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1、1 机械工程材料Mechanical Engineering Materials2 第1章 材料的结构与凝固 本章目录1.1 金属的晶体结构 1.1.1 晶体结构的基本概念 1.1.2 三种常见的金属晶体结构 1.1.3 常见金属晶体结构的特征 1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性 1.1.5 实际金属的晶体结构1.2 合金的晶体结构 1.2.1 合金概述 1.2.2 固态合金的相结构1.3 非金属材料的结构 1.3.1 高分子材料的结构 1.3.2 陶瓷材料的结构3 1.1 金属的晶体结构 1.1.1晶体结构的基本概念晶体内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。如天然金刚石、钻石

2、、水晶、氯化钠、明矾等。 固体金属均为晶体。 非晶体原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、木材等。空间点阵（晶格） 将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。晶胞能够反映晶格特征的最小组成单元。图1-1 晶体中的原子堆垛刚球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意图4晶格参数晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、 六个参数来描述 晶格常数a、b、c。1.1.1晶体结构的基本概念图1-2 晶格参数5体心立方晶格-金属中如Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等属此种晶格。面心立方晶格-金属中如Al、Mn、Ni、Cu

3、、Ag、Pt、Au、Pb 及-Fe等属此种晶格。密排六方晶格-金属中如Zn、Mg、Be、Cd、 -Ti及 -Co等等属此种晶格。1.1.2 三种常见的金属晶体结构(a)体心立方（b）面心立方（c）密排六方61.1.3常见金属晶体结构的特征（1）晶胞中的原子数面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格71.1.3 常见金属晶体结构的特征（2）原子半径面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格8 配位数晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。 配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。（3）配位数和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12体心立方晶格：89致密度-晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即

4、 K=nU/V 配位数大，则致密度亦大。式中：K-晶体的致密度； n-晶胞中所含原子的数目； U-每个原子的体积； V-晶胞的体积。 （3）配位数和致密度面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格10表11 三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.74111) 晶面-通过晶体中原子中心的平面。 晶面指数-用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（hkl） 晶面指数的确定 晶面族 HKL1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性122) 晶向-是晶体中原子列所表示的方向。晶向指数-表示晶向的数字符号称为晶向指数uvw晶向指数

5、的确定晶向族 133）金属晶体的各向异性定义金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的方向性。这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。14 2.3 实际晶体结构及晶体缺陷（1） 实际晶体结构 单晶体金属内部的晶格方位完全一致。 多晶体多晶粒组成的实际晶体结构。 晶粒组成多晶体的外形不规则的小晶体。 晶界晶粒与晶粒间的界面。 组织用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 显微组织显微镜所观察到的组织。 亚晶粒晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。 亚晶界亚晶

6、粒之间的界。15（2） 晶体缺陷1） 点缺陷：包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。 危害：点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。16 2） 线缺陷：即位错，或称为位错线。 位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律的错排现象。 包括：刃型位错、螺型位错17 3）面缺陷： 晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。 面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。18结晶概述：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。 结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要

7、驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。金属结晶时形成的组织铸态组织，不仅影响其铸态的性能，而且也影响其经冷、热加工后材料的组织与性能。 1.4 凝固的基本概念 19结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即T=T0Tn。只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有一定的过冷度。20凝固产物液态物质凝固成固态时，凝固

8、的产物并非都是晶 体，也可能是非晶体。凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的黏度和凝固的速度。冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。21 金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。 （1）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。1.5 金属的结晶22均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度

9、时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。异质形核是液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过冷后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的原子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核。23 （2）晶核的长大 一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液固相界面向液相不断推进的过程。晶体的生长有2种常见的形态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。24 通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。只有当温度

10、降到T0以下某一温度T1时，固态原子的自由能低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。金属的冷却曲线25 结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。结晶后的晶粒大小及其控制26 晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。 通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。 细化晶粒的方法主要有如下几种： （1）增大过冷度 （2）变质处理 （3）振动和搅拌影响晶粒大小的因素和细化晶粒的措施

11、27金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶区；（3）中心等轴晶区。金属铸锭的结晶组织28金属晶体的同素异构 金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为同素异构转变。 金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。1.6 材料的同素异构现象29有机高分子的同分异构 化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有机物中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键接异构三种。无机非金属晶体的同素异构 无机非金属的同素异构又称为同质异构，是指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。 相同成分的物质，常常可能有一

12、种以上的原子排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。结构不同会使材料的性能不同。30有机高分子的旋光异构 正四面体的中心原子（如C、Si、P、N）上四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生异构体，常称为旋光异构 。 31有机高分子的旋光异构 由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键接方式。以CC链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无规立构。 32有机高分子的几何异构 组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同而形成顺式和反式构型之分，称为几

13、何异构。 不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异构体，对该聚合物的性能起决定性作用。 33有机高分子的键接异构 键接异构是指结构单元在高分子中的连接方式，有头头键接、头尾键接、尾尾键接三种方式。 单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能特别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列规整，以提高聚合物的结晶性能。 34 机械工程材料Materials For Mechanical Engineering 35 第2章 材料的性能与力学行为本章目录2.1 材料的静态力学性能 2.1.1 材料的强度与塑性 2.1.2 材料的硬度2.2 材料的动态力学性能

14、2.2.1 材料的冲击韧度 2.2.2 材料的多冲抗力 2.2.3 材料的疲劳强度 2.2.4 材料的断裂韧度2.3 材料的物理、化学性能 2.3.1 材料的物理性能 2.3.2 材料的化学性能2.4 材料的工艺性能 2.4.1 材料的铸造性能 2.4.2 材料的锻造性能 2.4.3 材料的焊接性能 2.4.4 材料的切削加工性能 2.4.5 材料的热处理性能2.5 金属的塑性变形及强化 2.5.1 单晶体的塑性变形及强化 2.5.2 实际金属的塑性变形及强化 2.5.3 冷变形对金属组织结构的影响 2.5.4 冷变形对金属性能的影响2.6 金属的再结晶与变形加工 2.6.1 冷变形金属在加热

15、时的组织和性能变化 2.6.2 金属的热变形加工2.7 高聚物的力学状态 2.7.1 线型无定行高聚物的力学状态 2.7.2 线性结晶型高聚物的力学状态 2.7.3 体型高聚物的力学状态2.8 高聚物的力学行为 2.8.1 高弹性 2.8.2 黏弹性 2.8.3 塑性与受迫弹性 2.8.4 强度与断裂材料的性能36使用性能工艺性能力学性能 物理性能化学性能铸造性能 可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性 工程材料的性能使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零

16、件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。3738 2.1 材料的静态力学性能2.1.1 材料的强度与塑性一、拉伸实验拉伸试样GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法,规定有圆形、矩形、多边形、环形等试样。常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0圆形标准拉伸试样39拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试验将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直至拉断。

17、在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。拉伸曲线op段：比例弹性变形阶段pe段：非比例弹性变形阶段s段（平台或锯齿）：屈服阶段sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段b点：形成了“缩颈”bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂40L Fopes bk()（） 低碳钢的拉伸曲线（外力F-变形量L曲线及应力 -应变曲线）41强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。比例极限：是应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用p表示，单位为MPa。弹性极限：是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变

18、形时所能承受的最大应力值，用e表示，单位为MPa。屈服强度：是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以下屈服强度ReL作为屈服强度的值，单位为MPa。对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2% 残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2，即所谓的“条件屈服强度”。抗拉强度：是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最大应力值，用Rm 表示，单位为MPa。二、强 度三、刚度与塑性刚度：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性模量：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。用E 表示，单位为MPa。 塑性:是指材料

19、在断裂前发生不可逆永久变形的能力。断后伸长率：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断后标距Lu与原始标距L0之差）与原始标距长度L0的百分比。用符号A表示（相当于旧国家标准的5）。断面收缩率：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量(原始横截面积So与断后最小横截面积Su之差)与原始横截面积 So之比的百分率，用符号Z表示。422.1.2 材料的硬度硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、迅速、不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科研中得到广泛应用。 分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表

20、征材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。431、布氏硬度测定原理：用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，在试验力P的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑(压痕)，用读数显微镜测量其压痕直径d，求出压痕表面积，用试验力P除以压痕表面积所得的商作为被测金属的布氏硬度值，用符号HB表示。44布氏硬度试验原理示意图 表示方法：当压头为淬火钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料，如：320HBS；压头为硬质合金压头时，用HBW表示，适用于布氏硬度大于450且小于650的材料，如：540HBW。4

21、5应用范围：适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。特点：测量误差小、数据稳定，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度(如铸铁、轴承合金等) 。但试验较费时，压痕较大，不宜用于测太薄件或成品，也不能用来测太硬的材料。2、洛氏硬度测定原理：用一个顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷F作用下压入被测试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。实测时，硬度值的大小由硬度计的指示器上直接读出。表示方法：洛氏硬度用符号HR表示，最常用的标尺为HRA、 HRB、 HRC;符号HR前面的数字为硬度值，后面

22、为使用的标尺，如55HRC表示用C标尺测定的材料洛氏硬度值为55。46洛氏硬度试验原理示意图表2-1 常用的三种洛氏硬度试验规范特点：试验操作简便迅速，测量硬度值范围大，压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。但测定结果不够准确。硬度符号压头类型载荷/N(kgf)硬度值有效范围使用范围HRA120金刚石圆锥558.4(60)70(相当350HB以上)适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层HRB1.588mm钢球980.7(100)25100(相当60230HB)适用于测量有色金属、退火、正火钢等HRC120金钢石圆锥1471(150)2067(相当230700HB)适用于调质钢、淬火钢等473

23、、维氏硬度将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头，在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，在试样表面压出一个四方锥形压痕，试验载荷P除以压痕表面积所得的商即为维氏硬度,用符号HV表示。 48维氏硬度试验原理示意图 维氏硬度49维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度压痕2.2 材料的动态力学性能2.2.1 材料的冲击韧度韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。一次冲击弯曲试验 ：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为G的摆锤安放到规定的高度H，然后下落将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试

24、验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak ，AK数值在试验机的刻度盘上直接读出。50摆锤式冲击试验原理示意图 冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧度值就是试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，即将冲击吸收功Ak除以试样断口处的横截面积。冲击韧度用符号k 表示，单位为Jcm2。5152韧脆转变温度：在某一温度范围内冲击韧度值发生急剧下降的现象称为韧脆转变（或冷脆），发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度。 韧脆转变温度曲线示意图解理断口韧窝断口2.2.2 材料的多冲抗力多次冲击弯曲试验是将材料制成专用试样，放在多冲击试验机上，试样受到试验机锤头较小能量（1500J）多次

25、冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数（N），经受的冲击次数N代表金属的抗冲击能力。53金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其多冲抗力主要取决于材料的强度和塑性。2.2.3 材料的疲劳强度交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。54一个疲劳源两个疲劳源断口示意图疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。单位为MPa。通常规定钢铁材料的循环基数N=107；非铁金属的循环基数N=108；腐蚀介质

26、作用下的循环基数N=106。55 疲劳曲线示意图 提高疲劳抗力的方法：设计上减小应力集中；强化表面。2.2.4 材料的断裂韧度断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2。应用（判断构件是否安全，合理选材） KI KIC 构件发生脆性断裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。562.3 材料的物理、化学性能2.3.1 材料的物理性能密度 熔点 热膨胀性导电性导热性磁性2.3.2 材料的化

27、学性能耐腐蚀性抗氧化性化学稳定性572.4 材料的工艺性能2.4.1 材料的铸造性能2.4.2 材料的锻造性能2.4.3 材料的焊接性能2.4.4 材料的切削加工性能2.4.5 材料的热处理性能58塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加热时组织的变化,有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。595万吨水压机2.5 金属的塑性变形及强化金属在外力作用下会发生塑性变形。塑性变形是强化金属的重要手段之一。金属材料在熔炼浇注成铸锭后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻造及冲压等。如图所示。60通过压力加工既可将金属材料加工成各种形状和尺寸的

28、制品，还可改变材料的组织和性能。经过冷塑性变形的金属会产生组织和性能的变化，在加热过程中，又会使其组织发生回复、再结晶和晶粒长大等一系列变化。了解上述过程的实质，了解各种影响因素及规律，对掌握和改进金属材料的压力加工工艺，控制材料的组织和性能，具有重要意义。612.5.1 单晶体的塑性变形及强化外力使金属发生两类变形：弹性变形：可逆，外力去除后 变形可完全恢复。塑性变形：不可逆，为永久变形。单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力：只能引起弹性变形及 解理断裂。切应力：使金属晶体塑性变形。62外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片63韧性断口脆性解理断口 塑

29、性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 滑 移滑移:晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。64 1、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。65 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。66 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 滑移面滑移方向FF一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。67体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格1106111110111晶格滑移面滑移方向滑

30、移系三种典型金属晶格的滑移系21114362=1243=12六方底面1底面对角线313=3六方底面底面对角线 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。68（面心立方）（密排六方）滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。 69铜拉伸试样表面滑移带 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。70 切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动

31、 71转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。72当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移. 滑移后，滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 A0AA1FF滑移面滑移方向最大切应力方向铝的杯状和锥状韧性断口73 2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。74多 脚 虫 的 爬 行75晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。刃位错的运动76 孪

32、生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。77 发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称 孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 78孪晶组织孪生示意图 与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。79密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。80奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相

33、中的形变孪晶 2.5.2 实际金属的塑性变形及强化 单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。1、多晶体塑性变形的特点（1）、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。81 晶界对塑性变形的影响82Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积 (2)、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互 约束，使得多晶体金属 的塑性变形抗力提高。 （3

34、)、各晶粒变形不同时 83 2、多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。 84铜多晶试样拉伸后形成的滑移带 3、晶粒大小对金属力学性能的影响（细晶强韧化）金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。85晶粒大小与金属强度关系Cu-Zn合金86金属的晶粒越细，其

35、塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。应变应力塑性材料脆性材料通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。 87 4、合金的塑性变形与强化 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。88珠光体奥氏体 1、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶

36、强化。89产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用。溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。 90Cu-Ni合金成分与性能关系2、多相合金的塑性变形与弥散强化当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。 91+钛合金中的固溶体第二相DD398高温合金中的化合物第二相 当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利;当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧

37、性；92珠光体 当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。93弥散强化的原因：硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片高温合金中的颗粒状第二相94位错切割第二相粒子电镜观察切割进入第二相粒子的位错示意图2.5.3 冷变形对金属组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。95塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。变形前变形后工业纯铁在塑性变形前后的组织变

38、化965%冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态(c) 变形80%(b) 变形40%由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。97形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板 “制耳”有无轧制铝板的“制耳”现象982.5.4 冷变形对金属性能的影响 1、加工硬化随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。99冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，

39、%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形与性能关系100 产生加工硬化的原因是: 1、随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。 101Si中的位错源晶体中的位错源位错密度与强度关系2. 随变形量增加，亚结构细化3. 随变形量增加, 空位密度增加4. 几何硬化：由晶粒转动引起由于加工硬化, 使已变形部分发生硬化而停止变形, 而未变形部分开始变形。没有加工硬化, 金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。102变形20%纯铁中的位错未变形纯铁三、残余内应力 内应力是指平衡于金属内部的

40、应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。103金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。内应力分为三类：第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力).第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 (微观内应力)。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。 曲轴中内应力的模拟第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。104内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。晶界位错塞积所引起的应力集中 2.6 金属的再结晶

41、与热变形加工2.6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可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。 105加热温度 黄铜 1、回复 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。106 由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。 在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力

42、、电阻率等显著下降。工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。10780%冷变形Al合金回复后的TEM明场像 2、 再结晶当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。108铁素体变形80%670加热650加热再结晶也是晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。109Al合金再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核冷变形奥氏体不锈钢加热时再结晶晶粒形核于高密度位错基体上由于再结晶后组织的复原，因而金

43、属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。110冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形(变形量为38%)黄铜580C保温15分后的的再结晶组织 再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。111580C保温8秒后的组织580C保温3秒后的组织580C保温4秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶影响再结晶温度的因素为：（1）、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。112T再与的关系纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近

44、似关系： T再（K）0.4T熔（K） 其中T再、T熔为绝对温度.金属熔点越高, T再也越高.T再 = (T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451 （ 2）、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.113合金元素对工业纯铁再结晶温度的影响纯度对铝再结晶温度的影响 （3）、再结晶加热速度和加热时间提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。 114黄铜580C保温8

45、秒后的组织黄铜580C保温15分后的组织3、再结晶后的晶粒长大再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发过程。115黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温8秒后的组织580C保温15分后的组织700C保温10分后的组织 晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低 。116原子穿过晶界扩散晶界迁移方向黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片117冷变形量为38的组织580C保温3秒后的组织580C保温4秒后的组织580C保温8秒后的组织580C保温15分后的组织700C保温10分后的组织 影响再结晶晶粒大小的因素 1

46、、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。118再结晶退火温度对晶粒度的影响 2、预先变形度 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀,再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。119预先变形度对再结晶晶粒度的影响当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。 120对于某些金属，当变形量相当大时(90%),再

47、结晶后晶粒又出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。再结晶全图121系关的间之度温及度形变预与度粒晶晶结再 2.6.2 金属的热变形加工 一、冷加工与热加工的区别在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。冷加工：低于再结晶温度的加工热加工：高于再结晶温度的加工122轧制模锻拉拔如 Fe 的再结晶温度为451，其在400 以下的加工仍为冷加工。而 Pb (熔点为327) 的再结晶温度为-33，则其在室温下的加工为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。123巨型自由锻件自由锻124金属的冷热加工125模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压冷

48、轧与热轧126 二、热加工对金属组织和性能的影响 热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。 127锻压热轧粗晶粒材料变形拉长的晶粒再结晶晶粒形核再结晶晶粒长大再结晶完成晶粒细而均匀材料热加工动态再结晶示意图热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。 128滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织在加工亚共析钢时,发现钢中的 F 与 P呈带状分布，这种组织称带状组织。12

49、9带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。正火组织带状组织热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。130蒸汽-空气锤3热加工过程的控制（1）控轧控冷技术控制轧制是通过热轧工艺参数（加热温度、道次轧制温度、压下量）的最佳化，使奥氏体(A)变成为细晶组织的技术。控制冷却是在奥氏体相变的温度区间进行某种程度的快速冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加微细化，它是在A状态的基础上再对被控制的A进行相变控制。组织的控制轧制和控制冷却技术称为热控制机械技术TMCP

50、(Thermo Mechanical Controlled Processing)。运用控轧控冷技术能使钢材获得强度与低温韧性均高的优良性能，这已在轧钢生产上得到了广泛应用。 131（2）控轧控冷工艺参数控制特点控轧和控冷工艺参数控制与普通热轧工艺比有如下特点：1）控制钢坯加热温度。根据对钢材性能的要求来确定钢坯加热温度，对于要求温度高而韧性可以稍差的微合金钢，加热温度可以高于1200。对于韧性为主要性能指标的钢材，则必须控制其加热温度在1150以下。2）控制最后几个轧制道次的轧制温度。一般要求终轧道次的轧制温度接近温度，有时也将终轧温度控制在（+）两相区内。1323）要求在A未再结晶区域给予

51、足够的变形量。对于微合金钢要求在900950以下的总变形量大于50，对于普通碳钢通过多道次变形累计达到A发生再结晶。4）要求控制轧后的钢材冷却速度、开始快冷速度、快冷终了温度或卷取温度，以便获得必要的显微组织。通常要求轧后第一冷却阶段冷速要大，第二阶段冷速根据钢材性能要求不同而不同。133表2-6 提高控轧、控冷钢材强韧性的因素 因 素 控制途径及其行为 晶粒细化 发生A的动态再结晶和静态再结晶；在未再结晶区轧制变形，使晶内产生变形带，促使相变细化；控制轧后相变时的冷却速度，防止晶粒长大析出强化 铌、钒、钛元素碳氮化物应变诱导析出 加工硬化 在（）两相区轧制变形时变形铁素体的回复和再结晶 相变

52、强化 针状铁素体钢、贝氏体钢的单相强化；二相分离型相变 134我国有丰富的铌、钒、钛和稀土资源，具有发展微合金钢控制轧制、控制冷却技术的广阔前途。目前每年采用控轧控冷工艺生产的钢材已应用到造船、石油、天然气输送管线、锅炉及压力容器、汽车大梁、螺纹钢筋、轴承及钢丝绳等方面.2.7 高聚物的力学状态高分子是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物。高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在104106。天然高分子与人工合成的高分子（通常称为高聚物）高聚物按其长链分子结构可分为：线型和体型线型高聚物又分为非结晶型（无定型）和结晶型两种 2.7.1线型无定型高聚物的力学状态材料的力学状态由其

53、呈现的力学特性来确定，如弹性很高的状态称高弹态等。在一定温度，不同的高聚物会呈现不同的力学状态；同一高聚物在不同温度，或在一定温度下随外力作用时间的延长，也会呈现不同的力学状态。（大分子链结构特点所致）1351大分子链的运动方式线型无定型高聚物中，大分子链的运动方式具有多重性，主要有：(1) 整链的运动 指大分子链作为一个整体作质量中心的移动，即发生原子链间的相对移动。反映在性能上是高聚物呈现延性，会出现由粘性流动引起的永久变形。(2) 链段的运动 因主链的内旋转，使大分子链具有柔顺性，在整链质量中心不移动的情况下，一部分链段相对另一部分链段而运动，出现可逆伸缩，反映在性能上是高聚物呈现独有的

54、高弹性。(3) 链节的运动 链节、原子团、原子在平衡位置作小范围运动，反映在性能上是高聚物呈现普弹性（应力与应变成正比）。 1362高聚物力学状态随温度的变化 线型无定型高聚物三态：玻璃态、高弹态、粘流态。玻璃化温度Tg：高弹态与玻璃态之间的转变温度； Tg 决定塑料的最高使用温度，粘流温度Tf：由高弹态向粘流态转变的温度。 Tf 决定高聚物加工成型的难易程度。137图2-38 线型无定型高聚物温度形变曲线2.7.2线型结晶型高聚物的力学状态 在结晶型高聚物内，非晶区温度升至Tg后，由玻璃态转变为高弹态。至Tf后变为粘流态。而分子链呈规整、紧密排列的晶区，则一直保持坚硬的晶态，直至一定温度Tm

55、（TmTg）后，转变为无定型态，称晶区熔点。（）低于Tg温度，晶态高聚物处于玻璃态，性刚硬， 如-70以下的聚乙烯。（）在TgTm温度范围，晶区仍处于坚硬的晶态，而非晶区已转变为柔韧的高弹态。所以，高聚物在整体上表现为既硬且韧的力学状态，称皮革态。如室温下的聚乙烯，随结晶度的提高，皮革态刚硬性，柔韧性。138（3）Tm温度以上，晶态高聚物处于橡胶或粘流态。若高聚物聚合度很大，则非晶区的Tf会高于晶区的Tm，故TmTf间，高聚物呈现高弹态，至Tf以上才呈粘流态。若高聚物的聚合度低时，Tf会低于Tm，故Tm以上高聚物呈粘流态。随着温度升高，高聚物的力学状态发生变化（图2-39） ：在脆化温度Tb以

56、下，高聚物处于硬玻璃态；在TbTg之间处于软玻璃态；略高于Tg时处于皮革态；高于Tg时处于橡胶态；接近于Tf时处于半固态。高聚物性能由硬脆逐渐变为强韧、柔软。有机玻璃具有这典型变化规律。温度低强度较，温度高强度较。139140图2-39 温度对高聚物的力学状态的影响结晶型高聚物的分子量通常要控制得低一些，分子量只要能满足机械强度要求即可。图2-40将非晶态与晶态聚合物的温度形变曲线总结在下一张图上。141高度结晶轻度结晶非晶态温度变形图2-40 非晶态与晶态聚合物的温度-形变曲线汇总2.7.3体型结晶型高聚物的力学状态 体型高分子即交联链高分子。当卷曲的长分子链间轻度交联时，偶有的交联点并不妨

57、碍其间大量链段的运动，故在Tg以上很宽度范围，高聚物仍呈高弹性。但交联点的存在可阻止分子链之间在力的作用下产生相对移动，防止了高聚物因粘性流动产生永久变形，从而形成具有工程使用价值的高弹体。如聚异戊二烯（天然橡胶）是一种乳胶液体，必须通过硫化形成硫桥交联（如图2-41），才能获得既具有高弹性，又不会产生“冷流”的具有使用价值的硫化橡胶。随分子链交联密度增加，链段运动变困难，Tg温度，弹性区范围缩小。在弹性区，弹性降低，而强度提高。如硫化橡胶可通过含硫量的改变，形成不同密度的硫桥交联；获得不同硬度，弹性的橡胶。142交联密度增至一定程度，形成密网型分子链，链段运动完全被阻止，高聚物不再出现高弹态

58、，而只存在刚硬的玻璃态，直至很高温度发生分解。如酚醛塑料（电木）、环氧树脂等。143图2-41 体型高分子的网状结构示意图 2.8 高聚物的力学行为2.8.1 高弹性与黏弹性高分子力学性能的最大特点是高弹性和黏弹性。1高弹性与黏弹性大分子链特有的链段运动，使高聚物出现独有的高弹性。高分子极大的相对分子量使得高分子链出现了小分子化合物所不具备的结构特点，即由于大分子链的构象改变所呈现的柔性。高分子链柔性在性能上的表现，就是高分子所独有的高弹性。橡胶在室温就呈现高弹性（伸长率可大到l 000），塑料在较高的温度也会表现出高弹性。与一般材料的普弹性的根本区别在于高分子的高弹性主要起因于构象的改变。1

59、442力学状态与外力作用时间的关系高聚物在不同外力作用时间下与不同温度下显示出一样的三种力学状态和两个转变，表明时间与温度对高聚物力学状态的影响有某种等效作用，这是时间与温度对大分子链运动具有等效影响的反映。如：用作飞机轮胎的橡胶在室温下处于高弹态，具有高弹性。但当飞机猛然着落，轮胎接触地面的瞬间，链段运动来不及作出响应，轮胎就不显示出高弹性，而显示出玻璃态的普弹性。这种时间依赖关系不是由于材料性能的改变而引起的，而是由于它们的分子响应与外力不能立刻达到平衡，是一个速率过程，另外，高分子的力学行为有很大的温度依赖性，正是高分子的这种力学松弛本质及其随温度的变化造成了高分子独特的力学行为。145

60、2.8.2 黏弹性2.8.3 塑性与受迫弹性2.8.4 强度与断裂根据高分子应力一应变曲线的特点大致可以把高分子分为5种类型：硬而脆；硬而韧；硬而强；软而韧；软而弱。146147图2-42 高分子应力一应变曲线148 机械工程材料Mechanical Engineering Materials149 第3章 二元合金相图与铁碳合金 本章目录3.1 二元合金相图的建立及意义3.2 二元合金相图的基本类型3.3 合金性能与相图之间的关系3.4 铁碳合金的基本组织3.5 Fe-Fe3C相图3.6 钢铁材料生产简介3.7 碳钢150 3.1 二元合金相图的建立及意义3.1.1 二元合金相图的建立相合金