工程材料（金属部分）

1、第二章 材料结构与变形(金属）Microstructure and Deformation of Materials ( Metals)非晶体: 原子无规则地堆集在一起(无序排列)。如松香、石蜡、玻璃等。2.1 金属结构Structure与结晶 Crystallization2.1.1 金属常见的晶体结构 Crystal structure 晶体: 原子按一定的几何规律作周期性地排列(有序排列)。如石墨、金刚石、固态金属等。 性能区别：晶体有固定的熔点和凝固点，呈各向异性,而非晶体则没有。术语：晶面：晶格中各方位的原子面。晶向：晶格中各方向的原子列。晶胞：能够代表晶格特征的基本单元。刚球模型晶

2、胞（单位点阵）晶格点阵结点金属常见三种晶体结构体心立方 body centered cubic (b.c.c.)面心立方 face centered cubic (f.c.c.)密排六方 hexagonal close packed (h.c.p.)体心立方 Body Centered CubicBCC属于体心立方晶格的金属 -Fe(912 以下的纯铁) 面心立方晶格 Face Centered CubicFCC属于面心立方晶格的-Fe(912 1390之间的纯铁)密排六方晶格 Hexagonal Close-PackedHCP晶格类型与性能(如塑性等)的关系如何？参考 P.16不同类型晶格的

3、金属具有不同的性能。塑性：面心立方晶格最好，密排六方晶格最差，体心立方晶格介于二者中间。 体心立方晶格 (b.c.c.) -Fe、Cr、W、V 等二十余种。面心立方晶格 (f.c.c.)-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb 等二十余种。 密排六方晶格( h.c.p.) Mg、Zn、Be、Ti、Cd、等近三十种。实际金属的晶体结构单晶体 晶体中晶格类型与空间位向 排列完全一致。具有各向异性。多晶体 实际使用的金属材料大多都是由许多晶格位向不同的小晶体构成的，称为多晶体。单晶体 single crystal 例如： -Fe弹性模量E对角线上：90，000 MPa棱 边 上：13，000 MP

4、a多晶体每一个小晶体称为一个晶粒。grain晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。Grain boundary图2-3 多体结构图2-3多晶体晶粒：多晶体中的小晶体晶界：晶粒与晶粒的交界 多晶体具有各向同性 (伪各向同性)多晶体由许多晶格位向不同的小晶体构成。实际金属晶体结构2.1.2 金属的晶体缺陷与强化 金属的晶体内部原子的错排称为金属的晶体缺陷，与金属性能变化有直接关系。Three crystal defects金属的晶体缺陷crystal defects在金属的实际晶体结构中，由于多种因素的影响而存在各种缺陷。这些缺陷会使金属的物理、化学、力学性能产生变化，其中最重要的是造成金属的强化。stre

5、ngthening点缺陷造成金属晶格畸变，引起性能变化(1)点缺陷点缺陷是指三维空间中，三个方向上尺寸都很小的缺陷。间隙原子空位置换原子点缺陷 Point defects最常见的点缺陷是晶格空位(Vacancy)、间隙原子(Interstitial atom)(2)线缺陷 线缺陷是指在两个方向上尺寸很小，在另一方向上尺寸较大的缺陷。 位错： 在晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排。分刃型位错、螺型位错、混合型位错三类。类型: 各种位错。DBCA线缺陷Linear defect 线缺陷-位错(dislocation) 在晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排现象称为位错。 位错在晶体中的移

6、动会使金属塑性变形容易进行。但当位错密度增加到一定程度时，使位错移动困难又会使金属的强度提高，这种现象称为：位错强化 晶界：晶粒与晶粒之间的交界 。 (3)面缺陷面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，在另一方向上尺寸较小的缺陷。常见的是晶界。面缺陷Planar defects晶界- Grain boundary晶界实际上是位向不同的晶粒之间的过渡层，晶界处原子排列不规则，晶格处于畸变状态。通过细化晶粒，增加晶界面积提高金属强度的方法。必须指出，这种强化与位错强化不同，晶界强化不仅使金属强度提高，还使塑性、韧性得到改善。晶界强化或细晶强化：金属的结晶 及过冷现象 热分析法（测定冷却曲线）2.1.3 金

7、属的结晶与同素异构转变温度时间TnT0213Crystallization and change in crystal structure of metal 金属的结晶在时间-温度坐标图中，画出金属冷却过程的曲线，称为冷却曲线。（Cooling curve ） 图2-7 纯金属的冷却曲线T0Tn温度 时间 平衡结晶平衡结晶温度(或理论结晶温度)To 实际结晶温度Tn过冷现象过冷度degree of under-cooling 即T=To-Tn。过冷是结晶的必要条件温度时间TnT0213金属的结晶及过冷现象 热分析法（测定冷却曲线）过冷度理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。T=To-Tn

8、。实际结晶温度和过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大。纯金属的结晶是一个恒温过程，但对于大多数合金来说，它们的结晶过程却是一个温度区间。T0Tn温度 时间 纯金属合金2. 金属的结晶过程不断的形核与核长大晶核形成 自发形核 非自发形核核长大 枝晶长大 平面晶长大 对性能的影响: 一般情况下，晶粒越细小，其强度越高、塑性及韧性越好。 单位体积内的晶粒数目Z取决于结晶时的形核率N(单位时间在单位体积内所生成的晶核数目)与晶核长大速度v两个因素，它们之间存在以下关系： Z N/v 3. 晶粒度及其控制 晶粒度即是晶粒大小的等级， 常用单位体积内晶粒数目表示。 Z N

9、/v细化晶粒的主要方法是：(1)增大过冷度 N(适用于小型零件)(2)变质处理（孕育处理）(3)振动搅拌变质处理(孕育处理)加入人工晶核细化晶粒 grain size reduction 金属常用强化方式之一同素异构转变 P.19金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变。如:铁Fe 、钴Co 、钛Ti锡Sn 、锰Mn 等重结晶与结晶相似点： 转变在恒温下进行, 有形核与长大的过程， 必须有一定的过冷度。400600800770 d-Fe g-Fe a-Fe 9121538 1394 时间 2001000120014001600温度4. 金属的同素异构转变重结晶与结晶的区别：1.新的晶核往往在原

10、晶界上形成；2.固态转变需要较大的过冷度；3.会产生体积变化，引起较大的内应力。(例如:由-Fe转变为-Fe时体积增大1%)400600800770 d-Fe g-Fe a-Fe 9121538 1394 时间 2001000120014001600温度4. 金属的同素异构转变如:钢与铸铁 铁和碳的二元合金, Fe-C 黄铜 铜与锌的二元合金, Cu-Zn 锡青铜 铜与锡的二元合金, Cu-Sn 硬铝 Al-Cu-Mg 铝与铜、镁的三元合金 2.1.4 合金的结构 structure of alloys 合金是指两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结等方法制成的具有金属特性的物

11、质 组元组成合金的独立物质。组元通常指纯元素，也可以是稳定的化合物。根据合金的组元数，合金分为二元合金、三元合金等 合金系：给定组元所组成的一系列合金的总和。金属或合金中，具有相同化学成分、相同晶体结构、并有明显界面分开的均匀组成体。同一合金中可以有多种相，不同的相与相之间有界面分开。(相界面)例如：L、SL-Fe 、-Fe、 g-Fe、 a-Fe 定义 相： phases in alloy 用肉眼或光学显微镜观察到的内部构造图象。 组织由合金的基本相混合组成。定义 组织：固溶体 ( solid solution ) 合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍然保持溶解状态的合金相。特征：溶剂

12、为含量较多的基体金属，晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素，晶格类型消失。(例如：Cu Zn 合金 ）无限固溶体， 如铜镍合金；有限固溶体， 如铜、钼、铝、钨等，与铁形成的固溶体溶质原子溶剂原子(1)置换固溶体 substitutional 溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部分位置而形成的固溶体称为置换固溶体。 溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体称间隙固溶体。 为有限固溶体溶质原子溶剂原子(2)间隙固溶体 interstitialDistortion of lattice as forming a) substitutional solid solution and b) int

13、erstitial solid solution晶格畸变(distortion of lattice)：溶质元素的溶入使溶剂晶格发生畸变，晶格畸变增加了位错移动的阻力，提高了金属的强度、硬度。固溶强化：Solid solution strengthening通过溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称固溶强化。 固溶体有良好的塑性与韧性。金属常用强化方式特点: 1.一般晶格复杂，不同于任一组元。 2.组成元素之间有特定的比例。 3.与普通化合物不同。 4.较高的熔点，很高的硬度与脆性。铁原子碳原子2. 金属化合物(compound) 合金中各组元按一定方式形成的一种新晶体称为金属化合物。

14、如钢铁材料中的渗碳体(Fe3C)。弥散强化 P.22复杂的结构使金属化合物具有较高的熔点，很高的硬度与脆性。合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性降低。由于金属化合物硬而脆，通常不能作为合金的基体材料，而是以弥散状态(细粒状、细点状)分布于合金基体上作为强化相。金属化合物以弥散粒子作为第二强化相使金属强度、硬度提高的现象称为弥散强化。Precipitation strengthening 弥散度越高，金属强度、硬度越高。由于第二强化相粒子很小，对合金的塑性、韧性影响较小。弥散强化： 在固态合金中，还存在着机械混合物。 机械混合物是由两种或两种以上的相（固溶体或者金属

15、化合物）混合而成的。组成混合物的各相仍保持原来晶格类型与性能。 机械混合物的整体性能则取决于各组成相的性能以及它们各自的形状、数量、大小及分布情况。组织形态：机械混合物的组成相、各组成相之间的比例、以及它们各自的形状、数量、大小及分布情况。 aCm2.2 塑性变形transfiguration和强化strengthening 2.2.1 金属的塑性变形及其对金属组织性能的影响塑性变形 : 外力去除后不能恢复的永久性变形。1. 单晶体的塑性变形（正应力）晶格 弹变 断裂1. 单晶体的塑性变形（切应力） 在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分产生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。晶格

16、弹变 弹塑变 塑变 滑移是由位错在滑移面上的运动。134566543212566544321123123456654321123456123456123456123456 金属晶体的塑性变形，是由于晶体中存在着位错，位错中心的原子位移引起了位错运动，大量的位错运动引起晶体滑移的结果。塑变的实质！不同位向的晶粒之间先后进行滑移,相互协调。ssA2. 多晶体的塑性变形特点：晶粒越细，变形抗力就越大。(晶界）晶粒越细，塑性提高。 晶界：晶粒与晶粒之间的交界 。 (3)面缺陷面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，在另一方向上尺寸较小的缺陷。常见的是晶界。面缺陷Planar defects晶界- Grain

17、boundary晶界实际上是位向不同的晶粒之间的过渡层，晶界处原子排列不规则，晶格处于畸变状态。 在常温下金属塑性变形后，内部组织将发生变化。晶粒及晶界杂质沿着变形最大的方向伸长，其显微组织呈纤维状线条，称作纤维组织组织变化：部分晶粒破碎，亚晶粒数目增多，细化；位错密度增加，晶格畸变严重。3. 塑性变形对金属组织和性能的影响400200600800100020406080100d %sb (MPa)010203040506070 sbd冷轧变形度y(%)性能变化：随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高、塑性和韧性不断降低，这种现象称为冷作硬化或加工硬化。加工硬化work hardening 金属常用强化方式之一硬化原因：主滑移面减少，亚晶界面积和位错密度增加。从而导致变形阻力增大，变形能力减小。塑性和韧性降低横纤维抗切顺纤维抗拉金属中出现纤维组织后性能出现各向异性。性能变化：纤维组织的利用原则：使正应力顺纤维方向切应力横纤维方向保持纤维完整不被切断纤维组织合理利用锻造毛胚切削的齿轮板材切削加工的齿轮锻造的曲轴切削加工的曲轴完全锻造的齿轮纤维组织合理利用2.2.2 回复与再结晶消除