工程材料CH工程材料的结构第讲

1、第2章 工程材料的结构 1材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。对材料内部结构水平的认识：宏观、微观。2What? “组织结构”3相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。广义的讲组织结构包括了成分、相、组织、结构等概念。组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。42.1 金属的晶体结构和组织2.2 合金的晶体结构和组织2.3 塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能的影响52.1 金属的晶体结构和组织一、理想晶体 1晶体与非晶体 晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空

2、间呈规则、 周期性排列。非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。(a)、是否具有周期性、对称性；(b)、是否长程有序；(c)、是否有确定的熔点；(d)、是否各向异性。区 别62晶体结构的描述 a.理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界； 严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷； 原子在其平衡位置静止不动。 b. 理想晶体的晶体学抽象（见下图） 空间规则排列的原子刚球模型晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小组成单元）晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。7理想晶体的晶体学抽象示意 83晶胞的描述

3、晶体学参数：a, b, c,晶格常数：a, b, c晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系 单斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系 cXZYOba七个晶系：9布拉菲空间点阵晶胞10晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。确定方法:设置坐标;求投影坐标;取最小整数。11晶面(crystal face):在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。确定方法: 设置坐标;求截距;取倒数。晶面指数(indices of crystallographic plane

4、 ):用密勒(Miller)指数对晶格中 某一晶面进行标定。 124三种典型的金属晶体晶胞(图) 属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等 属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。 属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。体心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp13141、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68%

5、15晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。8*1/8+1=2 原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。 致密度=（晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积）X100% 属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。BCC为12162、面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度

6、FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 17FCC刚球模型 属于此类结构的金属有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。183、密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 19 属于此类结构的金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。HCP刚球模型20BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度

7、BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 21密排面与密排方向 110, 111, 底面, 底面上任 意相邻原子的连线22二实际晶体 理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致各向异性多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各向同性 晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。 a、 点缺陷 b、 线缺陷（位错） c、 面缺陷 单晶体多晶体23A、 点缺陷 晶格结点处或

8、间隙处，产生偏离理想晶体的变化。 空位 (vacancy ) ： 晶格结点处无原子 置换原子(gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据 间隙原子(substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙 空位、间隙原子、置换原子示意图 空位24点缺陷导致晶格畸变置换原子引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变25B、 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。 刃型位错( screw dislocation ) 螺型位错 ( blade dislocation )26c、 面缺陷( surface-defec

9、t ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。 晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。表面（surface）：表面与内部不同。 区域：大角度晶界-晶界小角度晶界-亚晶界2728 Cu-Ni 合金中的亚结构29三、晶体中的扩散 扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。 1、概念扩散热激活过程（以克服晶格约束）302影响扩散的因素(1) 温度 使原子能量提高 （最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do扩散系数(cm2/s), Q扩散激活能(2) 晶体结构 致密度

10、小克服的能垒小扩散容易(3) 表面及晶体缺陷 晶格畸变高能态原子激活能小(体扩散的0.6-0.7)扩散快100-1000倍Do，Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构；温度提高10-15度，D提高一倍。31四、纯金属的结晶及其组织 1结晶与凝固的区别 凝固：LS S可以是非晶结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态LiquidSolid322结晶驱动力F0，而不是过冷度T 自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵）过冷

11、度： T=Tm-Tn , F用来克服界面能Tma 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定b当温度TTm时，FsL+初-L+初+（ c+ e)- 初+（ c+ e)- + II+（ +） 亚共晶合金组织 6162相组成物：， 室温下：组织相对量： 在共晶温度时： 室温下： 初-+ II 63L=M+fg64合金IV：（ 过共晶合金）-作业 组织标注相图 IVIIII(+ )相（%）组织（%）65四、合金性能与相图的关系 1、合金的使用性能与相图的关系66 溶质元素晶格畸变大强度、硬度，（50%最大） 复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平

12、均值。HB=HB * % + HB*% 对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）672、合金的工艺性能 68a. 铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。 液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。 b.锻造、轧制性能单相固溶体合金单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好6

13、92.3 塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能的影响70静载单向静拉伸应力应变曲线(低碳钢 )简单回顾四阶段 71一 、金属材料的塑性变形 变形是工程材料在外力作用下会发生的最基本的失效方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两种。塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。不需要塑性变形：抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；需要塑性变形：塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。 72(一)、单晶体的塑性变形单晶体变形规律：滑移晶体学多晶的变形是各个晶粒的变形的总和。（A）塑性变形方式：滑移.

14、塑性变形方式滑移和孪生 在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。73要点1：滑移变形的起因外力P在滑移面上的分解正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。74滑移就是晶体滑移面两侧部分或整体的相对移动（刚性移动）。 在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。滑移面最大密排面滑移方向最大密排晶向要点2：滑移变形如何进行相对移动的位置与方向75位错滑移塑性变形 切应力

15、作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。 大量位错（原子距）移出晶体滑移线（1000原子距）滑移带要点3：滑移变形的本质位错机制76晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的，而勿需使晶体的两部分作整体相对移动。 滑移的实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值）金属计算值 (MN/m2)实测值 (MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！77

16、滑移系：滑移面和该面上的一个滑移方向 金属三种常见晶格的滑移系要点4：不同金属的滑移变形特征78Why? 体心立方（-Fe）和面心立方金属（Cu、Al）滑移系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能力更好?79滑移系数目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。 （滑移方向的作用大于滑移面的作用）FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个；FCC的滑移方向（3个）多于BCC （2个） 。金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP） 80晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为

17、孪生带或孪晶。（B）塑性变形方式 ：孪生Why发生孪生变形？何种情况下发生？特点：均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。临界分切应力滑移分切应力；形变量很小；形变速度快，接近声速。81孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：. FCC金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。. BCC金属仅在室温或受冲击时发生。. HCP金属较容易发生孪生。82(C）滑移和孪生的异同滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形；孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生 ；滑移原子移动的相对位移是原子间距的整

18、数值不引起晶格位向的变化；孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值孪生晶格位向改变促进滑移 ；孪生产生的塑性变形量小（滑移变形量的10）， 但引起的晶格畸变大。83（二）、实际金属（多晶）的塑性变形主要影响因素：晶界、晶粒和位向（A）晶界： .滑移的主要障碍：原子混乱排列区，较不规则缺陷、杂质集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。.协调变形：晶界自身变形以维持相邻晶粒变形保持连续。位错塞积位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来。84（B）晶粒 . Hall-Pitch关系：s=0+Kyd-1/2 .细晶强化：晶粒细化强度、硬度提高、塑性、韧性也提高，原因？晶粒小晶界面积大变形抗

19、力大强度大晶粒小单位体积晶粒多变形分散相邻晶粒不同滑移系相互协调晶粒小晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较大的塑性变形细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！85二、塑性变形对金属组织与性能的影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能的影响86晶粒形貌及结构变化 晶粒拉长，纤维组织各同异性a.纤维组织（组织）b. 亚结构形成（晶内结构变化） 形变位错密度（ -）位错缠结胞壁亚晶钢的纤维组织（变形度80%87织构择优取向（组织）择优取向变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。 形变织构金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特

20、殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。有害：“制耳”现象有利：硅钢片：电机、变压器铁芯88. 加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。89加工硬化机理：1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要；2）冷加工成形得以顺利进行；3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载断裂能力，保证构件安全性；4）塑性，切削性能；不利：塑性变形困难中间退火消除塑性变形位错移动位错大量增殖相互作用运动阻力加大变形抗力强度、硬度、塑性 、韧性位错强化：位错密度强度、硬度意义904残余内应力（性能）第一类

21、内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力超微观，晶粒畸变（90%）。去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。911、塑性变形金属在加热时组织性能变化 （二）、金属在加热条件下的塑性变形922、回复、再结晶和晶粒长大 1）回复原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低去应力退火。驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）932）再结晶1）新的形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化等轴晶粒，强度大大下降。 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度：纯金属： TR=0.

22、4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）94性能恶化，特别是塑性明显下降。在工艺处理应注意防止产生。3）晶粒长大95影响再结晶晶粒度的因素 温度TD晶界迁移晶粒度长大预变形度96 TR以上加工，不引起加工硬化提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶、树枝晶、流线分布等。 3、热加工对金属组织性能的影响97塑性变形对金属组织和性能的影响 变形类型 工艺方法 组织变化 性能变化 冷变形 加工 冷轧、拉拔、冷挤压、冷冲压、冷镦等 晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织 趋于各向异性 晶粒破碎，形成亚结构， 位错密度增加 强度提高，塑性下降，造成 加工硬化，密度下降 冷拉、冷轧等 晶粒位向趋于一致，形成 形变织构 趋于各向异性 热变形 加工 自由锻、模锻、 热轧、热挤压等 焊合铸造组织中存在的气孔，缩松等缺陷 力学性能提高，密度提高 击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析减少，晶粒细化 夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，缓慢冷却可形成带状组织 趋于各向异性，沿流线方向力学性能提高 98CH2作业术语：相、组织、晶体结构、晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒度、过冷度、变质处理、合