工程材料-金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形

1、機(jī)械工程系 工程材料與熱處理 主講：許密第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的典型特性： 導(dǎo)電性好，導(dǎo)熱性高，塑性強(qiáng)，強(qiáng)度高，有金屬光澤金屬鍵：正離子和自由電子的相互吸引使金屬原子相互結(jié)合的方式形成金屬鍵。 金屬鍵決定了金屬的宏觀特性。如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、塑性。金屬的定義：（非嚴(yán)格）金屬是一種具有光澤（對(duì)可見(jiàn)光強(qiáng)烈反射）、富有延展性、容易導(dǎo)電、傳熱等性質(zhì)的物質(zhì)。嚴(yán)格定義：金屬是電阻溫度系數(shù)為正值的物質(zhì)。 隨著溫度上升金屬電阻率增加第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體：原子在三維空間按一定幾何規(guī)律排列形成的有序結(jié)構(gòu)。如：金剛石、水晶、金屬非晶體：原子在三維

2、空間作無(wú)序排列的結(jié)構(gòu)。如：玻璃、松香、石蠟晶體特點(diǎn)：具有固定的熔點(diǎn)。非晶體特點(diǎn)：沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 晶體中，原子是按一定的幾何規(guī)律周期性規(guī)則排列的。 為便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)想為剛性小球，這樣就可將金屬看成是由剛性小球按一定的幾何規(guī)則緊密堆積而成的晶體。 第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 晶格 假定理想晶體中的原子都是固定不動(dòng)的剛性球體，并用假想的線條將晶體中各原子中心連接起來(lái)，便形成了一個(gè)空間格架； 晶胞 晶格中任意一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元稱為晶胞。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 晶格常數(shù) 晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c及

3、棱邊夾角、來(lái)表示； 晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)。 當(dāng)棱邊長(zhǎng)度abc，棱邊夾角90時(shí)，這種晶胞稱為簡(jiǎn)單立方晶胞 簡(jiǎn)單立方晶格:由簡(jiǎn)單立方晶胞組成的晶格。 第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形晶面：晶格中由一系列原子組成的平面。晶向：晶格中各原子列的位相第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.1.2 常見(jiàn)的金屬晶格類型 不同的金屬具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的有以下三種：1)體心立方晶格（bcc）body centered cubic2)面心立方晶格（fcc） face centered cubic3)密排六方晶格（hcp）hexagonal close packed第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形bcc:每個(gè)

4、晶胞中實(shí)際原子數(shù)為：1+81/8=2具有體心立方晶格的金屬有：鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鐵(-Fe)等。晶格的致密度：第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形fcc:每個(gè)晶胞中實(shí)際原子數(shù)為：(1/8)8+6(1/2)=4具有體心立方晶格的金屬有：鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鐵(-Fe)。 晶格的致密度：衡量晶體中原子排列的緊密程度，一個(gè)晶胞中所含原子的體積與晶胞的體積之比。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形同素異晶現(xiàn)象金剛石晶格結(jié)構(gòu)石墨晶格結(jié)構(gòu)第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形hcp:每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為：(1/6)12+2(1/2)+3=6 具有密排六方晶格

5、的金屬：鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。晶格的致密度：0.74致密度的意義：晶格轉(zhuǎn)換時(shí)有體積的變化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子最緊鄰、等距的原子數(shù)目，配位數(shù)越大，晶體原子排列越緊密。晶格 fcc bcc hcp原子數(shù)n 4 2 6 配位數(shù) 12 8 12 致密度 74% 68% 74% 第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.1.3 單晶體的各向異性與多晶體的各向同性晶體的各向異性：晶體中不同晶面和晶向上原子排列的緊密程度不同，原子間的結(jié)合力大小也就不同，從而在不同的方向上會(huì)顯示出不同的性能。2.1.3 單晶體的各向異性與多晶體的各向同性單晶體：原子規(guī)則

6、排列，晶格位向基本一致的固體。單晶體具有 各向異性。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 整塊金屬材料包含著許多小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)的晶格位向（晶向）基本一致，各小晶體之間彼此方位不同。這種結(jié)構(gòu)叫做多晶體結(jié)構(gòu)。呈現(xiàn)各向同性。 多晶體中每個(gè)外形不規(guī)則的小晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒間的界面就是晶界。 晶界是晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域，是原子排列紊亂的區(qū)域。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.1.4 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)1.點(diǎn)缺陷尺寸很?。ㄈS尺度很小，不超過(guò)幾個(gè)原子直徑）的缺陷。(a)空位； (b) 間隙原子； (c) 置換原子晶格畸變：點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)，原子間作用力的平衡被破壞了，促使缺陷周圍的原子發(fā)生靠攏或撐開(kāi)，即產(chǎn)生了晶格

7、的畸變。這將會(huì)引起金屬?gòu)?qiáng)度、硬度、電阻等的變化。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形（2)線缺陷 晶體內(nèi)部呈線狀分布的缺陷，二維尺度小而第三維尺度很大的缺陷；常見(jiàn)的是各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)：晶體中有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)則的錯(cuò)排現(xiàn)象。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形金屬位錯(cuò)密度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系加工硬化行為第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形3)面缺陷：金屬的晶界和亞晶界晶界：原子的排列從一個(gè)晶粒的位向過(guò)渡到另一個(gè)晶粒的位向，晶界成為兩晶粒之間原子無(wú)規(guī)則排列的過(guò)渡層。亞晶界：亞晶粒之間的界面。亞晶粒：在一個(gè)晶粒內(nèi)部存在著許多尺寸更小，位向差更小(1o2o)的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，稱為亞晶粒。第二章 金屬

8、的結(jié)構(gòu)與塑性變形晶界的特性1)晶界的存在提高了金屬的強(qiáng)度，晶界越多(晶粒越細(xì))，金屬材料的強(qiáng)度、硬度越高；2)晶界處的熔點(diǎn)較低,會(huì)先融化；3)晶界處往往優(yōu)先形成新相，晶界容易被腐蝕。亞晶界對(duì)金屬性能的影響與晶界相似，如亞晶界越多，即亞晶越細(xì)，將使金屬的屈服強(qiáng)度增大。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.2.合金的晶體結(jié)構(gòu)2.2.1 合金概述 合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成并具有金屬特性的物質(zhì)。 （1）組元：組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本的獨(dú)立物質(zhì)?？梢允墙饘俸头墙饘?也可以是化合物。 （2）合金系：由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制而成的一系列不同成分合金第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形（3）

9、相：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和物理化學(xué)性能相同并以界面相互分開(kāi)的組成部分。強(qiáng)調(diào)成份和結(jié)構(gòu)相同。 合金在固態(tài)下可以形成均勻的單相合金，也可以由幾種不同的相組成多相合金。合金中的相之間由明顯的界面分開(kāi)（4）顯微組織：顯微鏡視野中的微觀構(gòu)造。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.2.2 固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成的具有溶劑晶格類型的一種新相。間隙固溶體 置換固溶體 有限固溶體 無(wú)限固溶體第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體的晶格發(fā)生畸變，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高。固溶強(qiáng)化：通過(guò)溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的變形抗力增大、強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。 適當(dāng)掌握固溶體中的溶質(zhì)含量，可在

10、顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.2.3 金屬化合物合金中溶質(zhì)含量超過(guò)溶劑的溶解度時(shí)將可能出現(xiàn)新相，這個(gè)新相可能是一種晶格類型和性能完全不同于任意合金組元的化合物，例如碳鋼中的Fe3C (滲碳體)。 特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高和脆性大。金屬化合物對(duì)材料性能的影響：提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，降低塑性和韌性。調(diào)整固溶體的溶解度和化合物的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布，可使合金的力學(xué)性能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)，滿足不同的性能要求。 第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形Fe3C的晶格結(jié)構(gòu)第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.3 金屬的冷變形行為2.3.1 單晶體金屬的

11、塑形變形1.滑移 切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向(滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式叫滑移。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形滑移面：通常為晶體的最密排晶面；滑移方向：通常也為最密排晶向；一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)可以滑移的方式稱為“滑移系”。 第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形金屬塑形好壞：面心立方體心立方密排六方第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.孿生 在滑移比較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.3.2 實(shí)際金屬的塑形變形 1.晶界在變形中的作用“竹節(jié)現(xiàn)象” 2.晶粒大小的影響及細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng) 細(xì)化晶粒能夠有效提升

12、金屬的強(qiáng)度與硬度，一定程度上也能提升塑形和韌性。第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形3.多晶體的塑形變形過(guò)程軟取向硬取向中間取向第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.4 冷變形對(duì)金屬組織和性能的影響 強(qiáng)度硬度提高，塑性韌性下降2.4.1 塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1.纖維組織塑性變形帶來(lái)各向異性第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形3.織構(gòu)現(xiàn)象制耳2.亞結(jié)構(gòu)第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.4.1 塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1.加工硬化加工硬化產(chǎn)生的原因： 位錯(cuò)密度增大是低合金含量鋁合金（防銹鋁）唯一強(qiáng)化手段。去除加工硬化的方法： 中間退火第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形去除加工硬化的方法： 中間退火第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.物理、化學(xué)性能電阻率增大、耐腐蝕性減弱等。3.殘余內(nèi)應(yīng)力彎曲工序去應(yīng)力退火、自然時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效噴丸：提高疲勞強(qiáng)度第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.5 冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化（中間退火的原理） 2.5.1 回復(fù) 2.5.2再結(jié)晶 2.5.3晶粒長(zhǎng)大回復(fù)溫度：（0.10.3）T熔主要作用：消除內(nèi)應(yīng)力最低再結(jié)晶溫度:T再（0.350.4）T熔T再（0.50.7）T熔加熱溫度和保溫時(shí)間的影響。實(shí)際再結(jié)晶溫度晶粒長(zhǎng)大第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形2.