金属材料基础

金属材料基础第一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/712.1晶体的结构2.2晶体中的缺陷2.3金属的结晶2.4金属的塑性变形和再结晶2.5二元合金的微观相结构和相图第二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/722.1.17种晶系和14种晶格

大多数工程材料是晶体结构即：材料的原子规则并重复排列。2.1晶体的结构第三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/732.1.1.1晶格和晶胞晶体结构/晶格

晶体的有些性能取决于材料的晶体结构，即原子、离子或者分子的特殊排列方式。全部原子种类的晶体结构类型非常多，从简单的金属晶体，到复杂的陶瓷或高聚物晶体。第四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/74有时，术语

“晶格”常用于描述晶体结构中；此处“晶格”意味着与原子位置或者球体中心一致的三维点的排列，在这里原子或者离子被认为是有明确直径的固体球。第五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/75晶胞

晶体中原子顺序显示出了排列的重复性。因此，为了描述晶体结构，从晶格中取出一个具有整个晶体全部几何特征的最小几何单元称为晶胞。第六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/76第七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/77基本晶胞abcαβγ图2.2典型晶胞的几何形状第八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/78a,b,c,α,β,γ——定义为晶体结构的晶格参数。a,b,c——三条棱长，单位是Å或者nm,1nm=10Å。α,β,γ——三条棱边夹角。在晶体学中，晶体的分类常常是根据晶胞的外形，也就是棱长和棱边夹角进行的。因晶格形式和晶格常数不同，可将所有的晶体分为7种晶系和14种晶格。第九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/79晶系和布喇菲点阵表2.17种晶系和14种晶格aaaaaaaaa序号布拉菲点阵晶系棱边长度与夹角的关系简图1简单立方立方2体心立方（bcc）3面心立方（fcc）第十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/710aac4简单四方四方5体心四方aca第十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/711abcabcabcabc6简单正交正交7底心正交8体心正交9面心正交第十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/712βγαacaγ10简单菱方菱方11简单六方（密排六方）六方第十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/713acbβacbββacbαγ12简单单斜单斜13底心单斜14简单三斜三斜第十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7147种晶系：立方、四方、正交、菱方、六方、单斜、三斜。14种晶格：简单立方、体心立方、面心立方、简单四方、体心四方、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单菱方、密排六方、简单单斜、底心单斜、简单三斜。总结一下：7种晶系和14种晶格第十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/715研究表明，绝大多数金属的微观结构属于三种典型的结构：体心立方、面心立方和密排六方晶体结构。体心立方：Mo、Nb、Cr、W、V、α-Fe等。面心立方：Al、Cu、Ni、Pb、γ-Fe等。密排六方：Zn、Mg、Be等。2.1.1.2金属晶体的典型晶胞第十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/716图2.3体心立方晶体结构(a)原子堆积表示第十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/717图2.3体心立方晶体结构(b)硬球表示的晶胞第十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/718图2.3体心立方晶体结构(c)简化球表示的晶胞第十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/719图2.4面心立方晶体结构(a)原子堆积表示第二十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/720图2.4面心立方晶体结构(b)硬球表示的晶胞第二十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/721图2.4面心立方晶体结构(c)简化球表示的晶胞第二十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/722图2.5密排六方晶体结构(a)原子堆积表示第二十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/723图2.5密排六方晶体结构(b)简化球表示的晶胞第二十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7242.1.1.3陶瓷结构与金属相比，陶瓷化合物化学组成更具多样性。该多样性反映在它们的晶体结构中。第二十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/725第二十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/726第二十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/727图2-8氟石(CaF2)晶胞：(a)离子位置；(b)离子全尺寸第二十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/728第二十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/729第三十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7302.1.1.4高聚物结构与金属和陶瓷中独立的原子和离子堆积相比，高聚物长分子规则又可重复性的排列是困难的。因此，大多数商业塑料相当大程度上是非晶体。高聚物的晶体微观结构相当复杂。第三十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/731第三十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7322.1.1.5半导体结构半导体产业发展单晶技术，已经推动晶体达到高度完善的程度。第三十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/733第三十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/734第三十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/735第三十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/736晶胞中的原子数体心立方：面心立方：4密排六方：62.1.2晶胞的配位数、原子半径和密度第三十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/737原子半径定义原子半径为晶胞中原子密度最大方向上的两原子之间距离的一半。体心立方晶胞：面心立方晶胞：密排六方晶胞：第三十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/738aa√2aa√3ar图2.15体心立方晶胞的原子半径第三十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/739晶格中原子排列的致密度用配位数和致密度来表达晶格中原子排列的致密程度。配位数

晶格中与任意原子处于等距离且相距最近的原子数目。配位数越大原子排列的越致密。体心立方的配位数8；面心立方的12；密排六方的12第四十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/740图2.16体心立方晶格的配位数aaa第四十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/741致密度

金属晶胞中全部原子的体积占晶胞总体积的百分数，即：由此计算，体心立方晶胞致密度：68%

面心立方晶胞致密度：74%

密排六方晶胞致密度：74%第四十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/742不同温度下的纯铁910℃以下，纯铁为体心立方，α-Fe，致密度68%。910~1392℃，纯铁为面心立方，γ-Fe，致密度74%。1392~1538℃，纯铁为体心立方，δ-Fe，致密度68%。第四十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7432.1.3晶体位置、晶向和晶面2.1.3.1晶向晶向原子中心共线的原子列所代表的方向，用晶向指数表示。晶向指数[uvw]表示晶向的一组数据。晶向指数分四步确定：第四十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/744建立坐标系以所考察晶胞中待定晶向的某一个结点为空间坐标系原点，以过原点的三条晶格棱边为坐标轴，以晶胞的点阵常数为单位长度，建立坐标系。确定坐标值求出代表晶向的直线上任意一点的坐标值。第四十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/745化整并加方括号将上述坐标值以其最小整数表示，并进一步用加方括号的形式表达，即为晶向指数[uvw]。移负值晶向指数负号至晶向指数上方如[-uvw]→[ūvw]。晶向族

所有原子排列相同，方向不同的晶向归纳为一个晶向族。第四十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7462.1.3.2晶面晶面

原子中心共面的原子排列所代表的平面，用晶面指数表示。晶面指数(hkl)表示晶面的一组数据。晶面指数的确定分为四个步骤：第四十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/747建立坐标系以晶格的某一个结点为空间坐标系原点，但不能选在待求晶面上，且应便于确定截距，以过原点的三条晶格棱边为坐标轴，以晶胞的点阵常数为单位长度，建立坐标系。确定坐标值求出所求晶面在各坐标轴上的截距，并取其倒数，与某一坐标轴平行的晶面，其在该轴上的截距为无穷大，倒数为零。第四十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/748化整并加圆括号将上述坐标值以其最小整数表示，并进一步加圆括号的形式表达，即为晶面指数（hkl）。移负值晶面指数负号至晶面指数上方

如(-hkl)→。晶面族所有原子排列相同，方向不同的晶面归纳为一个晶面族。第四十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7492.1.3.3各向异性晶体在不同方向上性能不同的现象。bacABOCD[111][110][201](010)(111)

图2.6晶向与晶面指数示意图图2.17晶向和晶面指数BACK第五十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/750本节思考题常见金属的晶格类型有哪些？配位数和致密度可以用来说明哪些问题？晶面指数和晶向指数有什么不同？第五十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7512.2.1点缺陷空穴高温、塑性变形，高温粒子辐射都能造成或者促进空穴的形成，其中温度尤为明显。间隙原子从晶格上跑到间隙中去的原子称为自间隙原子；B、C、H、N等半径较小的杂质原子进入间隙形成杂质间隙原子。2.2固体中的缺陷第五十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/752晶格空穴间隙原子图2.18晶格空穴和间隙原子的二维表示第五十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7532.2.2线缺陷缺陷的两维尺度相对于第三维很小很小为线性缺陷。图2-19刃型位错周围的原子位置用透视法表示的位错多出的半个平面原子刃型位错——在晶格中的某以晶面以上或以下像刀一样多排一排原子，向上多排为正刃型位错，相反为负刃型位错，多排原子面的底部或顶部为位错线，与晶格发生扭曲的方向及位错方向相互垂直。第五十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/754图2-20沿AB伸展的位错线(a)晶体中的螺型位错螺旋位错——在晶格中的某以晶面以上或以下以另一与该晶面垂直的晶面为界，发生了逆时针或顺时针扭动，分为右螺旋或左螺旋位错。第五十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/755(b)自(a)图上方观察的螺旋位错图2-20沿AB伸展的位错线位于滑移面以上的原子用空心圆表示，位于滑移面以下的原子用实心圆表示第五十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/756图2-21在刃型位错和螺旋位错之间形成曲线的区域为刃型和螺旋位错的混合(a)包含刃型位错、螺旋位错和混合位错的位错示意图混合位错——实际的位错是介于刃位错和螺位错之间的。第五十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/757(b)从上方观察，空心圆表示位于滑移面上方的原子，实心圆表示位于滑移面下方的原子图2-21在刃型位错和螺旋位错之间形成曲线的区域为刃型和螺旋位错的混合第五十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/758图2-22钛合金的透射电镜照片，其中黑线为位错第五十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7592.2.3面缺陷(界面缺陷)外表面最明显的边界之一就是晶界，晶体结构沿晶界终止。表面原子不被最近的原子束缚，因此比内部原子处于一个更高的能量状态。这些表面原子会产生一个表面能。要减少这个能量，材料往往尽所有可能减少总面积。第六十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/760晶界在晶体材料中，分开两个小晶粒或晶体的边界有不同的晶体取向。可能有几个原子宽的边界区，从一个晶粒的晶向向另一个晶粒的晶向转变时会有一些原子不匹配。第六十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/761图2-23相邻原子位置及大角度晶粒边界示意图第六十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/762图2-24铬铁合金抛光和腐蚀多晶试样中的黑色边界BACK第六十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/763孪晶

一种特殊类型的晶界。它两侧是一种特殊的镜面晶格对称；边界一侧的原子与另一侧的原子成镜像分布。其它界面缺陷

包括错层、相边界、铁磁畴壁。面心立方金属中，密堆积面的ABCABCABC……堆积序列被中断时，错层就会出现。相边界存在于多相材料中，在它周围有一个突然的物理和/或化学特征的变化。第六十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/764图2-25孪晶面或孪晶界和它周围原子（实心圆）示意图第六十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/765这些缺陷存在于所有的固体材料中，它们比前面讨论的缺陷都要大。它们包括气孔、裂纹、杂质和其它相。它们一般是在处理和制造过程中引入的。后面的章节会讨论这些缺陷及对材料性能的影响。2.2.4体积缺陷第六十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/766光学显微镜光学显微镜中，光镜用来研究微观结构，光和照明系统是其基本要素。材料不透可见光（所有的金属和部分陶瓷和高聚物），只有表面是观察对象，显微镜必须使用反射模式。图像中产生的对比是由于不同部位反射率不同产生的。这种研究方法常称为金相学，金属初步观察使用这种技术。光学显微镜放大倍数的上限大约是2000倍。2.2.5显微技术和晶粒度确定第六十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/767第六十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/768（b）实物图26金相显微镜工作原理和实物第六十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/769图2-27(a)抛光和蚀刻晶粒；(b)刻蚀特点和因晶体取向不同产生的不同表面纹理第七十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/770图2-27(c)60×多晶黄铜标本的显微照片第七十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/771图2-28蚀刻产生的晶界及其表面沟槽及邻近沟槽的光反射特性LINK第七十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/772电子显微镜一些结构元素过于精细或过小而无法使用光学显微镜观察。在这种情况下，可以使用拥有更高放大倍数的电子显微镜。观察的结构图像是通过电子束形成的而非光反射。第七十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/773透射电子显微镜

透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopyTEM）成像是靠电子束穿透试样。可以观察详细的内部结构；图像中产生的对比是由于缺陷或结构中不同元素对电子束产生的散射或衍射。由于固体材料对电子束具有很强的吸收性，所以要观察的试样必须准备成很薄的片。透射电子显微镜可以放大接近1,000,000×，常用于研究位错。LINK第七十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/774第七十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/775扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)更现代的和极其有用的观察工具是扫描电子显微镜。用电子束扫描要被观察的试样表面，收集反射回的电子束，然后以相同的扫描速率显示在阴极射线管上。拍摄到屏幕上的图像，代表了试样的表面特征。表面可以被抛光和蚀刻,也可以没有，但是一定要导电；非导电材料表面要有一层很薄的金属镀膜。放大从10倍至超过50000倍，也可以观察很深的区域。LINK第七十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/776第七十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/777扫描探针显微镜扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope，SPM)不同于光学和电子显微镜。光学和电子显微镜是靠光或者电子来成像。扫描探针显微镜通过微小探针在样品表面扫描，将探针与样品表面间的相互作用转换为表面形貌和特性图像。它提供了表面的三维高空间分辨的图像。

扫描探针显微镜生成一个原子尺度的成形图，代表了被研究试样的表面特性。

第七十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/778晶粒度测定考虑多晶材料性能时要确定晶粒度。晶粒度指平均的晶粒体积、直径或面积。晶粒度可以通过截断法估测。在表示晶粒结构的显微镜照片上画几条相同长度的直线。数下被每一条线段分割的晶粒；线段长度除以被分割的晶粒的平均数,平均晶粒直径就是上面结果再除以显微镜照片的放大率。第七十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/779最常用的方法是ASTM（美国测试和材料学会）设计的。ASTM准备了几个标准的对照图表，它们有不同的平均晶粒度。每一个图表都被设定为1到10中的某个数字，即晶粒号；号越大，晶粒越小。要看到晶粒结构，必须精心准备试样，放大率是100倍。成像与显微照片中最匹配的那个图表的晶粒号就是晶粒度。n代表晶粒号,N是放大100倍后每平方英寸晶粒的平均值。两个参数之间的关系是:N=2n-1.第八十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7802.2.6晶体缺陷与强化晶体缺陷：破坏了晶体的完整性，使晶格畸变、能量提高，金属性质发生偏差，导致金属性能如强度、耐蚀性和导电性等都发生不利的变化。第八十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/781研究表明，金属的强度由于晶体缺陷的存在而迅速下降，但当这种缺陷的密度增加到一定程度以后，材料强度反而会随着缺陷的增多而提高，这就是晶体缺陷强化。当然，强化是有一定限度的，既当缺陷增加到一定程度以后，金属强度会又一次迅速下降。BACK第八十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7822.3金属的结晶金属材料零部件大多经过冶金、铸造、轧制或锻造、机加工等过程。金属材料冶炼铸锭的铸态组织是原始组织，很大程度地影响金属材料的加工性能和使用性能。第八十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7832.3.1纯金属的结晶过程2.3.1.1纯金属结晶的条件纯金属都有熔点。金属处于熔点时，是液态金属原子结晶进入固态和固态晶格上原子熔入液体的动态平衡温度，是一理想状态，因此熔点也可称为理想结晶温度点。实际金属结晶温度总要偏低理论结晶温度一定温度，结晶方可进行，该温差称过冷度。第八十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7842.3.1.2纯金属的结晶过程图2-31形成非常小的晶核晶核不断长大继续形成新晶核并长大晶核长大最终形成固体图2-32

金属的结晶过程第八十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/785均质形核依靠液体自身在过冷条件下形核。异质形核依附于固态杂质颗粒表面形核。影响晶核长大的主要因素是温度和冷却速度。金属结晶伊始结晶外形比较规则，但随着晶体的不断长大，冷却速度快的棱角处优先生长，形成一次晶轴，为晶体的主骨架，随后形成二次、三次、甚至四次等晶轴。一般多晶体同时生长，晶体间相互接触生长，形成多晶体。第八十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/786描述晶体生长的主要参数是形核速度N（晶核数/(mm3.s)）和晶核长大速度G(mm/min)。两参数主要依赖于过冷度。第八十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7872.3.2金属铸锭的组织2.3.2.1

铸锭的组织2-33铸锭是熔融金属浇注于模具后获得的第八十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7882.3.2.2沸腾钢和镇静钢的组织和缺陷镇静钢冶炼时使用Mn、Al、Si脱氧的钢，含氧量低，凝固时无CO析出。除一般钢锭的宏观组织特征外，存在缩孔、疏松、气泡、成分偏析等缺陷。沸腾钢冶炼时仅使用Mn脱氧的钢，含氧量高，凝固时有大量一氧化碳析出，钢液出现沸腾现象。除一般钢锭的宏观组织特征外，缩孔、疏松、气泡、成分偏析等缺陷比镇静钢的严重，但其出材率比镇静钢的高。第八十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/789C.缩孔

金属结晶时，后结晶区体积收缩得不到液体金属的补充所形成的微孔。铸锭顶部形成集中缩孔，轧制时应切除，否则影响钢材质量。疏松处于早期结晶包围的金属液体结晶时得不到金属液体补充形成微小和分散的缩孔。偏析早期和后期结晶部位的化学成分不同造成宏观区域性成分不均匀。气泡金属凝固时气体来不及逸出所形成的缺馅。第九十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7902.3.3细晶强化与变质处理2.3.3.1细晶强化一般来说，晶粒细化是提高金属力学性能的重要手段之一，通常通过提高过冷度来实现。但对于防止应力腐蚀来说，晶粒细化却不是好事。BACK第九十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7912.3.3.2变质处理强化主要通过向液态金属中添加某些符合非自发成核条件的元素或它们的化合物，作为变质剂，如钢水中常加Ti、V、Al、Nb等来细化晶粒。另一类元素或化合物起着阻碍晶粒长大的作用。第九十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7922.4金属的塑性变形与再结晶2.4.1冷加工对金属微观结构和性能的影响2.4.1.1冷加工与金属塑性变形塑性是金属的重要特性。利用塑性可对金属进行轧制、挤压、锻压、冲压等加工。单晶体在外力作用下发生塑性变形后将产生滑移带，如图所示。

第九十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7932-34第九十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/794滑移

金属在外力作用下密度最大的晶面间发生相对滑动，其晶面内晶格的相对位置不变。滑移线

金属塑性变形，即滑移后所留下的线状痕迹。滑移带

金属塑性变形后所形成的多条平行线，滑移线所形成的带状区域。第九十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/795图2-35晶面间原子滑移示意图原子密度大的晶面和方向上，原子在发生滑移时很容易从一个平衡位垒跳越到另一个平衡位垒。第九十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/796(011)aaa第九十七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/797(101)aaa第九十八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/798aaa[111](110)图2.36体心立方晶体的滑移系第九十九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7992.4.1.2加工硬化加工硬化随着塑性变形增加，金属晶格的位错密度不断增加，位错间的相互作用增强，提高了金属的塑性变形抗力，使金属的强度和硬度明显提高，塑性和韧性明显降低。第一百页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7100优点：加工硬化是金属的一种重要的强化手段，同时也是保证冷加工过程中变形均匀的重要手段。缺点：加工硬化也为进一步冷加工带来困难，必须退火处理，增加了成本。第一百零一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71012.4.1.3组织和织构的变化塑性变形后，金属晶粒沿变形方向被拉长，很大的变形使晶粒成为纤维组织，金属性能各向异性，通常纤维方向的强度和塑性优于其它方向。第一百零二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7102晶粒沿变形方向发生偏转，使各晶粒位向趋于一致，这种择优取向形成的有序结构称为形变织构，它使金属性能各向异性。织构对金属加工有很大不利影响，如产生边缘不齐，壁厚不均等，须分次成型和中间退火。第一百零三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71032.4.1.4残余内应力金属各部分塑性变形不均匀，回弹后将产生残余应力，分三类。第一类残余应力——宏观内应力金属各部分变形不均匀而造成的内应力。第二类残余应力——微观内应力金属各晶粒或亚晶粒变形不均匀而造成的内应力。第三类残余应力由位错、空为等晶格缺陷造成的内应力。第一百零四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7104塑性变形时外力做功约有10%转变为内应力残留金属内转变为内能，使金属的耐蚀性和承载能力下降，一般应作消除残余应力处理。当然也有采取喷砂等方法来使金属表面产生残余压应力，以提高耐蚀性、抗疲劳性等。第一百零五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71052.4.2塑性变形金属的回复与再结晶2.4.2.1回复加热温度较低，原子扩散能力不大，金属不发生显微组织的变化。温度升高，热运动使晶格中大量空位扩散到晶界、表面或与间隙原子结合而消失，位错发生移动重新排列而更稳定，缺陷减少。第一百零六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7106宏观表现为金属的电阻和内应力降低，塑性略有恢复，强度和硬度稍有降低。主要用于消除冷加工零部件内残余应力，防止开裂和变形，工程称回复回火或去应力退火。第一百零七页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71072.4.2.2再结晶加热温度继续提高，原子扩散能力增大，塑性变形金属发生显著显微组织变化。塑性变形中被拉长的、碎化和纤维化的晶粒转变为均匀、细小的等轴晶粒。宏观表现为金属的强度和硬度显著下降，塑性和韧性明显提高。主要用于消除加工硬化，恢复金属的力学和化学性能，称再结晶退火。为保证再结晶的晶粒度，应控制再结晶温度。第一百零八页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71082.4.2.3再结晶温度再结晶是一种不发生晶格变化的固体变化，没有特定的再结晶温度，是一个温度范围。主要影响因素是金属塑性变形度，变形度越大，再结晶温度就越低。生产规定，变形度大于70%，保温1小时，能完成再结晶的最低温度为再结晶温度。再结晶温度有赖于晶粒大小、保温时间和金属的熔点。第一百零九页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71092.4.2.3再结晶的晶粒度影响再结晶晶粒度的因素有温度和变形度。再结晶退火温度越高，原子扩散能力越大，晶粒长大越快。当变形度很小时，不足以引起再结晶；当变形度达2%~10%时，只有少量晶粒变形，再结晶的晶核较少，晶粒相互吞并并长大到粗大的晶粒，为临界变形度，工程上应避免在临界变形度范围内冷加工；大于临界变形度后，变形度越大，变形越均匀，再结晶的晶核越多，再结晶后的晶粒越细。第一百一十页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7110第一百一十一页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71112.4.3金属的热加工2.4.3.1金属的冷加工和热加工比较工程中对截面积大、变形量大和塑性不好的金属零部件，一般都在加热的状态下塑性成型，这主要是利用金属的强度和硬度随温度的提高而降低，塑性随温度的提高而提高的特点。热加工塑性变形引起的加工硬化可随即发生回复和再结晶而消除。金属学上，热加工是在再结晶温度以上进行，冷加工是指再结晶温度以下进行的塑性加工。第一百一十二页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71122.4.3.2热加工对金属相结构的影响优点：热加工（如锻、轧）可使金属中的气孔、裂纹、疏松焊合，使金属更加致密，减轻偏析，改善杂质分布，明显提高金属的力学性能。缺点：热加工过程中，枝晶偏析、夹杂物和第二相等沿塑性变形方向被拉长，形成纤维组织流线，使金属的力学性能也具有方向性，因此安排零部件热加工时，应注意其方向性。BACK第一百一十三页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71132.5二元合金的相结构和相图合金

两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元组成合金的最基本的和独立的单元（元素或稳定化合物）。二元合金两组元组成的合金。多元合金

三组元及以上组成的合金。第一百一十四页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71142.5.1合金中的相相合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并由界面与其它部分隔开的均匀组成部分。相分两类

固溶体和金属间化合物。第一百一十五页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/71152.5.1.1固溶体与固溶强化固溶体在固态下，合金组元互相溶解而形成的均匀固相。溶剂在固溶体中，保持原有晶体结构的组元。溶质溶剂以外的其余组元。间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格的间隙中。置换固溶体溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格位置。第一百一十六页，共一百二十九页，编辑于2023年，星期二2023/6/7116无限固溶体溶质可无限度地溶入溶剂当中而不改变原有晶格结构。有限固溶体溶质可有限度地溶入溶剂当中而保证原有晶格结构。第一百一十七页，共一百二十九