工程材料-金属的结构与塑性变形

1、机械工程系 工程材料与热处理 主讲：许密第二章 金属的结构与塑性变形2.1 纯金属的晶体结构金属的典型特性： 导电性好，导热性高，塑性强，强度高，有金属光泽金属键：正离子和自由电子的相互吸引使金属原子相互结合的方式形成金属键。 金属键决定了金属的宏观特性。如导电、导热、塑性。金属的定义：（非严格）金属是一种具有光泽（对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、传热等性质的物质。严格定义：金属是电阻温度系数为正值的物质。 随着温度上升金属电阻率增加第二章 金属的结构与塑性变形2.1.1 晶体结构的基本概念晶体：原子在三维空间按一定几何规律排列形成的有序结构。如：金刚石、水晶、金属非晶体：原子在三维

2、空间作无序排列的结构。如：玻璃、松香、石蜡晶体特点：具有固定的熔点。非晶体特点：没有固定的熔点。第二章 金属的结构与塑性变形 晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。 为便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体。 第二章 金属的结构与塑性变形 晶格 假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架； 晶胞 晶格中任意一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元称为晶胞。第二章 金属的结构与塑性变形 晶格常数 晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及

3、棱边夹角、来表示； 晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数。 当棱边长度abc，棱边夹角90时，这种晶胞称为简单立方晶胞 简单立方晶格:由简单立方晶胞组成的晶格。 第二章 金属的结构与塑性变形晶面：晶格中由一系列原子组成的平面。晶向：晶格中各原子列的位相第二章 金属的结构与塑性变形2.1.2 常见的金属晶格类型 不同的金属具有不同的晶体结构。常见的有以下三种：1)体心立方晶格（bcc）body centered cubic2)面心立方晶格（fcc） face centered cubic3)密排六方晶格（hcp）hexagonal close packed第二章 金属的结构与塑性变形bcc:每个

4、晶胞中实际原子数为：1+81/8=2具有体心立方晶格的金属有：铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、铁(-Fe)等。晶格的致密度：第二章 金属的结构与塑性变形fcc:每个晶胞中实际原子数为：(1/8)8+6(1/2)=4具有体心立方晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铁(-Fe)。 晶格的致密度：衡量晶体中原子排列的紧密程度，一个晶胞中所含原子的体积与晶胞的体积之比。第二章 金属的结构与塑性变形同素异晶现象金刚石晶格结构石墨晶格结构第二章 金属的结构与塑性变形hcp:每个晶胞中实际含有的原子数为：(1/6)12+2(1/2)+3=6 具有密排六方晶格

5、的金属：镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。晶格的致密度：0.74致密度的意义：晶格转换时有体积的变化，产生内应力。第二章 金属的结构与塑性变形配位数：晶体结构中与任一原子最紧邻、等距的原子数目，配位数越大，晶体原子排列越紧密。晶格 fcc bcc hcp原子数n 4 2 6 配位数 12 8 12 致密度 74% 68% 74% 第二章 金属的结构与塑性变形2.1.3 单晶体的各向异性与多晶体的各向同性晶体的各向异性：晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的方向上会显示出不同的性能。2.1.3 单晶体的各向异性与多晶体的各向同性单晶体：原子规则

6、排列，晶格位向基本一致的固体。单晶体具有 各向异性。第二章 金属的结构与塑性变形 整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向（晶向）基本一致，各小晶体之间彼此方位不同。这种结构叫做多晶体结构。呈现各向同性。 多晶体中每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒间的界面就是晶界。 晶界是晶粒之间的过渡区域，是原子排列紊乱的区域。第二章 金属的结构与塑性变形2.1.4 实际金属的结构1.点缺陷尺寸很小（三维尺度很小，不超过几个原子直径）的缺陷。(a)空位； (b) 间隙原子； (c) 置换原子晶格畸变：点缺陷的出现，原子间作用力的平衡被破坏了，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格

7、的畸变。这将会引起金属强度、硬度、电阻等的变化。第二章 金属的结构与塑性变形（2)线缺陷 晶体内部呈线状分布的缺陷，二维尺度小而第三维尺度很大的缺陷；常见的是各种类型的位错。位错：晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。第二章 金属的结构与塑性变形金属位错密度与屈服强度的关系加工硬化行为第二章 金属的结构与塑性变形3)面缺陷：金属的晶界和亚晶界晶界：原子的排列从一个晶粒的位向过渡到另一个晶粒的位向，晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层。亚晶界：亚晶粒之间的界面。亚晶粒：在一个晶粒内部存在着许多尺寸更小，位向差更小(1o2o)的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，称为亚晶粒。第二章 金属

8、的结构与塑性变形晶界的特性1)晶界的存在提高了金属的强度，晶界越多(晶粒越细)，金属材料的强度、硬度越高；2)晶界处的熔点较低,会先融化；3)晶界处往往优先形成新相，晶界容易被腐蚀。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似，如亚晶界越多，即亚晶越细，将使金属的屈服强度增大。第二章 金属的结构与塑性变形2.2.合金的晶体结构2.2.1 合金概述 合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成并具有金属特性的物质。 （1）组元：组成合金的最简单、最基本的独立物质。可以是金属和非金属,也可以是化合物。 （2）合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制而成的一系列不同成分合金第二章 金属的结构与塑性变形（3）

9、相：合金中结构相同、成分和物理化学性能相同并以界面相互分开的组成部分。强调成份和结构相同。 合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以由几种不同的相组成多相合金。合金中的相之间由明显的界面分开（4）显微组织：显微镜视野中的微观构造。第二章 金属的结构与塑性变形2.2.2 固溶体溶质原子溶入溶剂中形成的具有溶剂晶格类型的一种新相。间隙固溶体 置换固溶体 有限固溶体 无限固溶体第二章 金属的结构与塑性变形 由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变，结果使金属材料的强度、硬度升高。固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象。 适当掌握固溶体中的溶质含量，可在

10、显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。第二章 金属的结构与塑性变形2.2.3 金属化合物合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时将可能出现新相，这个新相可能是一种晶格类型和性能完全不同于任意合金组元的化合物，例如碳钢中的Fe3C (渗碳体)。 特点：熔点高、硬度高和脆性大。金属化合物对材料性能的影响：提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。调整固溶体的溶解度和化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在相当大的范围内变动，满足不同的性能要求。 第二章 金属的结构与塑性变形Fe3C的晶格结构第二章 金属的结构与塑性变形2.3 金属的冷变形行为2.3.1 单晶体金属的

11、塑形变形1.滑移 切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向(滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式叫滑移。第二章 金属的结构与塑性变形滑移面：通常为晶体的最密排晶面；滑移方向：通常也为最密排晶向；一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为“滑移系”。 第二章 金属的结构与塑性变形金属塑形好坏：面心立方体心立方密排六方第二章 金属的结构与塑性变形2.孪生 在滑移比较难进行时发生第二章 金属的结构与塑性变形2.3.2 实际金属的塑形变形 1.晶界在变形中的作用“竹节现象” 2.晶粒大小的影响及细晶强化效应 细化晶粒能够有效提升

12、金属的强度与硬度，一定程度上也能提升塑形和韧性。第二章 金属的结构与塑性变形3.多晶体的塑形变形过程软取向硬取向中间取向第二章 金属的结构与塑性变形2.4 冷变形对金属组织和性能的影响 强度硬度提高，塑性韧性下降2.4.1 塑性变形对金属组织结构的影响1.纤维组织塑性变形带来各向异性第二章 金属的结构与塑性变形3.织构现象制耳2.亚结构第二章 金属的结构与塑性变形2.4.1 塑性变形对金属组织结构的影响1.加工硬化加工硬化产生的原因： 位错密度增大是低合金含量铝合金（防锈铝）唯一强化手段。去除加工硬化的方法： 中间退火第二章 金属的结构与塑性变形去除加工硬化的方法： 中间退火第二章 金属的结构与塑性变形2.物理、化学性能电阻率增大、耐腐蚀性减弱等。3.残余内应力弯曲工序去应力退火、自然时效、振动时效喷丸：提高疲劳强度第二章 金属的结构与塑性变形2.5 冷变形金属在加热时组织和性能的变化（中间退火的原理） 2.5.1 回复 2.5.2再结晶 2.5.3晶粒长大回复温度：（0.10.3）T熔主要作用：消除内应力最低再结晶温度:T再（0.350.4）T熔T再（0.50.7）T熔加热温度和保温时间的影响。实际再结晶温度晶粒长大第二章 金属的结构与塑性变形2.