裂，这种通常是突然断裂，这种 现象称为疲劳。现象称为疲劳。 图图:几种材料

16、实测疲劳曲线几种材料实测疲劳曲线1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂金属材料在高于一定温度长时间的工作，承受金属材料在高于一定温度长时间的工作，承受的应力即使低于屈服点的应力即使低于屈服点s，也会出现缓慢塑性，也会出现缓慢塑性变形，这就是所谓的变形，这就是所谓的“蠕变蠕变” 。材料的高温。材料的高温强度要用蠕变极限和持久强度来表示。强度要用蠕变极限和持久强度来表示。 蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内产生一定变形量的应力。例如产生一定变形量的应力。例如 持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内，持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内

17、，使材料发生断裂的应力。例如使材料发生断裂的应力。例如 MPa886001000/1 . 0MPa186800100视频视频: :世界贸易中心大楼倒塌世界贸易中心大楼倒塌 在9.11恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不何会垂直塌落而不是倾倒？倒？ 这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。材料在外力作用下，产生塑性变形而不材料在外力作用下，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长率率和断面收缩率和断

18、面收缩率来表示。来表示。、愈大，愈大，表示材料的塑性愈好。表示材料的塑性愈好。 %100001LLL%100010AAA 拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm，直径为，直径为10mm，经，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？ 解：解： =（71-50）/50 x100%=42% A0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) A1=3.14x(4.9/2)2=18

19、.85(mm2) =(A0-A1)/A0 x100%=24% 某工厂买回一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；23%；50%）做短试样（）做短试样（L0=50；0=10mm）拉伸试）拉伸试验，结果如下：验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？ 解：解： 根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下： sFsA(19x1000)/(3.14x52 )=242230MPa b FbA(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5410MPa L L0 x100% (6

20、3.1-50)/50 x100%=26.2%23% AA0 x100% 60.31% 50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。 硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力，硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力，常用的硬度有布氏硬度常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度HR和维氏硬度和维氏硬度HV。 图图1.23布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 图图1.24洛氏硬度测定洛氏硬度测定 图图1.25维氏硬度测试原理维氏硬度测试原理 洛氏硬度测洛氏硬度测维氏硬度测维氏硬度测 材料抵抗冲击载荷的能力，即材料的冲击性能。通常材料抵抗冲

21、击载荷的能力，即材料的冲击性能。通常多用冲击韧度多用冲击韧度K或冲击功或冲击功AK来表示。来表示。 可用一次性摆锤弯曲冲击试验来测定可用一次性摆锤弯曲冲击试验来测定 。 AK=G(Hh ) J J/cm2 0AAKK 当温度下降至某一个温度当温度下降至某一个温度TK 时，时，AK值会急剧减小，使值会急剧减小，使材料呈脆性状态，出现冷脆。材料由韧性状态转变为材料呈脆性状态，出现冷脆。材料由韧性状态转变为脆性状态的温度脆性状态的温度TK为冷脆转化温度。为冷脆转化温度。 抵抗次数很少的大能量冲击载荷作用，其冲击抗力主要决定于K值。而冲击能量不大时，材料承受多次冲击的能力，主要取决于强度。 图1.27

22、 两种钢的温度一冲击功关系曲线 实际使用的材料中不可避免地存在着裂纹。断实际使用的材料中不可避免地存在着裂纹。断裂是由裂纹的形成和扩展引起的。裂是由裂纹的形成和扩展引起的。断裂力学的观点，只要裂纹很尖锐，尖端前沿断裂力学的观点，只要裂纹很尖锐，尖端前沿各点的应力随外加应力的增大而按相应比例增各点的应力随外加应力的增大而按相应比例增大，这个比例系数称为应力强度因子大，这个比例系数称为应力强度因子K1，其表，其表达式为：达式为：当当K1达到某临界值时，裂纹突然失稳而快速扩达到某临界值时，裂纹突然失稳而快速扩展，发生瞬间脆断。这一临界值称为材料的断展，发生瞬间脆断。这一临界值称为材料的断裂韧性，用裂

23、韧性，用K1C表示，它反映了材料抵抗裂纹扩表示，它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。展的能力。 MPam1/2 aYK1耐磨性是在一定工作条件下材料抵抗磨损的能耐磨性是在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力。耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。力。耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。 相对耐磨性是指两种材料相对耐磨性是指两种材料A与与B在相同的磨损在相同的磨损条件下磨损量的比值。条件下磨损量的比值。 绝对耐磨性绝对耐磨性(或简称耐磨性或简称耐磨性)通常用磨损量或磨通常用磨损量或磨损率的倒数表示。损率的倒数表示。耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响

24、。在大多数情况下，材料的硬度愈大量的影响。在大多数情况下，材料的硬度愈大则耐磨性就愈好。则耐磨性就愈好。 粘弹性系指材料在外力作用下，产生的变形随时间呈粘弹性系指材料在外力作用下，产生的变形随时间呈线性增加，而当外力去除后，剩余应变随时间不断松线性增加，而当外力去除后，剩余应变随时间不断松弛的特性，如图弛的特性，如图1.31所示。粘弹性的具体表现有蠕变、所示。粘弹性的具体表现有蠕变、应力松弛、滞后与内耗等。应力松弛、滞后与内耗等。 图1.3l应变随时间的变化 晶体的结晶晶体的结晶 1、 结晶概念结晶概念 非晶体的凝固非晶体的凝固 2、金属的结晶过程金属的结晶过程3、影响形核和长大的因素影响形核

25、和长大的因素4、晶粒大小及控制晶粒大小及控制 5、金属铸锭和焊缝的组织金属铸锭和焊缝的组织 概念：结晶、过冷度概念：结晶、过冷度图图2.1液态金属结构的示意图液态金属结构的示意图图图1.13 金属在聚集状态时自由金属在聚集状态时自由 能与温度的关系示意图能与温度的关系示意图图图1.14 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线过冷度不是恒定值，其大小取决于液态金属的冷却速度、金属的性质和纯度。同一液态金属，冷却速度愈大，过冷度也愈大。非晶固态可以看作粘滞系数很大的非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体熔体”。所以，非晶体的凝固是在一个温度范围内逐所以，非晶体的凝固是在一个温度范围内逐渐完成的。渐完成的。

26、 非晶体处于亚稳状态。非晶体处于亚稳状态。图图 熔体、晶体、非晶体的能量关系熔体、晶体、非晶体的能量关系 形核与长大的过程。形核与长大的过程。 形核包括自发形核和非自发形核。形核包括自发形核和非自发形核。图图1.15 纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图晶核的长大方式：枝晶成长。冷却度越大，晶体的枝晶成长越明显。图图1.16枝晶示意图枝晶示意图 图图 : 锑金属铸锭表面的树枝状晶体锑金属铸锭表面的树枝状晶体晶粒大小与形核率晶粒大小与形核率N（晶核数（晶核数/(scm3)）和）和长大速度长大速度G（cms）有关有关 。影响形核率和长大速影响形核率和长大速 度的重要因素是冷却度的重要因素是冷却

27、速度速度(或过冷度或过冷度)和难熔和难熔杂质杂质 。图图1.17 过冷度与晶体形核率、过冷度与晶体形核率、 长大速度的关系长大速度的关系(1)晶粒度的概念晶粒度的概念(晶粒大小的量度晶粒大小的量度)影响晶粒度的主要因素是形核率影响晶粒度的主要因素是形核率 N 和长大速度和长大速度G。 晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。 (2)晶粒大小的控制晶粒大小的控制1)增大过冷度增大过冷度过冷度愈大，比值过冷度愈大，比值NG也愈大，晶粒就愈细。也愈大，晶粒就愈细。2）变质处理）变质处理向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善向液态金属中加入某些变质剂，以细

28、化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。组织，达到提高材料性能的目的。 同种晶体材料中，不同类型晶体结构之间的转变称为同同种晶体材料中，不同类型晶体结构之间的转变称为同素异构转变。素异构转变。 遵循生核与长大的基本规律。遵循生核与长大的基本规律。 FeFeFe 9121394 图图1.18纯铁的冷却曲线和晶格变化纯铁的冷却曲线和晶格变化把化学成分相同，而组成原子排列成不把化学成分相同，而组成原子排列成不同的分子结构的现象称为同分异构。同的分子结构的现象称为同分异构。同分异构分为两种，一种是结构异构体，同分异构分为两种，一种是结构异构体，另一种是立体异构体。另一种是立体异构体。 (1)表层细晶

29、粒层表层细晶粒层(2)柱状晶粒层柱状晶粒层 (3)心部等轴晶区心部等轴晶区(4)低熔点杂质区低熔点杂质区 图图1.19 钢锭钢锭(件件)典型组织的示意图典型组织的示意图l一表面细晶粒层；一表面细晶粒层；2一柱状晶粒层；一柱状晶粒层；3一心部等轴晶粒区一心部等轴晶粒区4低熔点杂质区低熔点杂质区4柱状晶区结晶后显微缩孔少，组织较致密。柱状晶区结晶后显微缩孔少，组织较致密。 两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂质聚集而形成弱面。质聚集而形成弱面。 柱状晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶柱状晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的性能较高。晶轴方向的

30、性能较高。 等轴晶由于各个晶粒在长大时彼此交叉，不存等轴晶由于各个晶粒在长大时彼此交叉，不存在明显的脆弱区，铸件的性能没有方向性。在明显的脆弱区，铸件的性能没有方向性。 焊缝中熔合金属冷却速度快，传热方向不同，其冷却结晶的组织与铸焊缝中熔合金属冷却速度快，传热方向不同，其冷却结晶的组织与铸锭的结晶组织不同。焊缝金属冷却结晶后，包括下述组织。锭的结晶组织不同。焊缝金属冷却结晶后，包括下述组织。 (1)柱状晶粒区柱状晶粒区 焊缝熔合金属冷却时散热很快，金属晶粒来不及向旁边长大，形成了焊缝熔合金属冷却时散热很快，金属晶粒来不及向旁边长大，形成了柱状粒。柱状粒。 (2)低熔点杂质区低熔点杂质区 对于成

31、型系数对于成型系数(B/H)小的焊缝，散热方向基本与母材金属相平行小的焊缝，散热方向基本与母材金属相平行(散热散热方向实际与焊缝金属熔合线相垂直方向实际与焊缝金属熔合线相垂直)，故焊缝熔合金属的晶粒与母材平行，故焊缝熔合金属的晶粒与母材平行成长，最后结晶的低熔点杂质处于焊缝中心处，这样会减弱焊接接头的强成长，最后结晶的低熔点杂质处于焊缝中心处，这样会减弱焊接接头的强度。对成型系数较大的焊缝，由于散热方向不同，焊缝金属的晶柱成长方度。对成型系数较大的焊缝，由于散热方向不同，焊缝金属的晶柱成长方向与水平方向有倾斜，见图向与水平方向有倾斜，见图1.20(b)。低熔点杂质最后结晶，处于焊缝上。低熔点杂

32、质最后结晶，处于焊缝上部，这样可以改善由于低熔点杂质最后结晶对焊接接头性能的影响。部，这样可以改善由于低熔点杂质最后结晶对焊接接头性能的影响。一、一、金属的变形与断裂金属的变形与断裂二、二、单晶体金属的变形单晶体金属的变形三、三、多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形四、四、金属的恢复与再结晶金属的恢复与再结晶金属的断裂有两种：金属的断裂有两种：断裂时有明显塑性变断裂时有明显塑性变形，断裂的晶粒被拉形，断裂的晶粒被拉长成细条，断口呈纤长成细条，断口呈纤维状，灰暗无光，维状，灰暗无光，-韧性断裂韧性断裂。断裂时无明显塑性变断裂时无明显塑性变形，断口比较平坦，形，断口比较平坦，闪耀光泽，闪耀光泽

33、，-脆性脆性断裂断裂。脆性断裂可沿。脆性断裂可沿晶界发生（晶间断晶界发生（晶间断裂），也可穿过晶界裂），也可穿过晶界发生（穿晶断裂），发生（穿晶断裂），金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。性加工获得优质零件的难易程度。常用金属的常用金属的塑性塑性和和变形抗力变形抗力来综合衡量。来综合衡量。金属的塑性常用截面收缩率金属的塑性常用截面收缩率、延伸率、延伸率和冲和冲击韧度击韧度 A k等指标来表示。等指标来表示。 变形抗力系指在变形过程中金属抵抗外力的能变形抗力系指在变形过程中金属抵抗外力的能力。力。 滑移滑移孪生孪生单晶体受

34、剪应力作用单晶体受剪应力作用滑移面转向与拉伸轴平行；滑移面转向与拉伸轴平行；滑移方向趋于与最大切应力方向一致。滑移方向趋于与最大切应力方向一致。金属晶体的滑移遵循一定的规律 表表1.2 1.2 常见金属晶格中的主要滑移系常见金属晶格中的主要滑移系图图1 .21 1 .21 晶面间距示意图晶面间距示意图（1）只能在剪应力的作用下才能发生。）只能在剪应力的作用下才能发生。（2）滑移总在晶格中最密的晶面或晶向发）滑移总在晶格中最密的晶面或晶向发生。生。（3）位移为原子间距的整数倍。）位移为原子间距的整数倍。（4）滑移的同时伴有晶体的转动。）滑移的同时伴有晶体的转动。孪生变形是在切应力孪生变形是在切应

35、力作用下，晶体的一部作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面分对应于一定的晶面(孪晶面孪晶面)沿一定方向沿一定方向进行的相对移动。进行的相对移动。 孪生变形与滑移变形的区别如下：孪生变形与滑移变形的区别如下： (1)滑移仅在晶体表面形成滑滑移仅在晶体表面形成滑移台阶，晶体的内部晶格不发生移台阶，晶体的内部晶格不发生变化。孪生使晶体的一部分发生变化。孪生使晶体的一部分发生切变，切变处的晶格方位发生变切变，切变处的晶格方位发生变化，与未变形部分形成对称。化，与未变形部分形成对称。 (2)孪生变形所需要的临界应力孪生变形所需要的临界应力比滑移变形所需要的临界应力大比滑移变形所需要的临界应力大得多，且变形

36、的速度极快得多，且变形的速度极快(接近接近声速声速)。 (3)孪生变形时，每层原子沿孪孪生变形时，每层原子沿孪生方向的位移都是原子间距的分生方向的位移都是原子间距的分数倍；而滑移变形时，一部分晶数倍；而滑移变形时，一部分晶体相对另一部分晶体沿滑移方向体相对另一部分晶体沿滑移方向的位移为原子间距的整数倍。的位移为原子间距的整数倍。多晶体金属的塑性变形晶粒取向对塑性变形的影响晶粒取向对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响1. 1. 加工硬化加工硬化 2. 2. 织构现象织构现象3. 3. 塑性变形产生的残余应力塑性变形产生的残余应力 “软位向软位向”、“硬位向硬位向” 由于各个晶

37、粒取向不同，一方面使塑性变形表现出很由于各个晶粒取向不同，一方面使塑性变形表现出很大的不均匀性，另一方面也会产生强化作用。大的不均匀性，另一方面也会产生强化作用。 图：多晶体塑性变形示意图图：多晶体塑性变形示意图在相同的外力作用下，多晶体金属的塑性在相同的外力作用下，多晶体金属的塑性变形量一般比相同成分单晶体金属的塑性变形量一般比相同成分单晶体金属的塑性变形量小。变形量小。 图：图： 多晶体和单晶体锌的拉伸曲线多晶体和单晶体锌的拉伸曲线 A多晶体锌；多晶体锌；B单晶体锌单晶体锌 细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料的韧性。细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料的韧性。 图：图： 纯铁的强度与其晶粒直径的关系纯铁的强度与其