第二章知识资料工程材料的原子排列

第二章材料的结构、凝固与变形§2.1金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构1、晶体2、晶格3、晶胞4、晶格常数5、晶面与晶向三种典型金属晶体结构的特性参数体心立方（Body-CenteredCubic,BCC)面心立方（Face-CenteredCubic,FCC)密排六方（HexagonalClose-packed,HCP)二、金属的实际晶体结构1、单晶体与多晶体2、点缺陷3、线缺陷4、面缺陷1、单晶体与多晶体单晶体：原子排列位向一致多晶体：单晶体+缺陷纯铁内的晶粒与晶界晶粒的位向光学金相显示的晶粒

2、点缺陷(PointDefects)晶体中的空位(vacancy)和间隙原子(interstitialatom)3、线缺陷刃型位错(edgedislocation)4、面缺陷(SurfaceDefects)小角度晶界Smallanglegrainboundary大角度晶界的过渡结构三、金属材料的结构特点合金：两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成，具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本单元Cu-Al、Fe3C+Fe、Fe+C相：化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构固溶体和金属间化合物（中间相）1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）A：溶剂B：溶质分类溶质原子的位置置换固溶体：晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近间隙固溶体：原子半径较小溶解度有限固溶体无限固溶体固溶强化溶质原子溶入溶剂使晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高。溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。2、金属间化合物合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物中间相。特点：熔点高、硬度高、脆性大。在相图上位于中间部位。弥散强化弥散分布的第二相使金属强度提高.四、金属的结晶1、结晶过程图2－9结晶形核：短程有序原子团――核心长大：晶轴2、结晶温度过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度的差别ΔT＝To-Tn3、晶粒大小晶粒度：表示晶粒大小的一种尺度细晶强化：通过细化晶粒改善力学性能提高强硬度、塑韧性铸件晶粒细化方法增加过冷度变质处理4、同素异构转变重结晶：同种金属，不同结构转变――晶格改变P31图2－27纯铁的冷却曲线§2.2塑性变形与再结晶一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形三、合金的塑性变形四、塑性变形对金属组织与性能的影响五、变形金属在加热时组织与性能的变化六、金属的热加工一、单晶体的塑性变形塑变：切应力作用→主要通过晶体→

滑移、孪生

塑性变形的基本方式：滑移、孪生

滑移--切应力作用下，晶体内部相邻原子层间的相对滑动孪生：图2－14了解（1）滑移的表现形式滑移线与滑移带图2－11现象：抛光后晶体—塑变—表面台阶{光学显微镜下—线条：滑移带—由高低不同的台阶组成{电子显微镜下—线条：滑移线--滑移带中的一个小台阶特点：滑移面往往是最密堆积平面—具有晶体学特征滑移在有限区域内开始→以有限速度传播到其他区域--滑移非刚性滑移发出在D的b方向--滑移发出在点阵最密堆积方向之一上滑移线（带）再抛光→不可见是不均匀的塑变（2）滑移的临界分切应力定律：只有作用到S.S上的分切应力达到临界值时，该S.S才滑动

临界分切应力τeτe—由晶体结构、加载速度、温度确定（思考？）二、多晶体的塑性变形原理与单晶体相同，存在晶界的作用细晶强化加工硬化：冷加工使金属内部缺陷增多，强度提高。三、合金的塑性变形1、固溶体的塑性变形固溶强化柯氏效应2、多相合金的塑性变形弥散强化切割机制+绕过机制四、塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形组织：滑移带（等轴晶粒）――伸长――纤维组织各向异性：微观组织不均衡―宏观各方向性能不同加工硬化：冷加工使金属内部缺陷增多，强度提高形变织构：冷变形使晶粒某晶面或其上某位向趋于一致图2－19残余内应力：三类应力宏观残余内应力――能量提高――不稳定五、变形金属在加热时组织与性能的变化冷塑变――缺陷增多――热力学不稳定态加热――原子移动――趋于稳定（降低缺陷）回复与再结晶研究对象1、冷塑变金属加热时组织于性能的变化塑变金属

低温

加热

高温纤维

ρ↑ρ↓（不多）ρ↓↓新等轴晶粒大等轴晶粒显微组织变化不大

晶粒变化

图2－21回复：冷塑变金属加热时，在显微组织未发生明显改变前，某些性能的恢复过程。再结晶：冷塑变金属加热时，通过形核和长大形成无畸变等轴晶粒组织的过程。无点阵结构、成分的变化2、回复显微组织基本不变（光学显微镜下视场）位错密度变化不大性能：强、硬度基本不变，宏观内应力↓↓应用：去应力退火3、再结晶显微组织：等轴晶粒（大小：温度、变形量）性能：恢复塑性，位错密度↓↓再结晶温度工业生产中，常以经过大变形量（≥70％）的冷变形金属，经1h退火，能完全再结晶（Xr≈95％）的最低温度（T再）T再≈（0.35－0.40）T熔应用：再结晶退火（实际退火温度↑）4、晶粒长大驱动力↓界面能显微组织：晶粒粗大性能：↓↓强度、塑性六、金属的热加工冷热加工的区别冷加工――加工硬化T<T再热加工――加工硬化＋再结晶软化T>T再热加工组织和性能的变化流线杂质纤维发布各向异性图2－22细化晶粒铸态粗晶碎化焊合气孔、疏松、微裂纹第二章总结空间点阵--晶胞晶体结构：晶体中原子和分子的排列状态空间点阵：晶体中质点排列的几何学抽象常见晶体结构Fcc，Bcc，Hcp晶体缺陷：原子排列偏离理想结构的区域