工程材料學(xué)及成形工藝基礎(chǔ)：第2章 工程材料的原子排列

1、第二章第二章 材料的結(jié)構(gòu)、凝固材料的結(jié)構(gòu)、凝固與變形與變形2.1 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1 1、晶體、晶體 2 2、晶格、晶格 3 3、晶胞、晶胞 4 4、晶格常數(shù)、晶格常數(shù)5 5、晶面與晶向、晶面與晶向三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)體心立方（體心立方（Body-Centered Cubic, BCC)面心立方（面心立方（ Face-Centered Cubic, FCC)密排六方（密排六方（Hexagonal Close-packed, HCP)二、二、 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1、 單晶

2、體與多晶體單晶體與多晶體2、 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷3、 線缺陷線缺陷4、 面缺陷面缺陷1、單晶體與多晶體1.單晶體：原子排列位向一致2.多晶體：?jiǎn)尉w+缺陷純鐵內(nèi)的晶粒與晶界純鐵內(nèi)的晶粒與晶界晶粒的位向晶粒的位向光學(xué)金相顯示的晶粒 2、點(diǎn)缺陷 (Point Defects)晶體中的空位晶體中的空位 ( (vacancyvacancy) )和間隙和間隙原子原子( (interstitial atominterstitial atom) )3、線缺陷刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) ( (edge dislocationedge dislocation) )4、面缺陷(Surface Defects) 小角度晶界小角度晶

3、界 Small angle grain boundarySmall angle grain boundary大角度晶界的過(guò)渡結(jié)構(gòu)大角度晶界的過(guò)渡結(jié)構(gòu)三、金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v合金：兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素組成，具有金屬特性的物質(zhì)。v組元：組成合金的最基本單元 Cu-Al、Fe3C+Fe、 Fe+Cv相：化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。v合金中有兩類(lèi)基本的相結(jié)構(gòu) 固溶體和金屬間化合物（中間相）1、固溶體v組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱(chēng)為固溶體 A（B） A：溶劑 B：溶質(zhì)v分類(lèi)v溶質(zhì)原子的位置 置換固溶體：晶格類(lèi)型

4、相同,原子半徑相差不大,電化學(xué)性質(zhì)相近 間隙固溶體：原子半徑較小v溶解度 有限固溶體 無(wú)限固溶體固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 溶質(zhì)原子溶入溶劑使晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高。 溶質(zhì)原子溶入晶格畸變位錯(cuò)遠(yuǎn)動(dòng)阻力上升金屬塑性變形困難強(qiáng)度、硬度升高。2、金屬間化合物v合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類(lèi)型和特性又完全不同于任一組元的化合物 中間相。 特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。 在相圖上位于中間部位。v彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 彌散分布的第二相使金屬?gòu)?qiáng)度提高.四、金屬的結(jié)晶1、結(jié)晶過(guò)程 圖29 結(jié)晶 形核：短程有序原子團(tuán)核心 長(zhǎng)大：晶軸2、結(jié)晶溫度 過(guò)冷度：實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度的差別 TTo-

5、Tn3、晶粒大小v晶粒度：表示晶粒大小的一種尺度v細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒改善力學(xué)性能 提高強(qiáng)硬度、塑韌性 鑄件 晶粒細(xì)化方法 增加過(guò)冷度 變質(zhì)處理4、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變重結(jié)晶：同種金屬，不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 晶格改變 P31 圖227 純鐵的冷卻曲線2.2 塑性變形與再結(jié)晶塑性變形與再結(jié)晶v一、單晶體的塑性變形v二、多晶體的塑性變形v三、合金的塑性變形v四、塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響v五、變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化v六、金屬的熱加工一、單晶體的塑性變形v塑變：切應(yīng)力作用主要通過(guò)晶體 滑移滑移、孿生孿生 塑性變形的基本方式：滑移滑移、孿生孿生 v滑移-切應(yīng)力作用下，晶體內(nèi)部相鄰原子層間的相對(duì)滑動(dòng) 孿

6、生：圖214 了解（1）滑移的表現(xiàn)形式 滑移線與滑移帶 圖211 現(xiàn)象：拋光后晶體塑變表面臺(tái)階 光學(xué)顯微鏡下線條：滑移帶由高低不同的臺(tái)階組成 電子顯微鏡下線條：滑移線-滑移帶中的一個(gè)小臺(tái)階 特點(diǎn)：滑移面往往是最密堆積平面具有晶體學(xué)特征 滑移在有限區(qū)域內(nèi)開(kāi)始以有限速度傳播到其他區(qū)域-滑移非剛性 滑移發(fā)出在D的b方向-滑移發(fā)出在點(diǎn)陣最密堆積方向之一上 滑移線（帶）再拋光不可見(jiàn) 是不均勻的塑變 （2）滑移的臨界分切應(yīng)力定律：只有作用到S.S上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，該S.S才滑動(dòng) 臨界分切應(yīng)力e e由晶體結(jié)構(gòu)、加載速度、溫度確定（思考？）二、多晶體的塑性變形 原理與單晶體相同，存在晶界的作用v細(xì)晶強(qiáng)

7、化v加工硬化：冷加工使金屬內(nèi)部缺陷增多，強(qiáng)度提高。三、合金的塑性變形v1、固溶體的塑性變形 固溶強(qiáng)化 柯氏效應(yīng) 2、多相合金的塑性變形 彌散強(qiáng)化 切割機(jī)制+繞過(guò)機(jī)制四、塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響v塑性變形組織： 滑移帶（等軸晶粒）伸長(zhǎng)纖維組織 各向異性：微觀組織不均衡宏觀各方向性能不同 加工硬化：加工硬化：冷加工使金屬內(nèi)部缺陷增多，強(qiáng)度提高 形變織構(gòu)：冷變形使晶粒某晶面或其上某位向趨于 一致 圖219 殘余內(nèi)應(yīng)力：三類(lèi)應(yīng)力 宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力能量提高不穩(wěn)定五、變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化v冷塑變?nèi)毕菰龆酂崃W(xué)不穩(wěn)定態(tài)v加熱原子移動(dòng)趨于穩(wěn)定（降低缺陷） 回復(fù)與再結(jié)晶研究對(duì)象1、冷塑變金屬加熱

8、時(shí)組織于性能的變化塑變金屬 低溫 加熱 高溫纖維 （不多） 新等軸晶粒 大等軸晶粒 顯微組織變化不大 晶粒變化 圖221v回復(fù)：冷塑變金屬加熱時(shí)，在顯微組織未發(fā)生明顯改變前，某些性能的恢復(fù)過(guò)程。v再結(jié)晶：冷塑變金屬加熱時(shí)，通過(guò)形核和長(zhǎng)大形成無(wú)畸變等軸晶粒組織的過(guò)程。 無(wú)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、成分的變化 2、回復(fù)v顯微組織 基本不變（光學(xué)顯微鏡下視場(chǎng)） 位錯(cuò)密度變化不大v性能：強(qiáng)、硬度基本不變，宏觀內(nèi)應(yīng)力v應(yīng)用：去應(yīng)力退火3、再結(jié)晶v顯微組織：等軸晶粒（大?。簻囟?、變形量）v性能：恢復(fù)塑性，位錯(cuò)密度v再結(jié)晶溫度 工業(yè)生產(chǎn)中，常以經(jīng)過(guò)大變形量（70）的冷變形金屬，經(jīng)1h退火，能完全再結(jié)晶（Xr95）的最低溫度（T再） T再（0.350.40）T熔v應(yīng)用：再結(jié)晶退火 （實(shí)際退火溫度）4、晶粒長(zhǎng)大v驅(qū)動(dòng)力 界面能v顯微組織：晶粒粗大v性能：強(qiáng)度、塑性六、金屬的熱加工 冷熱加工的區(qū)別v冷加工加工硬化 TT再 熱加工組織和性能的變化v流線 雜質(zhì) 纖維發(fā)布 各向異性 圖222v細(xì)化晶粒 鑄態(tài)粗晶 碎化v焊合氣孔、疏松、微裂紋第二章總結(jié)空間點(diǎn)陣-晶胞晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子和分子的排列狀態(tài)空間點(diǎn)陣：晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)Fcc， Bcc，