晶體結構與結晶塑形變形課件

1、第二章第二章 金屬的晶體結構與結晶金屬的晶體結構與結晶 金屬材料的結構與性能金屬材料的結構與性能 內容提要： 本章重點介紹金屬材料的結構與組織，包括本章重點介紹金屬材料的結構與組織，包括純金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構、金純金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構、金屬材料的組織。一般介紹金屬材料的性能。屬材料的組織。一般介紹金屬材料的性能。 學習目標： 本章重點掌握金屬材料的晶體結構、晶體缺本章重點掌握金屬材料的晶體結構、晶體缺陷和純金屬的結晶，了解金屬材料的組織及性能。陷和純金屬的結晶，了解金屬材料的組織及性能。四硼酸鋁銥釹晶體磷酸鈦氧鉀晶體四硼酸鋁釹晶體非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃等。

2、蜂蠟、玻璃等。晶體：晶體：金剛石、金剛石、NaClNaCl、冰冰 等。等。怎么辦？怎么辦？晶胞晶胞abc 晶胞：晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。能反映該晶格特征的最小組成單元。晶胞的幾何特征：晶胞的幾何特征： 棱邊長棱邊長a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、 a a、b b、c c 稱為稱為晶格常數晶格常數。 金屬的晶格常數一般為金屬的晶格常數一般為: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 晶胞晶胞不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不

3、同，表現出不同的物理、化學和力學性能；金屬的晶同，表現出不同的物理、化學和力學性能；金屬的晶體結構可用體結構可用X X射線結構分析技術進行測定。射線結構分析技術進行測定。晶系晶系邊長邊長夾角夾角晶體實例晶體實例立方立方a=b=ca=b=c=90=90Cu , NaClCu , NaCl四方四方a=bca=bc=90=90Sn , SnOSn , SnO2 2正交正交abcabc=90=90I I2 2 , HgCl , HgCl2 2三方三方a=b=ca=b=c=90=90Bi , AlBi , Al2 2O O3 3六方六方a a1 1=a=a2 2=a=a3 3 c c=90=90=120

4、=120Mg , AgIMg , AgI單斜單斜abcabc=90=90=120=120S , KClOS , KClO3 3 三種常見的金屬晶體結構三種常見的金屬晶體結構 重點內容重點內容1. 1. 體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )八個原子處于立方體的角上八個原子處于立方體的角上, ,一個原子處于立方體的一個原子處于立方體的中心中心, , 角上八個原子與中心原子緊靠。角上八個原子與中心原子緊靠。具有體心立方晶格的金具有體心立方晶格的金屬有鉬屬有鉬(Mo)(Mo)、鎢、鎢(W)(W)、釩釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, (-Fe, 912 )91

5、2 )等。等。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：（1 1）晶格常數）晶格常數 a=b=c, =a=b=c, =90=90 （2 2）晶胞原子數）晶胞原子數 角上原子屬角上原子屬8 8個相鄰晶胞，中個相鄰晶胞，中心原子屬于該晶胞；心原子屬于該晶胞；一個體心立方晶胞所含的原子一個體心立方晶胞所含的原子數為數為 2 2個。個。（3 3）原子半徑）原子半徑晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半稱為原晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半稱為原子半徑子半徑( (r r原子原子) )；體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數a a之間關系為：之間關系為： （4 4）致密度）致密

6、度晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比稱為致晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度密度( (也稱密排系數也稱密排系數) )；致密度越大，原子排列緊密程度越大。致密度越大，原子排列緊密程度越大。 體心立方晶胞的致密度為：體心立方晶胞的致密度為：體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：（5 5）配位數）配位數配位數配位數: :晶格中與任一個原子相距最近且距離相等的晶格中與任一個原子相距最近且距離相等的原子數目；原子數目；配位數越大，原子排列緊密程度就越大；配位數越大，原子排列緊密程度就越大；體心立方晶格的配位數為體心立方晶格的配位數為8 8。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：2. 2. 面

7、心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) )金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。 具有這種晶格的金屬：鋁具有這種晶格的金屬：鋁(Al)(Al)、銅、銅(Cu)(Cu)、鎳、鎳(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、銀、銀(Ag)(Ag)、- - 鐵鐵( -Fe, 912 ( -Fe, 912 1394 )1394 )等。等。XYZabc 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：（1 1）晶格常數：）晶格常數：a=b=c, =a=

8、b=c, =90=90（2 2）晶胞原子數：）晶胞原子數：4 4個個（3 3）原子半徑：）原子半徑：（4 4）致密度）致密度：0.74 (74%)0.74 (74%)面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：（5 5）配位數）配位數 12 12 3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ( HCP ) ( HCP 晶格晶格) )十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上, , 在上下在上下底面的中心各分布一個原子底面的中心各分布一個原子, , 上下底面之間均勻分布上下底面之間均勻分布三個原子。三個原子。具有這種晶格的金屬有具有這種晶格的金屬有鎂鎂(Mg)

9、(Mg)、鎘、鎘(Cd)(Cd)、鋅、鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征：（1 1）晶格常數）晶格常數 正六邊形的邊長正六邊形的邊長a a 兩底面之間的距離兩底面之間的距離c c 相鄰側面夾角相鄰側面夾角120120 側面與底面夾角側面與底面夾角9090 1112+2+3=662創(chuàng)r=a/2r=a/2（2）晶胞原子數）晶胞原子數6（3 3）原子半徑）原子半徑（4）配位數）配位數：12（5 5）致密度：）致密度：0.74 (74%)0.74 (74%)密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征：( ( 6 6 ) )軸比：軸比：c/a=1.633aACA

10、aaaaaaDO2 /4a3 /4a晶向指數和晶面指數晶向指數和晶面指數在晶體中，由一系列原子所組成的平面成為在晶體中，由一系列原子所組成的平面成為晶面晶面；任意兩個原子之間的連線所指的方向稱為任意兩個原子之間的連線所指的方向稱為晶向晶向。晶面、晶向用晶面指數、晶向指數表達。晶面、晶向用晶面指數、晶向指數表達。ABBO100010001和0000010l 例一、例一、已知某過原點晶向已知某過原點晶向上一點的坐標為上一點的坐標為1 1、1.51.5、2 2，求該直晶向指數。，求該直晶向指數。l 將三坐標值按比例化為最將三坐標值按比例化為最小整數加方括弧得小整數加方括弧得234234。l 例二、例

11、二、已知晶向指數為已知晶向指數為110, 110, 畫出該晶向。畫出該晶向。l 找出找出1 1、1 1、0 0坐標點坐標點, ,連接連接原點與該點的直線即所求原點與該點的直線即所求晶向。晶向。110234當晶面平行某一晶軸，則晶面在該晶軸上截距為當晶面平行某一晶軸，則晶面在該晶軸上截距為，倒數為，倒數為0 0 。另外還有另外還有100100111111等晶面族等晶面族立方晶系的立方晶系的110晶面族晶面族(110)(101)(011)(10)(01)(01)000000如：如：(111)與與 ()l 例一、例一、求截距為求截距為 、1 1、 晶面的指晶面的指數。數。l 截距值取倒數為截距值取倒

12、數為0 0、1 1、0 0，加圓括，加圓括弧得（弧得（010010）l 例二、例二、求截距為求截距為2 2、3 3、 晶面的指晶面的指數。數。 l 取倒數為取倒數為1/21/2、1/3 1/3 、 0, 0, 按比例按比例化為最小整數加圓括弧得（化為最小整數加圓括弧得（320320）l 例三、例三、畫出（畫出（112112）晶面）晶面 取三指數的倒數取三指數的倒數1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最化成最小整數為小整數為2 2、2 2、1 1，即為，即為X X、Y Y、Z Z三坐標軸上的截距三坐標軸上的截距100111l 晶面族與晶向族晶面族與晶向族l ( (hklhkl) )與與 uv

13、wuvw 分別表示的是一組平行的晶面和晶向。分別表示的是一組平行的晶面和晶向。l 指數雖然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向稱作晶指數雖然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向稱作晶面族或晶向族。分別用面族或晶向族。分別用 hklhkl 和和 表示。表示。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、111111111111 :111110011101011101110 :110001010100 :100 、111111111111XZY說明：說明： 在立方晶系中，指數在立方晶系中

14、，指數相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直互垂直。 遇到負指數，遇到負指數，“- -”號放在該指數的上方。號放在該指數的上方。晶向具有方向性，晶向具有方向性，如如110與與110方方向相反。向相反。XZY(221)221110110l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向l 單位面積晶面上單位面積晶面上的原子數稱晶面原子密度。的原子數稱晶面原子密度。l 單位長度晶向上單位長度晶向上的原子數稱晶向原子密度。的原子數稱晶向原子密度。l 原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面密排面數量數量密排方向密排方向數量數量體

15、心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底六方底面面1底面對角底面對角線線3100111110ABCDEOF（110） 晶面的截距可以為負數晶面的截距可以為負數, , 在指數上加負號在指數上加負號, , 如如 。 若某個晶面若某個晶面 的指數都乘以的指數都乘以-1,-1,則得到晶則得到晶面面 , , 則晶面則晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面晶面指數的一般標記為晶面指數的一般標記為( (hklhkl) )。實際表示一組原子。實際表示一組原子排列相同的平行晶面。排列相同的平行晶面。晶面族：

16、晶面族：在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空間位向不同的晶原子排列相同但在空間位向不同的晶面組成晶面族。面組成晶面族。晶面族用大括號表示晶面族用大括號表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111111晶面族：晶面族：若兩個晶向的全部指數數值相同而符號相反若兩個晶向的全部指數數值相同而符號相反, , 則則它們相互平行或為同一原子列它們相互平行或為同一原子列, , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 若只研究原子排列情況若只研究原子排列情況, , 則晶向則晶向110110與與 可用同一個指數可用同一個指數110

17、110表示。表示。晶向族晶向族原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組成晶向族。成晶向族。晶向族用尖括號表示晶向族用尖括號表示, , 即即 。如如: = 100 + 010 + 001: = 100 + 010 + 001在立方晶系中在立方晶系中, , 一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號相一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號相同時同時, , 則該晶面與該晶向互相垂直。則該晶面與該晶向互相垂直。如：如：(111)111(111)111。晶面與晶向互相垂直晶面與晶向互相垂直4. 4. 密排面和密排方向密排面和密排方向 不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子

18、排列密度不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。不一樣。密排面：密排面：原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。 在體心立方晶格中，在體心立方晶格中， 密排面為密排面為110110。 密排方向為密排方向為。 在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面為密排面為111111。 密排方向為密排方向為。XYZXYZ金屬晶體的特性 1. 1. 金屬晶體具有確定的熔點金屬晶體具有確定的熔點 純金屬緩慢加熱到一定溫度純金屬緩慢加熱到一定溫度, , 固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過程中溫度不變。金屬。熔化過程中

19、溫度不變。熔化溫度熔化溫度( (T T0 0) )稱為稱為熔點熔點。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線非晶體材料在加熱非晶體材料在加熱時時, , 固態(tài)轉變?yōu)橐汗虘B(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時態(tài)時, , 溫度變化。溫度變化。 2. 2. 金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子排列的方不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結合力的大小也式和密度不同，它們之間的結合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質叫做晶體的同。這種性質叫做晶體的各向異性各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個晶粒

20、只含一個晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.9010105 5 MPa, MPa, 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 各向異性：各向異性：晶體晶體在不同的方向上的力學、在不同的方向上的力學、物理和化學等方面的性能不一樣。物理和化學等方面的性能不一樣。 各向同性：各向同性：非晶體非晶體在各個方向上性能完在各個方向上性能完全相同，這種性質叫非晶體的全相同，這種性質叫非晶體的各向同性各向同性。 偽各向同性：偽各向同性：實際使用的金屬實際使用的金屬, , 內部有內部有許多晶粒組成，每個晶粒在空間分布的位向許多晶粒組成，每個晶粒在空間分布的位

21、向不同，在宏觀上沿各個方向上的性能趨于相不同，在宏觀上沿各個方向上的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。同，晶體的各向異性顯示不出來。 練習練習 寫出體心立方晶格、面心立方晶格的寫出體心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。密排面和密排方向。晶體缺陷類型晶體缺陷類型（1 1）點缺陷：空位、間隙原子、雜質原子）點缺陷：空位、間隙原子、雜質原子（2 2）線缺陷：位錯）線缺陷：位錯（3 3）面缺陷：晶體表面、晶界、亞晶界、孿晶界）面缺陷：晶體表面、晶界、亞晶界、孿晶界缺陷的含義：缺陷的含義：通常把晶體中質點不按嚴格的點陣排列，偏離了理想通常把晶體中質點不按嚴格的點陣排列，偏離了理想結構的周期

22、排列規(guī)律稱為晶體的結構缺陷。結構的周期排列規(guī)律稱為晶體的結構缺陷。 理想晶體：理想晶體：質點嚴格按照空間點陣排列。質點嚴格按照空間點陣排列。 實際晶體：實際晶體：存在著各種各樣的結構的不完整性。存在著各種各樣的結構的不完整性。 研究缺陷的意義：研究缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現出各種各樣的性質，使材料加由于缺陷的存在，才使晶體表現出各種各樣的性質，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有效的控制和改變。因此，了工、使用過程中的各種性能得以有效的控制和改變。因此，了解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝過程的控制、對材料解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝過程的控制、對材料性能的改善，對于

23、新型材料的設計、研究和開發(fā)具有重要意義。性能的改善，對于新型材料的設計、研究和開發(fā)具有重要意義。缺陷對材料性能的影響舉例：缺陷對材料性能的影響舉例： 材料的強化，如鋼材料的強化，如鋼是鐵中滲碳是鐵中滲碳 陶瓷材料的增韌陶瓷材料的增韌一、點缺陷一、點缺陷 在三維尺度上都很小的的缺陷。在三維尺度上都很小的的缺陷。如果間隙原子是其它元素就稱為如果間隙原子是其它元素就稱為: : 異類原子異類原子（雜質原子）（雜質原子）空位空位間隙原子間隙原子實際金屬中的晶體缺陷實際金屬中的晶體缺陷 實際金屬存在不同類型的缺陷。實際金屬存在不同類型的缺陷。（1 1）空位）空位晶格中某結點上沒有原子。有晶格中某結點上沒有

24、原子。有利于金屬內部原子的擴散。利于金屬內部原子的擴散。（2 2）間隙原子）間隙原子位于晶格間隙之中的原子叫間隙位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子。原子。（3 3）異類原子）異類原子純金屬中存在的其它元素。純金屬中存在的其它元素。異類原子與金屬原子的半徑接近時異類原子與金屬原子的半徑接近時, , 占據晶格的一占據晶格的一些結點些結點; ; 異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多, , 位于晶位于晶格的空隙中。格的空隙中。 異類原子異類原子 老師提示：老師提示：點缺陷造成局部晶格畸變點缺陷造成局部晶格畸變, , 使金屬使金屬的電阻率、屈服強度增加的電阻率、屈服強度

25、增加, , 密度發(fā)生變化。密度發(fā)生變化。 指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，叫指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，叫位錯。由晶體中原子平面的錯動引起。位錯。由晶體中原子平面的錯動引起。二、線缺陷二、線缺陷 刃型位錯與螺型位錯刃型位錯與螺型位錯二、線缺陷二、線缺陷 刃型位錯與螺型位錯刃型位錯與螺型位錯刃型位錯刃型位錯（1）刃型位錯）刃型位錯刃型位錯：晶體的一部分出刃型位錯：晶體的一部分出現一個多余的半原子面，如現一個多余的半原子面，如切入晶體的刀片，刀片的刃切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。口線即為位錯線。半原子面在上面的稱正刃型半原子面在上面的稱正刃型位錯位錯, , 半原子面在下面

26、的稱半原子面在下面的稱負刃型位錯。負刃型位錯。地毯挪動晶體局部滑移造成的刃型位錯刃型位錯形成的原因特點：滑移方向與位錯線垂直，符號特點：滑移方向與位錯線垂直，符號，有多余半片原子面。，有多余半片原子面。（2 2）螺型位錯）螺型位錯螺型位錯示意圖螺型位錯：晶體右邊的螺型位錯：晶體右邊的上部相對于下部向后錯上部相對于下部向后錯動一個原子間距，晶面動一個原子間距，晶面發(fā)生錯動，錯動區(qū)的原發(fā)生錯動，錯動區(qū)的原子用線連接起來，成螺子用線連接起來，成螺旋狀。旋狀。晶體局部滑移造成的螺型位錯螺型位錯的形成原因螺型位錯的形成原因特點：滑移方向與位錯線平行，與位錯線垂直的面不是平面，特點：滑移方向與位錯線平行，

27、與位錯線垂直的面不是平面，呈螺絲狀，稱螺型位錯。呈螺絲狀，稱螺型位錯。a-正常面網正常面網 b-刃型位錯刃型位錯 c-螺型位錯螺型位錯線缺陷原子面網示意圖線缺陷原子面網示意圖刃型位錯的運動刃型位錯的運動螺型位錯的運動螺型位錯的運動混合型位錯的運動混合型位錯的運動塑性變形中位錯的運動塑性變形中位錯的運動位錯的形成：位錯的形成：在金屬的結晶、塑性變形和相變等過在金屬的結晶、塑性變形和相變等過程中形成。程中形成。位錯的量：位錯的量：用位錯線長度來表示。用位錯線長度來表示。位錯密度：位錯密度：單位體積中位錯線的總長度單位體積中位錯線的總長度， 即即 式中：式中： 為位錯密度為位錯密度, , 單位為單位

28、為m m-2-2， LL 為位錯線總長度為位錯線總長度, , 單位為單位為m, m, V V為體積為體積, , 單位為單位為m m3 3。位錯對性能的影響：位錯對性能的影響： 退火金屬中位錯密度一般為退火金屬中位錯密度一般為 10 10101012 12 m m-2-2 左右。左右。 當金屬為理想晶體或含極少量位錯時當金屬為理想晶體或含極少量位錯時, , 金屬的屈服金屬的屈服強度強度 s s 很高。很高。 當進行形變加工時當進行形變加工時, , 位錯密度增加位錯密度增加, , s s 將會增高。將會增高。 不銹鋼中的位錯線不銹鋼中的位錯線金屬的強度與位錯密度的關系金屬的強度與位錯密度的關系三、

29、面缺陷三、面缺陷晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）晶界晶界涉及較大范圍（二維方向），如：晶界、晶體的表面。涉及較大范圍（二維方向），如：晶界、晶體的表面。亞晶界亞晶界晶界(grain boundary)：多數晶體物質是由許多晶粒所組成,屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面. 亞晶界(subgrain boundary) ：每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成,相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界.晶粒的平均直徑通常在0.0150.25nm范圍內,而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001nm. 面缺陷面缺陷二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。（1 1）晶界）晶界實

30、際金屬為多晶體，每個晶粒可視實際金屬為多晶體，每個晶?？梢暈閱尉w。為單晶體。所有晶粒結構相同所有晶粒結構相同, , 位向不同位向不同, , 位位向差為幾十分、幾度或幾十度。向差為幾十分、幾度或幾十度。1Cr171Cr17不銹鋼的多晶體不銹鋼的多晶體晶界原子排列晶界原子排列示意圖示意圖晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界晶界。晶界在空間呈網狀；晶界上原子晶界在空間呈網狀；晶界上原子的排列規(guī)則性較差。的排列規(guī)則性較差。（2 2）亞晶界）亞晶界晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒( (嵌鑲塊嵌鑲塊) )組成。亞晶粒之間的位向差組成。亞晶粒之間的位向差

31、只有幾秒、幾分，最多達只有幾秒、幾分，最多達1 12 2度。度。亞亞晶粒之間的邊界叫晶粒之間的邊界叫亞晶界亞晶界。亞晶界可。亞晶界可由位錯垂直排列成位錯墻而構成。由位錯垂直排列成位錯墻而構成。晶界和亞晶界均可提高金屬的強度。晶界晶界和亞晶界均可提高金屬的強度。晶界越多越多, , 晶粒越細晶粒越細, , 金屬的塑性變形能力越金屬的塑性變形能力越大大, , 塑性越好。塑性越好。亞晶界亞晶界根據相鄰晶界之間的位向差（根據相鄰晶界之間的位向差（）不同，晶界可以分為兩類：）不同，晶界可以分為兩類：小角度晶小角度晶兩相鄰晶粒的位向差約小于兩相鄰晶粒的位向差約小于15，即，即15，一般由位錯組成。一般由位錯

32、組成。大角度晶界大角度晶界兩晶粒間的位向差較大，一般大于兩晶粒間的位向差較大，一般大于15晶界演示圖晶界演示圖01515180攣晶關系攣晶關系非共格攣晶界非共格攣晶界孿晶孿晶相鄰兩晶?；蛞粋€晶粒內部相鄰兩部分沿一相鄰兩晶粒或一個晶粒內部相鄰兩部分沿一 個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系。個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系。公共晶面就稱為公共晶面就稱為孿晶面孿晶面。孿晶間的界面稱為孿晶間的界面稱為孿晶界孿晶界。 本章學習要點：本章學習要點： 形核條件形核條件 結晶過程及結晶的微觀機理結晶過程及結晶的微觀機理 影響鑄造中晶粒大小的因素及控制影響鑄造中晶粒大小的因素及控制 結晶后的組織特征結晶后的組織特

33、征液體 固體（晶體 或 非晶體）- 液體 晶體 - 晶晶體體液液體體結晶結晶一、金屬結晶的宏觀現象一、金屬結晶的宏觀現象 研究液態(tài)金屬結晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態(tài)金屬的溫度與時間的關系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線，見右圖。TmTT理論結晶溫度開始結晶溫度T = Tm - T時間時間溫溫度度純金屬結晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能） 液態(tài)金屬必須冷卻到理論結晶溫度Tm以下某一個溫度T時才開始結晶，這個現象稱為過冷。二、金屬結晶的二、金屬結晶的熱力學條件熱力學條件 熱力學系統(tǒng)轉變的方向和限度轉變的可能性 熱力學第

34、二定律：在等溫等壓條件下，物質系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉變。 G = G(轉變后轉變后) G(轉變前轉變前) 0 只有存在只有存在T 時，時，才才 能能 保保 證證G b.c.ch.c.p（二）孿生晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（孿生面）產生一定角度的切變。三三多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體塑性變形特點多晶體塑性變形特點單個晶粒與單晶體一致；單個晶粒與單晶體一致；各晶粒的變形具不同時性：各晶粒的變形具不同時性：分批、逐次。原因：取向不同。分批、逐次。原因：取向不同。變形具不均勻性變形具不均勻性:晶粒內部與邊界；晶粒之間晶粒內部與邊界；晶粒之間晶界晶界

35、多晶體變形抗多晶體變形抗(阻阻)力力單晶體單晶體晶界阻礙位錯運動；晶界阻礙位錯運動；位向差位向差晶粒之間須協調晶粒之間須協調意義：意義：晶界強化晶界強化2金屬在塑性加工中金屬在塑性加工中組織和性能的變化組織和性能的變化 一一冷塑性加工對組織結構影響冷塑性加工對組織結構影響1晶粒變形：等軸狀晶粒變形：等軸狀拉長拉長纖維組織、帶狀組織纖維組織、帶狀組織性能各向異性性能各向異性晶格較晶格較完整的完整的亞晶塊亞晶塊嚴重畸變區(qū)嚴重畸變區(qū)2產生形變織構產生形變織構 定義：金屬塑性變形到很大程度（定義：金屬塑性變形到很大程度（70%）時，晶粒發(fā)生轉動，各晶粒的位向趨于一時，晶粒發(fā)生轉動，各晶粒的位向趨于一致

36、，這種有序化的結構。致，這種有序化的結構?？棙嬙斐尚阅芨飨虍愋?，變形不均勻，織構造成性能各向異性，變形不均勻，產品產生產品產生“制耳制耳”現象?，F象。二二冷塑性加工對金屬性能的影響冷塑性加工對金屬性能的影響 1加工硬化加工硬化定義：定義：隨變形度增大，金屬的強硬度隨變形度增大，金屬的強硬度顯著增高而塑韌性明顯下降的現象顯著增高而塑韌性明顯下降的現象。 原因：塑形變形原因：塑形變形-位錯移動位錯移動-位錯大量增值位錯大量增值-相互作用相互作用-運動阻力加大運動阻力加大-變形抗力增大變形抗力增大意義：意義：1.強化手段強化手段對不能用熱處理方法強化的對不能用熱處理方法強化的合金尤其重要，如鋁、銅；

37、合金尤其重要，如鋁、銅；2.均勻塑性變形和壓力加工的保證。均勻塑性變形和壓力加工的保證。3.降低塑性，提高切削性能。降低塑性，提高切削性能。不利：再變形難；不利：再變形難；解決辦法：冷加工之間的再結晶退火解決辦法：冷加工之間的再結晶退火2性能出現方向性性能出現方向性形變織構，形變織構，70%3殘余應力殘余應力：金屬在冷塑性加工中，外力所做的功大部分轉化為熱能，金屬在冷塑性加工中，外力所做的功大部分轉化為熱能，但尚有一小部分保留在金屬的內部，造成殘余內應力和點陣畸變。但尚有一小部分保留在金屬的內部，造成殘余內應力和點陣畸變。不利影響：不利影響：其存在導致工件的變形、開裂和產生應力腐蝕，降低工件的

38、承其存在導致工件的變形、開裂和產生應力腐蝕，降低工件的承載能力。載能力。措施：措施：（1）熱處理：退火消除內應力）熱處理：退火消除內應力（2）機械處理：噴丸。）機械處理：噴丸。根據組織變化不同，分為三個階段：根據組織變化不同，分為三個階段：回復回復再結晶再結晶晶粒長大晶粒長大組織組織變化變化加熱溫度加熱溫度內應力內應力晶粒度晶粒度性能性能變化變化強度強度塑性塑性3冷塑形加工金屬在加熱時組織和冷塑形加工金屬在加熱時組織和性能的變化性能的變化二二回復回復1定義：冷變形后的金屬在加熱溫度不高時定義：冷變形后的金屬在加熱溫度不高時，其顯微組織未發(fā)生明顯改變，晶粒仍保持，其顯微組織未發(fā)生明顯改變，晶粒仍

39、保持伸長的纖維狀。伸長的纖維狀。2特點：特點：加熱加熱T低：低：T回回=(0.250.3)T熔熔；顯微組織無明顯變化；顯微組織無明顯變化；晶粒內部亞結構發(fā)生變化（位錯運動形成晶粒內部亞結構發(fā)生變化（位錯運動形成亞晶界）。亞晶界）。性能變化：性能變化：HB、R略略，A、Z略略；R內應力內應力；原因：晶格畸變原因：晶格畸變力性變化不大，理、化性能變化較大；力性變化不大，理、化性能變化較大；加加工硬化基本保持。工硬化基本保持。3.回復的應用回復的應用去應力退火去應力退火目的：保持強硬度水平目的：保持強硬度水平;消除內應力消除內應力;恢復物、化性能?；謴臀?、化性能。鋼件：鋼件：250300（一）（一）再結晶定義及特點再結晶定