機(jī)械工程材料講義

1、邯鄲學(xué)院機(jī)械工程材料緒論 1、為什么要學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料？工程材料是現(xiàn)代技術(shù)中四大支柱之一。目前，機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的金屬材料，在各種機(jī)器設(shè)備所用材料中，約占90%以上。金屬材料來(lái)源豐富，具有優(yōu)良的使用性能與工藝性能。高分子材料和陶瓷材料具有一些特性，如耐蝕、電絕緣性、隔音，減振，耐高溫(陶瓷材料)、質(zhì)輕，原料來(lái)源豐富、價(jià)廉以及成型加工容易等優(yōu)點(diǎn)， 人類(lèi)為了生存和生產(chǎn)，總是不斷地探索、尋找制造生產(chǎn)工具的材料，每一新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都會(huì)促使生產(chǎn)力向前發(fā)展，并給人類(lèi)生活帶來(lái)巨大的變革，把人類(lèi)社會(huì)和物質(zhì)文明推向一個(gè)新的階段。工程材料是現(xiàn)代技術(shù)中四大支柱之一。2、本課的學(xué)習(xí)方法本課程具有較強(qiáng)的理論

2、性和應(yīng)用性，學(xué)習(xí)中應(yīng)注重于分析、理解與運(yùn)用，并注意前后知識(shí)的綜合應(yīng)用，為了提高分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，在系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)外，還要注意密切聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，認(rèn)真完成作業(yè)；學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生應(yīng)具有必要的生產(chǎn)實(shí)踐的感性認(rèn)識(shí)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。3、學(xué)完本課的應(yīng)達(dá)到的基本要求。熟悉常用機(jī)械工程材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能間關(guān)系及其變化規(guī)律。初步掌握常用機(jī)械工程材料的性能和應(yīng)用，并初步具備選用常用材料能力。初步具有正確選定一般機(jī)械零件的熱處理方法及確定其工序位置能力。第一章 工程材料的主要性能金屬材料的性能是指用來(lái)表征材料在給定外界條件下的行為參量，包括使用性能和工藝性能。

3、7;1-1 材料的使用性能使用性能是指材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。包括材料的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能。一、 材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性（即金屬材料在載荷作用下所顯示與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的性能）。它取決于材料本身的化學(xué)成分和材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌度等。1、 強(qiáng)度、剛度與塑性金屬材料的強(qiáng)度、剛度與塑性可通過(guò)靜拉伸試驗(yàn)（工程力學(xué)已講過(guò)）測(cè)得，如圖1-1a）所示。圖1-1 力伸長(zhǎng)曲線和拉伸式樣 1-2應(yīng)力應(yīng)變曲線力-伸長(zhǎng)曲線（也叫拉伸曲線）為了消除試樣尺寸影響，引入應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1

4、-2所示。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與力-伸長(zhǎng)曲線相似，只是坐標(biāo)和數(shù)值不同，從中，可以看出金屬材料的一些力學(xué)性能。（1）強(qiáng)度 是指材料在載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力表示，符號(hào)為，單位為MPa（兆帕）。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)有：屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度等。 屈服點(diǎn)s（r0.2）由曲線1-2可知：e是試樣保持彈性變形的最大應(yīng)力；當(dāng)應(yīng)力e時(shí)，產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)應(yīng)力達(dá)s時(shí)，試樣變形出現(xiàn)屈服。此時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為材料的屈服點(diǎn)（s）：（MPa）式中 Fs試樣屈服時(shí)所承受的載荷（N）S0試樣原始橫截面積（mm2）有些材料用規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力r來(lái)表示它的屈服點(diǎn)，如圖1-3所示。表示此應(yīng)力的符號(hào)，如：r0.2

5、表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值（經(jīng)常寫(xiě)成0.2）：（MPa）圖1-3規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力示意圖式中 Fr0.2殘余伸長(zhǎng)率達(dá)0.2%時(shí)的載荷（N）；S0試樣原始橫截面積（mm2）。 抗拉強(qiáng)度b試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度，用符號(hào)b表示： (MPa)式中 Fb試樣在拉伸過(guò)程中所承受的最大載荷（N）So試樣原始橫截面積（mm2）在實(shí)際生產(chǎn)中，s是工程中塑性材料零件設(shè)計(jì)及計(jì)算的重要依據(jù)，r0.2則是不產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象零件的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。有時(shí)可直接采用抗拉強(qiáng)度b加安全系數(shù)。在工程上，把s/b稱(chēng)為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比一般取值在0.650.75。（2）剛度材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱(chēng)為剛度，它表

6、示材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。剛度的大小，通常用彈性模量E（單向拉伸或壓縮時(shí)）及G（剪切或扭轉(zhuǎn)時(shí)）來(lái)評(píng)價(jià)。（3）塑性塑性是指材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的性能指標(biāo)： 斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。用符號(hào)表示：式中 L0試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）L1試樣拉斷后對(duì)接的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）伸長(zhǎng)率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)。10表示長(zhǎng)試樣的斷后伸長(zhǎng)率（通常寫(xiě)成），5表示短試樣的斷后伸長(zhǎng)率。同種材料的5>10，所以相同符號(hào)的伸長(zhǎng)率才能進(jìn)行比較。 斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)表示：式中 So試

7、樣原始橫截面積（mm2）；S1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）。斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了材料的塑性。一般或值越大，材料塑性越好。2沖擊韌度上述都是靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，許多零件是在沖擊載荷作用下工作的，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、風(fēng)動(dòng)工具等。對(duì)這類(lèi)零件，不僅要滿足在靜載荷作用下的性能要求，還應(yīng)具有足夠的韌性，可防止發(fā)生突然的脆性斷裂。圖1-7夏比沖擊試驗(yàn)原理圖 圖1-8鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度1-支座；2-試樣；3-指針；4-擺錘；韌性是指材料在塑性變形 和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。材料突然脆性斷裂除取決于材料的本身因素以外，還和外界條件，特別是加載速率、應(yīng)力狀態(tài)及

8、溫度、介質(zhì)的影響有很大的關(guān)系。金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。沖擊試驗(yàn)法（夏比沖擊試驗(yàn)），如圖1-7所示。擺錘一次沖斷試樣所消耗的能量用符號(hào)Ak表示：Ak=mgh1mgh2=mg（h1h2）Ak沖擊吸收功，單位為（J），由試驗(yàn)機(jī)刻度盤(pán)上直接讀出。材料的沖擊韌度：（J/cm2）式中So試樣缺口橫截面積對(duì)一般常用鋼材來(lái)說(shuō)，所測(cè)沖擊吸收功Ak越大，材料的韌性越好。但由于測(cè)出的沖擊吸收功Ak的組成比較復(fù)雜，所以有時(shí)測(cè)得的Ak值及計(jì)算出的沖擊韌度ak不能真正反映材料的韌脆性質(zhì)。沖擊吸收功與溫度有關(guān)，如圖1-8示。沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷等有關(guān)。所以沖擊

9、吸收功一般只能作為選材的參考，而不能直接用于強(qiáng)度計(jì)算。3疲勞強(qiáng)度（1）疲勞斷裂某些機(jī)械零件，在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度甚至是彈性極限的情況下發(fā)生斷裂稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂不管是脆性材料還是韌性材料，都是突發(fā)性的，事先均無(wú)明顯的塑性變形，具有很大的危險(xiǎn)性。（2）疲勞強(qiáng)度圖1-9疲勞曲線示意圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞曲線如圖1-9所示。由曲線可以看出，應(yīng)力值越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)越多；我們把試樣承受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力，作為材料的疲勞強(qiáng)度。通常規(guī)定鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù)為107；非鐵金屬的循環(huán)基數(shù)為108；腐蝕介質(zhì)作用下的循環(huán)基數(shù)為106。一、 材料的力學(xué)性能4硬度硬度是指材料抵抗局部

10、變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，它是衡量材料軟硬的指標(biāo)。硬度值的大小不僅取決于材料的成分和組織結(jié)構(gòu)，而且還取決于測(cè)定方法和試驗(yàn)條件。硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作迅速方便，一般不需要破壞零件或構(gòu)件，而且對(duì)于大多數(shù)金屬材料，硬度與其它的力學(xué)性能（如強(qiáng)度、耐磨性）以及工藝性能（如切削加工性、可焊性等）之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，在工程上，硬度被廣泛地用以檢驗(yàn)原材料和熱處理件的質(zhì)量，鑒定熱處理工藝的合理性以及作為評(píng)定工藝性能的參考。圖1-4 布氏硬度試驗(yàn)原理常見(jiàn)的硬度試驗(yàn)方法：布氏硬度（主要用于原材料檢驗(yàn)）、洛氏硬度（主要用于熱處理后的產(chǎn)品檢驗(yàn)）、維氏硬度（主要用于薄板材料及材料表層的硬度測(cè)定）

11、、顯微硬度（主要用于測(cè)定金屬材料的顯微組織及各組成相的硬度）。本次課只介紹生產(chǎn)上常用的布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。（1）布氏硬度 布氏硬度測(cè)試原理布氏硬度試驗(yàn)是用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，以相應(yīng)的試驗(yàn)載荷壓入試樣的表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)載荷，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑。如圖1-4所示。布氏硬度值是試驗(yàn)載荷F除以壓痕球形表面積所得的商。當(dāng)F、D一定時(shí)，布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)。d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，則說(shuō)明材料較軟。在實(shí)際應(yīng)用中，布氏硬度一般不用計(jì)算，只需根據(jù)測(cè)出的壓痕平均直徑d查表即可得到硬度值。 布氏硬度的表示方法布氏硬度用符號(hào)HB表示。使用淬

12、火鋼球壓頭時(shí)用HBS表示，適合于測(cè)定布氏硬度值在450以下的材料；使用硬質(zhì)合金壓頭時(shí)，用HBW表示，適合于測(cè)定布氏硬度值在450以上的材料，最高可測(cè)650HBW。其表示方法為：在符號(hào)HBS或HBW之前為硬度值（不標(biāo)注單位），符號(hào)后面按以下順序用數(shù)值表示試驗(yàn)條件。例如，120HBS10/1000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球壓頭在9.8KN（1000Kgf）的試驗(yàn)載荷作用下，保持30s所測(cè)得的布氏硬度值為120；500HBW5/750表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球壓頭在7.35KN（750Kgf）試驗(yàn)載荷作用下保持1015s（不標(biāo)注）測(cè)得的布氏硬度值為500。在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)金屬材

13、料的種類(lèi)和試件厚度，按一定的試驗(yàn)規(guī)范正確地選擇壓頭直徑D，試驗(yàn)載荷F和保持時(shí)間t，見(jiàn)書(shū)P9表1-2。 布氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用布氏硬度試驗(yàn)壓痕面積較大，受測(cè)量不均勻度影響較小，故測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，適合于測(cè)量組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度。如鑄鐵、鑄鋼、非鐵金屬及其合金，各種退火、正火或調(diào)質(zhì)的鋼材等。另外，由于布氏硬度與b之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但布氏硬度試驗(yàn)測(cè)試費(fèi)時(shí)，壓痕較大，不宜用來(lái)測(cè)成品，特別是有較高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用來(lái)測(cè)太硬的材料。（2）洛氏硬度 洛氏硬度測(cè)試原理 洛氏硬度是在初試驗(yàn)載荷（F0）及總試驗(yàn)載荷（F0+F1）的先后作用下，將壓頭（12

14、0o金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球）壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)載荷F1，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值，如圖1-5所示。壓頭在主載作用下，實(shí)際壓入試件產(chǎn)生塑性變形的壓痕深度為bd（bd為殘余壓痕深度增量）。用bd大小來(lái)判斷材料的硬度。bd越大，硬度越低，反之，硬度越高。實(shí)測(cè)時(shí)，硬度值的大小直接由硬度計(jì)表盤(pán)上讀出。 洛氏硬度表示方法圖1-5 洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖洛氏硬度符號(hào)HR前面為硬度數(shù)值，HR后面為使用的標(biāo)尺。如：50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。 洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用在洛氏硬度試驗(yàn)中，選擇不同的試驗(yàn)載荷和壓頭類(lèi)型可得到不同的洛氏硬度的標(biāo)尺，便

15、于用來(lái)測(cè)定從軟到硬較大范圍的材料硬度。最常用的是HRA、HRB、HRC三種。三種標(biāo)尺的主要試驗(yàn)條件及應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表1-3，其中，以HRC應(yīng)用最為廣泛。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，迅速，測(cè)量硬度值范圍大，壓痕小，可直接測(cè)成品和較薄工件。但由于試驗(yàn)載荷較大，不宜用來(lái)測(cè)定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度。而且由于壓痕小，對(duì)內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大，故需在不同位置測(cè)試三點(diǎn)的硬度值取其算術(shù)平均值。洛氏硬度無(wú)單位，各標(biāo)尺之間沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5金屬材料的斷裂韌度（1）低應(yīng)力脆斷的概念有些高強(qiáng)度材料的機(jī)件常常在遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)的狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；中、低強(qiáng)度的重型機(jī)件、大型結(jié)構(gòu)件也有類(lèi)似情況，這

16、就是低應(yīng)力脆斷。突然折斷之類(lèi)的事故，往往都屬于低應(yīng)力脆斷。研究和試驗(yàn)表明，低應(yīng)力脆斷總是與材料內(nèi)部的裂紋及裂紋的擴(kuò)展有關(guān)。因此，裂紋是否易于擴(kuò)展，就成為衡量材料是否易于斷裂的一個(gè)重要指標(biāo)。（2）裂紋擴(kuò)展的基本形式裂紋擴(kuò)展可分為張開(kāi)型（型）、滑開(kāi)型（型）和撕開(kāi)型（型）三種基本形式，如圖1-10所示。其中以張開(kāi)型（型）最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂。本節(jié)以此為討論對(duì)象。（3）斷裂韌度及其應(yīng)用圖1-10裂紋擴(kuò)展基本形式當(dāng)材料中存在裂紋時(shí)，在外力的作用下，裂紋尖端附近某點(diǎn)處的實(shí)際應(yīng)力值與施加的應(yīng)力（稱(chēng)為名義應(yīng)力）、裂紋長(zhǎng)度a及距裂紋尖端的距離有關(guān)，即施加的應(yīng)力在裂紋尖端附近形成了一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。為表述該應(yīng)力場(chǎng)

17、的強(qiáng)度，引入了應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的概念，即：KI=Y式中 KI應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，單位為MPa·m，I表示為張開(kāi)性裂紋；名義應(yīng)力a裂紋長(zhǎng)度Y裂紋形狀系數(shù)，無(wú)量綱，一般Y=12由公式可見(jiàn)，KI隨和a的增大而增大，故應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值也隨之增大，造成裂紋自動(dòng)擴(kuò)展。斷裂韌度可為零（構(gòu)）件的安全設(shè)計(jì)提供重要的力學(xué)性能指標(biāo)。斷裂韌度是材料固有的力學(xué)性能指標(biāo)，是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。它與裂紋的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，主要取決于材料的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度值KIC參見(jiàn)（教材P14）表1-4。二、材料的物理、化學(xué)性能1、物理性能密度 、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性 、熱膨脹性、磁性。2、化學(xué)性

18、能材料的化學(xué)性能是材料抵抗周?chē)橘|(zhì)侵蝕的能力，主要包括耐蝕性和熱穩(wěn)定性等。§1-2 材料的工藝性能工藝性能是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按加工方法的不同，可分為鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性及熱處理工藝性能等。在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都要考慮材料的工藝性能，以便降低成本，獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的零件。1. 材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2. 鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復(fù)雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。流動(dòng)性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性3. 鍛造性：材料進(jìn)行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程

19、度的度量。塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。4. 焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。連接能力：焊接頭部位強(qiáng)度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。5. 切削加工性：材料進(jìn)行切削加工的難易程度。它與材料的種類(lèi)、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。切削抗力加工表面質(zhì)量排屑難易程度切削刀具的使用壽命6. 熱處理性能：可以實(shí)施的熱處理方法和材料在熱處理時(shí)性能改變的程度。第二章 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合鍵在所有固溶體中，原子是由鍵結(jié)合在一起。這些鍵提供了固體的強(qiáng)度和有關(guān)電和熱的性質(zhì)。例如，強(qiáng)鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈

20、性系數(shù)、較短的原子間距及較低的熱膨脹系數(shù)。由于原子間的結(jié)合鍵不同，將材料分為金屬、聚合物和陶瓷3類(lèi)。材料的成分不同其性能也不同。對(duì)同一成分的材料也可通過(guò)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的方法，改變其性能，這促進(jìn)了人們對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。組成材料的原子的結(jié)構(gòu)決定了原子的結(jié)合方式，按結(jié)合方式可將固體材料分為金屬、陶瓷和聚合物。根據(jù)其原子排列情況，又可將材料分為晶體與非品體兩大類(lèi)。本章首先介紹材料的晶體結(jié)構(gòu)。一、材料的結(jié)合方式1化學(xué)鍵    組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子或離子)間相互作用力叫化學(xué)鍵。由于質(zhì)點(diǎn)相互作用時(shí)，其吸引和排斥情況的不同，形成了不同類(lèi)型的化學(xué)控，

21、主要有共價(jià)健、離子鍵和金屬鏈。2共價(jià)鍵原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時(shí)借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力結(jié)合，形成共價(jià)鍵。金剛石、單質(zhì)硅、SiC等屬于共價(jià)鍵。共價(jià)鍵具有方向性，故共價(jià)鍵材料是脆性的。具有很好的絕緣性。3離子鍵大部分鹽類(lèi)、堿類(lèi)和金屬氧化物在固態(tài)下是不能導(dǎo)電的熔融時(shí)可以導(dǎo)電。這類(lèi)化合物為離子化合物。當(dāng)兩種電負(fù)性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時(shí)，其中電負(fù)性小的原子失去電子，成為正離子，電負(fù)性大的原子獲得電子成為負(fù)離子，兩種離子靠靜電引力結(jié)合在一起形成離子鍵。在Nacl晶體中，離子型晶體中，正、負(fù)離子間有很強(qiáng)的電的吸引力，所以有較高熔點(diǎn)，故離子鎂材料是脆性的。故固態(tài)時(shí)導(dǎo)電性很差

22、。4金屬鍵金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，其外層的價(jià)電子脫離原子成為自由電子為整個(gè)金屬所共有，它們?cè)谡麄€(gè)金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。這種由金屬正離子和自由電子之間互相作用而結(jié)合稱(chēng)為金屬鍵。金屬鍵無(wú)方向性和飽和性，故金屬有良好的延展性，良好的導(dǎo)電性。因此金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，更好的導(dǎo)熱性，金屬不透明，具有金屬光澤。5范德瓦爾鍵許多物質(zhì)其分子具有永久極性 。分子的一部分往往帶正電荷，而另一部分往往帶負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結(jié)合在一起，稱(chēng)為范德瓦爾鍵也叫分子鍵。6工程材料的鍵性   

23、 金屬材料的結(jié)合主要是金屬鍵，陶瓷材料的結(jié)合鍵主要是離子鍵與共價(jià)鍵。高分子材料的鏈狀分子間的結(jié)合是范德瓦爾鍵，而鏈內(nèi)是共價(jià)鍵。二、晶體學(xué)基礎(chǔ)1晶體與非晶體原子排列可分為三個(gè)等級(jí)，即無(wú)序排列，短程有序和長(zhǎng)程有序。物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。非晶體在整體上是無(wú)序的。晶體與非晶體中原子排列方式不同，導(dǎo)致性能上出現(xiàn)較大差異。晶體具有一定的熔點(diǎn)，非晶體則沒(méi)有。晶體的某些物理性能和力學(xué)性能在不同的方向上具有不同的數(shù)值成為各項(xiàng)異性。2空間點(diǎn)陣   便于研究晶體中原于、分子或離子的排列情況，近似地將晶體看成是無(wú)錯(cuò)排

24、的理想晶體，忽略其物質(zhì)性，抽象為規(guī)則排列于空間的無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)。這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相同。這種點(diǎn)的空間排列稱(chēng)為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)陣，從點(diǎn)陣中取出一個(gè)仍能保持點(diǎn)陣特征的最基本單元叫晶胞。將陣點(diǎn)用一系列平行直線連接起來(lái)，構(gòu)成一空間格架叫晶格。晶胞選取應(yīng)滿足下列條件：(1) 晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱(chēng)性。(2) 平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。(3) 當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多。(4) 滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。(5) 晶胞的尺寸和形狀可用點(diǎn)陣參數(shù)來(lái)描述，它包括晶胞的各邊長(zhǎng)度和各邊之間的夾角。根據(jù)以上原則，可將晶體劃分為7個(gè)晶

25、系。用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，故這14種空間點(diǎn)陣叫做布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系， 空間點(diǎn)陣雖然只可能有14種，但晶體結(jié)構(gòu)則是無(wú)限多的。3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)常常涉及到晶體中某些原子在空間排列的方向（晶向）；和某些原子構(gòu)成的空間平面(晶面)為區(qū)分不同的晶向和晶面，需采用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)定它們，這種標(biāo)號(hào)叫晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。1晶向指數(shù)和標(biāo)定(1)以晶格中某結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，取點(diǎn)陣常數(shù)為三坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度，建立右旋坐標(biāo)系，定出欲求晶向上任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。(2)“末”點(diǎn)坐標(biāo)減去“始”點(diǎn)坐標(biāo)，得到沿該坐標(biāo)系備軸方向移動(dòng)的點(diǎn)陣參數(shù)的數(shù)目。(3)將這三個(gè)值化成一組互質(zhì)整數(shù)，加上一個(gè)方括號(hào)即為所求的晶

26、向指數(shù)u v w，如有某一數(shù)為負(fù)值，則將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該數(shù)字上方。2晶面指數(shù)的標(biāo)定(1)建立如前所述的參考坐標(biāo)系，但原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶 面之外，以避免出現(xiàn)零截距。(2)找出待定晶面在三軸的截距，如果該晶面與某軸平行，則截距為無(wú)窮大。(3)取截距的倒數(shù)，將其化為一組互質(zhì)的整數(shù)，加圓括號(hào)得到晶面指數(shù)(h k l)3晶面族與晶向族在晶體中有些晶面原子排列情況相同，面間距也相等，只是空間位向不同，屬于同一晶面族用h k l表示。 晶向族用u v w表示，代表原子排列相同，空間位向不同的所有晶相。三、材料的晶體結(jié)構(gòu)    金屬鍵具有無(wú)方向性特點(diǎn)，金屬大多趨于緊密，高對(duì)稱(chēng)

27、性的簡(jiǎn)單排列。共價(jià)鍵與離子鍵材料為適應(yīng)鍵、離子尺寸差別和價(jià)引起的種種限制，往往具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。1典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)    最常見(jiàn)的金屬的晶體結(jié)構(gòu)有體心立方、面心立方和密排立方。晶胞中原子數(shù)    晶體由大量晶胞堆砌而成，故處于晶胞頂角或周面上的原子就不會(huì)為一個(gè)晶胞所獨(dú)，只有晶胞內(nèi)的原子才為晶胞所獨(dú)有。假設(shè)相同的原子是等徑鋼球，最密排方向上原于彼此相切，兩球心距離之半便是原子半徑。配位數(shù)與致密度晶體中原子排列的緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。為了定量地表示原子排列的緊密程度，通常應(yīng)用配位數(shù)和致密度這兩個(gè)參

28、數(shù)。配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原于最近鄰并且等距離的原子數(shù)。體心立方對(duì)面心立方結(jié)構(gòu)致密度為，的密排六方結(jié)構(gòu)(G1633)配位數(shù)也是12，致密度也是0.74。晶體中原子的堆垛方式面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致密度卻相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式。面心立方與密排六方的密排111與（0001）原子排列情況完全相同，密排六方結(jié)構(gòu)可看成由（0001）面沿001方向逐層堆垛而成，即按ABAB順序堆垛即為密排六方結(jié)構(gòu)。面心立方結(jié)構(gòu)堆垛方式，它是以(111)面逐層堆垛而成的，即按ABCABC順序堆垛。原子排列的緊密程度，故兩者都是最緊密排列。晶體體結(jié)構(gòu)中的間隙 

29、  由原子排列的剛球模型可看出球與球之間存在許多間隙，分析間隙的數(shù)量、大小及位置對(duì)了解材料的相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問(wèn)題都是很重要的。面心立方八面體間隙比體心立方中間隙半徑較大的四方體間隙半徑還大，因此面心立方結(jié)構(gòu)的Fe的溶碳量大大超過(guò)體心立方結(jié)構(gòu)的。密排六方的間隙類(lèi)型與面心立方相同，同類(lèi)間隙的形狀完全相同，僅位置不同，在原子半徑相同的條件下這兩種結(jié)構(gòu)同類(lèi)間隙的大小完全相同。純金屬常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自由電子的吸引力。無(wú)方向性，對(duì)稱(chēng)性較高的密堆結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)：體心立方 bcc Body-centered cubic面心立方 fcc Fa

30、ce-centered cubic密堆六方 cph Close-packed hexagonal1.面心立方原子位置 立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心 在面心立方晶格中密排面為111，密排方向?yàn)?lt;110>面心立方中的間隙將原子假定為剛性球，他們?cè)诙讯馀帕袝r(shí)必然存在間隙。在面心立方晶格中存在的間隙主要有兩種形式： 八面體間隙：位置 體心和棱中點(diǎn)單胞數(shù)量 12/4 + 1 = 4 大小 四面體間隙：位置 四個(gè)最近鄰原子的中心 單胞數(shù)量 8 大小 2.體心立方原子位置 立方體的八個(gè)頂角和體心 在體心立方晶格中密排面為110，密排方向?yàn)?lt;111>體心立方中的間隙八面體間隙：位置

31、面心和棱中點(diǎn) 單胞數(shù)量 12/3 + 6/2 = 6大小 四面體間隙：側(cè)面中心線1/4和3/4處 8 個(gè)大小 3. 密堆六方原子位置 12個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)3處 在密堆六方晶格中密排面為0001，密排方向?yàn)?lt;1120>密堆六方中的間隙八面體間隙：位置 體內(nèi) 單胞數(shù)量 6大小 四面體間隙：位置 棱和中心線的1/4和3/4處 單胞數(shù)量 12大小 §2-2合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性以及金屬光澤，但其強(qiáng)度、硬度都較低，不宜用于制作對(duì)力學(xué)性能要求較高的各種機(jī)械零件、工具和模具等，也無(wú)法滿足人類(lèi)在生產(chǎn)和生活中對(duì)金屬材料多品種、高性能的要求，所以在工業(yè)

32、上大量使用的不是純金屬而是合金。一、合金的基本概念合金 是指由兩種或兩種以上金屬元素（或金屬與非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元 是指組成合金的最基本而獨(dú)立的物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，組元就是組成合金的化學(xué)元素。如黃銅的組元是銅和鋅；青銅的組元是銅和錫。但也可以是穩(wěn)定的化合物，如鐵碳合金中的Fe3C，鎂硅合金中的Mg2Si等。二元合金 是指由兩個(gè)組元組成的合金；由三個(gè)組元組成的，則稱(chēng)為“三元合金”，依次類(lèi)推。合金系 組元不變，當(dāng)組元比例發(fā)生變化，可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，這一系列的合金構(gòu)成一個(gè)“合金系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)合金系。例如各種牌號(hào)的非合金鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金

33、系。相 是指金屬或合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)及原子聚集狀態(tài)相同，并與其它部分有明顯界面分開(kāi)的均勻組成部分。若合金是由成分、結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成的，則各晶粒雖有界面分開(kāi)，卻都屬于同一種相，如純鐵在常溫下是由單相-Fe組成；若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒所構(gòu)成，它們將屬于不同的幾種相，如鐵中加碳后組成鐵碳合金，由于鐵與碳相互作用，又形成一種化合物Fe3C，因此，在鐵碳合金中就出現(xiàn)了一種新相Fe3C（滲碳體），而形成雙相組織（-Fe相和Fe3C相）。組織 是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況，又稱(chēng)為顯微組織（或金相組織

34、）。合金在固態(tài)下，可以形成均勻的單相組織（如純鐵），也可以形成由兩相或兩相以上組成的多相組織，這種組織稱(chēng)為兩相或復(fù)相組織（如退火狀態(tài)的45鋼）。組織和相的關(guān)系 “相”是構(gòu)成組織的最基本的組成部分；但是當(dāng)“相”的大小、形態(tài)與分布不同時(shí)會(huì)構(gòu)成不同的組織，如前述疑問(wèn)中的純鐵冷拉前后的變化?！跋唷笔墙M織的基本單元，組織是相的綜合體。組織是材料性能的決定性因素。相同條件下，材料的性能隨其組織的不同而變化，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，控制和改變材料的組織具有相當(dāng)重要的意義。二、合金的相結(jié)構(gòu)由于合金的性能取決于它的組織，而合金組織的性能又首先取決于合金中的相的性能。所以為了掌握合金的組織和性能，就必須了解合金的相結(jié)

35、構(gòu)及其性能。合金的“相結(jié)構(gòu)”，是指合金中相的晶體結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)“相結(jié)構(gòu)”是相中原子的具體排列規(guī)律。合金可以形成不同的相，其結(jié)構(gòu)比純金屬?gòu)?fù)雜。不同的相原子排列方式（相結(jié)構(gòu)）是不同的。根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中相的結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。1固溶體 固溶體是指合金中兩組元在固態(tài)下相互溶解而形成的均勻固相。溶劑是組成固溶體的兩個(gè)組元中，能夠保持其原有晶格類(lèi)型的組元；溶質(zhì)是失去原有晶格類(lèi)型的組元。固溶體的晶格仍然保持溶劑的晶格類(lèi)型。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置不同，固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。（1）置換固溶體 是指溶質(zhì)原子占據(jù)了部分溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，如右圖

36、（a）所示。按溶解度不同，置換固溶體可分為無(wú)限固溶體和有限固溶體兩種。無(wú)限固溶體：溶質(zhì)原子與溶劑原子能以任何比例相互溶解所形成的固溶體。例如銅鎳合金，銅原子和鎳原子可按任意比例相互溶解。（a）置換固溶體 （ b）間隙固溶體格圖2-17 固溶體有限固溶體：溶質(zhì)在溶劑中的溶解度是有限的固溶體。如銅鋅合金當(dāng)WZn40%時(shí)為有限固溶體（組織除了固溶體外，還有銅與鋅形成的金屬化合物）。溶解度的大小主要取決于組元間的晶格類(lèi)型、原子半徑和溫度等。實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)合金都只能有限固溶，且溶解度隨溫度的降低而減少。形成無(wú)限固溶體的條件：只有各組元的晶格類(lèi)型相同，原子半徑相差不大等。 （2） 間隙固溶體 間隙固溶體

37、形成的條件：是溶質(zhì)原子半徑與溶劑的原子半徑的比值r溶質(zhì)/r溶劑0.59。因此，形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素通常是原子半徑小的非金屬元素，如碳、氮、氫、硼、氧等。（3） 固溶體的性能 形成固溶體時(shí)，雖然保持著溶劑的晶格類(lèi)型，但由于溶質(zhì)原子的溶入，將會(huì)使固溶體的晶格常數(shù)發(fā)生變化而形成晶格畸變，增加了變形抗力，因而導(dǎo)致材料強(qiáng)度、硬度提高。這種通過(guò)溶入溶質(zhì)元素，使固溶體強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。對(duì)于鋼鐵材料來(lái)說(shuō)，固溶強(qiáng)化是其強(qiáng)化途徑的一種；而對(duì)于非鐵金屬材料來(lái)說(shuō)，固溶強(qiáng)化是重要的強(qiáng)化手段。2金屬化合物（中間相）當(dāng)溶質(zhì)含量超過(guò)固溶體的溶解度時(shí)，除了形成固溶體外，還將出現(xiàn)新相，若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任

38、意組成元素，新相將是組元元素間相互作用而生成的一種新的物質(zhì)，即為金屬化合物或中間相。根據(jù)形成條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常見(jiàn)的金屬化合物有正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物三種類(lèi)型。彌散強(qiáng)化 金屬化合物的晶格類(lèi)型和性能不同于組成它的任一組元，一般熔點(diǎn)高，硬而脆，生產(chǎn)中很少直接使用單相金屬化合物的合金。但當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱(chēng)為彌散強(qiáng)化。第三章 金屬材料的塑性變形與再結(jié)晶§3-1材料的塑性變形1.彈性變形普彈性晶體發(fā)生彈性變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，去掉外力后，應(yīng)變完全消失，晶體恢復(fù)到末變形狀態(tài)。彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變

39、服從虎克定律。彈性模量是重要的物理和力學(xué)參量，表示使原子離開(kāi)平衡位置的難易程度，只取決：晶體原子結(jié)合的本性，不依晶粒大小以及組織變化而變是種組織不敏感的性質(zhì)。滯彈性    在彈性范圍內(nèi)加載或去載，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值，而是通過(guò)一種馳豫過(guò)程來(lái)完成的，即隨時(shí)間的延長(zhǎng)，逐步趨于平衡值的，在應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生的彈性應(yīng)變叫滯彈性應(yīng)變。   應(yīng)力應(yīng)變曲線就成回線，回線所包圍的面積是應(yīng)力循環(huán)一周所消耗的能量，稱(chēng)為內(nèi)耗。晶體在外力的作用下發(fā)生形變.當(dāng)外力較小時(shí)形變是彈性的,即卸載后形變也隨之消失.這種可恢復(fù)的變形就稱(chēng)為彈性變形.但是

40、,當(dāng)外加應(yīng)力超過(guò)一定值(即屈服極限)時(shí),卸載后變形就不能完全消失,而會(huì)留下一定的殘余變形或永久變形.這種不可恢復(fù)的變形就稱(chēng)為塑性變形.單晶體的塑性變形工程上應(yīng)用的金屬材料通常是多晶體。金屬的塑性變形主要通過(guò)滑移方式進(jìn)行，此外還有孿生與扭折。高溫變形時(shí)，還會(huì)以擴(kuò)散蠕變與晶界滑動(dòng)方式進(jìn)行。2滑移滑移現(xiàn)象滑移帶，若用電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)每條滑移帶均由許多聚集在一起的相互平行的滑移線所組成?；凭€實(shí)際上是晶體表面產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)滑移臺(tái)階造成的。在晶體缺陷章已指出，室溫下晶體塑變的主要方式是滑移滑移是靠位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的位錯(cuò)沿滑移面滑移當(dāng)移動(dòng)到晶體表面時(shí)，便產(chǎn)生了大小等于柏氏矢量的滑移臺(tái)階，如果該沿移面上有大

41、量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶體表面，宏觀上，晶體的部分相對(duì)另一部份沿滑移面發(fā)生了相對(duì)位移，這便是滑移，滑移矢量與與柏氏矢量平行?；葡祷茣r(shí)，滑移面應(yīng)是面間距最大的密排面，滑移方向方向是原子的最密排方向，一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。面心立方金屬的滑移面為111，共有四組，包含三個(gè)滑移方向，因此共有12個(gè)滑移系。密排六方金屬滑移面為（0001），滑移方向?yàn)?lt;1120>,每組滑移面包含2個(gè)滑移方向，故也有12個(gè)滑移系。密排六方金屬滑移系少，滑移過(guò)程中，可能采取空間位向少，故塑性差。體心立方金屬得移系較多故比密排六方結(jié)構(gòu)金屬塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的數(shù)目也

42、少于面心立方，故體心立方金屬不如面心立方金屬塑性好滑移的臨界分切應(yīng)力滑移時(shí)的晶體轉(zhuǎn)動(dòng)晶體發(fā)生塑性變形時(shí)，往往伴隨取向的改變，當(dāng)晶體在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移時(shí)若夾頭不受限制，欲使滑移面的滑移方向保持不變，拉力軸取向必須不斷變化。實(shí)際上夾頭固定不動(dòng)，即拉力軸方向不變，此時(shí)晶體必須不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果，使滑移面法線與外力軸夾角增大使外力與滑移方向夾角變小。多滑移與交滑移(1)多滑移對(duì)于有多組滑移系的晶體當(dāng)其與外力軸取向不同時(shí)，處于軟位向的一組滑移系首先開(kāi)動(dòng)這便是單滑移。若兩組或幾組滑移系處在同等有利的位向，在滑移時(shí)，各滑移系同時(shí)開(kāi)動(dòng)，或由于滑移過(guò)程中晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)或多個(gè)滑移系交替滑移叫多滑移。(2

43、)交滑移交滑移是指兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿同一個(gè)滑移方向滑移。面心立方晶體中，擴(kuò)展位錯(cuò)由兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)和它們所夾的層錯(cuò)帶構(gòu)成。展位錯(cuò)只能沿層錯(cuò)面移動(dòng)。如果增大應(yīng)力可使擴(kuò)展位錢(qián)集，即使兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)結(jié)合成一個(gè)螺型全位錯(cuò)便可交滑移至另一滑移面，然后在該滑移面擴(kuò)展開(kāi)。熱激活可促進(jìn)交滑移，故升高溫度有利于交滑移進(jìn)行。交滑移過(guò)程還與擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度有關(guān)。2.孿生孿生是冷塑性變形的另一種重要形式，常作為滑移不易進(jìn)行時(shí)的補(bǔ)充。一些密排六方的金屬如Cd, Zn，Mg等常發(fā)生孿生變形。體心立方及面心立方結(jié)構(gòu)的金屬在形變溫度很低形變速率極快時(shí)，也會(huì)通過(guò)孿生方式進(jìn)行塑變。孿生是發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變過(guò)程，總是沿晶

44、體的一定晶面(孿晶面)，沿一定方向(孿生方向)發(fā)生，變形后晶體的變形部分與未變形部分以孿晶面為分界面構(gòu)成了鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系金相顯微鏡下一般呈帶狀，有時(shí)為透鏡狀。孿生變形特點(diǎn)孿生與滑移有如下差別：(1)孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上進(jìn)行。(2)孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移后晶體各部分位向均未改變(3)與滑移系類(lèi)似，孿生要素也與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，但同一結(jié)構(gòu)的孿晶面、孿生方向與滑移面，滑移方向可以不同。孿生對(duì)塑變的直接貢獻(xiàn)比滑移小很多。3.晶體的扭折沿六方金屬C軸壓縮時(shí)，當(dāng)外力超過(guò)某一臨界值時(shí)晶體會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，這種形式的變形叫扭折，扭沂是晶體彎曲變形或滑移在

45、某些部位受阻，位錯(cuò)在那里堆積而成的。壓縮時(shí)產(chǎn)生的理想對(duì)稱(chēng)扭折帶是由好幾個(gè)楔形區(qū)域組成。4.多晶體的塑性變形實(shí)際使用的絕大多數(shù)金屬材料都是多晶體。多晶體塑變與單晶體塑變即有相同之處，又有不同之處。相同之處是變形方式也以滑移，孿生為基本方式。不同之處是變形受到晶界阻礙與位向不同的晶粒的影響使變形更為復(fù)雜。多晶體塑性變形過(guò)程多晶體由位向不同的許多小晶粒組成，在外加應(yīng)力作用下，只有處在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先開(kāi)動(dòng)。周?chē)幌虿焕木Я５母骰葡瞪系姆智袘?yīng)力尚未達(dá)到臨界值，所以還沒(méi)發(fā)生塑變，處在彈性變形狀態(tài)。當(dāng)有晶粒塑變時(shí)，就意味著其滑移面上的位錯(cuò)源將不斷產(chǎn)生位錯(cuò)，大量位錯(cuò)將沿滑

46、移面源源不斷運(yùn)動(dòng)，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)不能越過(guò)晶界晶粒大小對(duì)塑性變形的影響由以上分析可知，晶粒越細(xì)，單仿體積所包含的晶界越多其強(qiáng)化效果越好。這種用細(xì)化晶粒提高金屬?gòu)?qiáng)度的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。多晶體應(yīng)力應(yīng)變曲線多晶體應(yīng)力應(yīng)變曲線如，它不具有典型單晶體的第1階段易滑移階段。這是因?yàn)榫Я７轿徊煌骶ЯＷ冃涡杌ハ鄥f(xié)調(diào)，至少有5個(gè)獨(dú)立滑移系開(kāi)動(dòng)，一開(kāi)始便是多滑移，故無(wú)易滑移階段。此外由于晶界的強(qiáng)化作用和多滑移過(guò)程中位錯(cuò)的相互干擾，使多晶體應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率即加工硬化率明顯高于單晶。4.塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響形變織構(gòu)金屬冷塑性變形時(shí)，晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使金屬晶體中原為任意

47、取向的各晶粒逐漸調(diào)整到取向彼此趨于一致，這就形成了晶體的擇優(yōu)取向，我們稱(chēng)它為形交織構(gòu)。殘余應(yīng)力    宏觀殘余應(yīng)力又稱(chēng)第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，是物體各部分不均勻變形所引起，在整個(gè)物體范圍內(nèi)處于平衡。微觀內(nèi)應(yīng)力也叫第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，由晶?；騺喚ё冃尾痪鶆蛞鹪诰Я；騺喎秶鷥?nèi)互相平衡。點(diǎn)陣畸變也叫第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，約占儲(chǔ)存能的90。由形變金屬內(nèi)部產(chǎn)生的大量位錯(cuò)等晶體缺陷引起，其作用范圍僅為幾十至幾百個(gè)nm。5.金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋Cottrell氣團(tuán)晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點(diǎn)陣畸為，形成了應(yīng)力場(chǎng)。若晶體中同時(shí)存在位錯(cuò)，則位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周?chē)?；形?/p>

48、比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周?chē)木奂锌率蠚鈭F(tuán)。位錯(cuò)交割和帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)固定位錯(cuò)    有些位錯(cuò)本身不能沿滑移面滑動(dòng)，稱(chēng)為固定位錯(cuò)。§ 3-2 回復(fù)與再結(jié)晶一、形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化1.顯微組織的變化將冷塑性變形的金屬材料加熱到0.5T熔溫度附近，進(jìn)行保溫，隨時(shí)間的延長(zhǎng)。第一階段顯微組織無(wú)變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀，稱(chēng)為回復(fù)階段。第二階段完全變成新的等軸晶粒，稱(chēng)為再結(jié)晶階段。第三階段稱(chēng)為晶粒長(zhǎng)大階段。2.儲(chǔ)存能釋放與性能變化冷塑變時(shí)，外力所作的功尚有一小部分儲(chǔ)存在形變金屬內(nèi)部，這部分能量叫儲(chǔ)存能。72回復(fù)3.回復(fù)機(jī)理低

49、溫回復(fù)主要涉及點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)?？瘴换蜷g隙原子移動(dòng)到晶界或位錯(cuò)處消失，空位與間隙原子的相遇復(fù)合，空位集結(jié)形成空位對(duì)或空位片，使點(diǎn)缺陷密度大大下降。中溫回復(fù)時(shí)隨溫度升高原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)可以在滑移面上猾移或交滑移，使異號(hào)位錯(cuò)相通相消，位錯(cuò)密度下降，位錯(cuò)纏結(jié)內(nèi)部重新排列組合，使亞晶規(guī)整化。高溫回復(fù)，原子活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，位錯(cuò)除滑移外，還可攀移。主要機(jī)制是多邊化。冷變形使平行的同號(hào)位錯(cuò)在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯(cuò)雜亂分布高溫回復(fù)過(guò)程中，這些刃位錯(cuò)便通過(guò)攀移和滑移，由原來(lái)能量較高的水平塞積。4.回復(fù)動(dòng)力學(xué)圖75為經(jīng)拉伸變形的純鐵在不同溫度下加熱時(shí)，屈服強(qiáng)度的回復(fù)動(dòng)力學(xué)曲線。（LR)為剩

50、余加工硬化分?jǐn)?shù)，t為退火時(shí)間。二、再結(jié)晶    冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在變形基體中，重新生成無(wú)畸變的新晶粒的過(guò)程叫再結(jié)晶。再結(jié)晶包括生核與長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程，1.再結(jié)晶的形核（1）小變形量的弓出形核機(jī)制（2）亞晶合并機(jī)制（3）亞晶蠶食機(jī)制2.再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)對(duì)恒溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)人們作過(guò)大量研究。圖710為純銅經(jīng)98冷軋，在不同溫度下 等溫再結(jié)晶已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)xv與等溫時(shí)間t的關(guān)系曲線。具有典型的形核，長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快。等溫的每個(gè)溫度下，再結(jié)晶速度開(kāi)始很小，隨xv的增加而逐漸增大，并在大約50處達(dá)到最

51、大，然后又逐漸減小。3.影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素主要有以下幾個(gè)方面：溫度熱溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度V再越快，完成再結(jié)晶所需的時(shí)間也越短。變形程度金屬的變形度越大儲(chǔ)存能也越多，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也越大，因此再結(jié)晶速度也越低。工業(yè)微量溶質(zhì)原子不利于再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大，阻礙再結(jié)晶，使再結(jié)晶溫度升高。原始晶粒尺寸晶粒越細(xì)，變形抗力越大，冷變形后儲(chǔ)存能越多，再結(jié)晶溫度越低。分散相粒子分散相粒子直徑較大，粒子間距較大的情況下，再結(jié)晶被促進(jìn)：而小的粒子尺寸和小的粒子間距，再結(jié)晶被阻礙。4.再結(jié)晶后晶粒大小變形度的影響變形量很小時(shí)，儲(chǔ)存能少，不足以發(fā)生再結(jié)晶，故退火后晶粒尺寸不變：能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通

52、常在28范圍內(nèi)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力小，形核率低，最終能長(zhǎng)大的晶粒個(gè)數(shù)少，再結(jié)晶退火后晶粒特別粗大，稱(chēng)為“臨界變形度”；超過(guò)臨界變形度隨變形度增加，儲(chǔ)存能增加從而使再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致生核率N與長(zhǎng)大率G同時(shí)增加，但由于N增加速率大于G，同時(shí)增加但由于N增加速率大于G，故再結(jié)晶后的晶粒得到細(xì)化。對(duì)于有些合金，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)再結(jié)晶晶粒義會(huì)更新粗化，這是晶粒異常長(zhǎng)大造成的。退火溫度的影響提高退火溫度，不僅使再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大，而且使臨界變形度變小，臨界變形度越小，再結(jié)晶后的晶粒也越粗大。三、晶粒長(zhǎng)大冷變形金屬在完成再結(jié)晶后，繼續(xù)加熱時(shí)，會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大又可分為正常長(zhǎng)大和異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）。1.晶

53、粒的正常長(zhǎng)大再結(jié)晶剛剛完成，得到細(xì)小的無(wú)畸變等軸晶粒，當(dāng)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒仍可繼續(xù)長(zhǎng)大，若均勻地連續(xù)生長(zhǎng)叫正常長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力    晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從整體上看，是晶粒長(zhǎng)大前后總的界面能差。從個(gè)別晶粒長(zhǎng)大的微觀過(guò)程來(lái)說(shuō)，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。晶粒的穩(wěn)定形貌    實(shí)際的二維晶粒如圖720所示，較大的晶粒往往是六邊以上。影響晶粒長(zhǎng)大的因素(1)溫度溫度越高晶粒長(zhǎng)大速度越快。一定溫度下，晶粒長(zhǎng)到極限尺寸后就不再長(zhǎng)大，但提高溫度后晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大。(2)雜質(zhì)與合金元素雜質(zhì)及合金元素

54、滲入基體后能阻礙晶界運(yùn)動(dòng)。(3)第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動(dòng)，可使晶粒長(zhǎng)大受到抑制。相鄰晶粒的位向差    晶界的界面能與相鄰晶粒的位向差有關(guān)，小角度晶界界面能低，故界面移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力小，晶界移動(dòng)速度低，界面能高的大角度晶界可動(dòng)性高。2.晶粒的異常長(zhǎng)大異常晶粒長(zhǎng)大又稱(chēng)不連續(xù)晶粒長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶，是種特殊的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。發(fā)生異常長(zhǎng)大的條件是，正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被分散相粒子，織構(gòu)或表面熱蝕溝等強(qiáng)烈阻礙，能夠長(zhǎng)大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長(zhǎng)大速度也會(huì)越來(lái)越快，最后形成晶粒大小極不均

55、勻的組織。二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強(qiáng)度與塑性。因此在制定冷變形材料再結(jié)晶退火工藝時(shí)應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)晶。四、金屬的熱變形熱變形或熱加工指金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的加工變形。工業(yè)生產(chǎn)個(gè)，高溫進(jìn)行的鍛造，軋制等壓力加工屬熱加工。熱加工過(guò)程中，在金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程。1動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)回復(fù)主要發(fā)生在曾錯(cuò)能高的金屬材料的熱變形過(guò)程中，動(dòng)態(tài)回復(fù)是其主要或唯一的軟化機(jī)制。2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶具有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖7-24隨變形量增加位錯(cuò)密度不斷增高，使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加快，軟化作用逐漸增強(qiáng)，當(dāng)軟化作用開(kāi)始大于加工硬化作用時(shí)曲線開(kāi)

56、始下降。當(dāng)變形造成的硬化與再結(jié)晶造成的軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，曲線進(jìn)入穩(wěn)定階段。在低應(yīng)變速率下，與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線呈波浪形變化，這是由于低的應(yīng)變速率或較高的變形溫度下，位錯(cuò)密度增加速率小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，必須進(jìn)一步加工硬化，才能再一次進(jìn)行再結(jié)晶的形核。因此這種情況下，動(dòng)態(tài)再結(jié)品與加工硬化交替進(jìn)行：使曲線呈波浪式。層錯(cuò)能偏低的材料如銅及其合金，奧氏體鋼等易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。故動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是低錯(cuò)能金屬材料熱交形的主要軟化機(jī)制。3熱加工后的組織及性能金屬高溫塑性好，變形抗力低可進(jìn)行大量的塑變，使鑄錠中的組織缺陷明顯改善。如使氣泡焊合提高了材料的致密度和機(jī)械性能，改善了組織。  &#

57、160; 熱加工過(guò)程中，某些枝晶偏析，晶界雜質(zhì)偏聚夾雜物或第二相粒子將隨變形的進(jìn)行,    沿加工變形方向分布，在浸蝕的宏觀磨面上，可看到沿變形方向分布的形態(tài)呈纖維狀的“流線”。第四章 材料的凝固與相圖§4-1 金屬的凝固金屬材料的生產(chǎn)一般都是要經(jīng)過(guò)由液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程，如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固又稱(chēng)為結(jié)晶。由于固態(tài)金屬大都是晶體，所以金屬凝固的過(guò)程通常也稱(chēng)為結(jié)晶過(guò)程，金屬結(jié)晶后獲得的原始組織稱(chēng)為鑄態(tài)組織，它對(duì)金屬的工藝性能及使用性能有直接影響。因此，了解金屬?gòu)囊簯B(tài)結(jié)晶為固體的基本規(guī)律是十分必要的。1、金屬結(jié)晶的基本規(guī)律（1）冷卻曲線與過(guò)冷度 純金屬都有一個(gè)固定的熔點(diǎn)（或稱(chēng)結(jié)晶溫度），因此純金屬