金屬材料基礎(chǔ)

金屬材料基礎(chǔ)2.1晶體的結(jié)構(gòu)2.2晶體中的缺陷2.3金屬的結(jié)晶2.4金屬的塑性變形和再結(jié)晶2.5二元合金的微觀相結(jié)構(gòu)和相圖第2頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.17種晶系和14種晶格

大多數(shù)工程材料是晶體結(jié)構(gòu)即：材料的原子規(guī)則并重復(fù)排列。2.1晶體的結(jié)構(gòu)第3頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.1.1晶格和晶胞晶體結(jié)構(gòu)/晶格

晶體的有些性能取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)，即原子、離子或者分子的特殊排列方式。全部原子種類的晶體結(jié)構(gòu)類型非常多，從簡(jiǎn)單的金屬晶體，到復(fù)雜的陶瓷或高聚物晶體。第4頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天有時(shí)，術(shù)語

“晶格”常用于描述晶體結(jié)構(gòu)中；此處“晶格”意味著與原子位置或者球體中心一致的三維點(diǎn)的排列，在這里原子或者離子被認(rèn)為是有明確直徑的固體球。第5頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶胞

晶體中原子順序顯示出了排列的重復(fù)性。因此，為了描述晶體結(jié)構(gòu)，從晶格中取出一個(gè)具有整個(gè)晶體全部幾何特征的最小幾何單元稱為晶胞。第6頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第7頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天基本晶胞abcαβγ圖2.2典型晶胞的幾何形狀第8頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天a,b,c,α,β,γ——定義為晶體結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)。a,b,c——三條棱長(zhǎng)，單位是?或者nm,1nm=10?。α,β,γ——三條棱邊夾角。在晶體學(xué)中，晶體的分類常常是根據(jù)晶胞的外形，也就是棱長(zhǎng)和棱邊夾角進(jìn)行的。因晶格形式和晶格常數(shù)不同，可將所有的晶體分為7種晶系和14種晶格。第9頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶系和布喇菲點(diǎn)陣表2.17種晶系和14種晶格aaaaaaaaa序號(hào)布拉菲點(diǎn)陣晶系棱邊長(zhǎng)度與夾角的關(guān)系簡(jiǎn)圖1簡(jiǎn)單立方立方2體心立方（bcc）3面心立方（fcc）第10頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天aac4簡(jiǎn)單四方四方5體心四方aca第11頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天abcabcabcabc6簡(jiǎn)單正交正交7底心正交8體心正交9面心正交第12頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天βγαacaγ10簡(jiǎn)單菱方菱方11簡(jiǎn)單六方（密排六方）六方第13頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天acbβacbββacbαγ12簡(jiǎn)單單斜單斜13底心單斜14簡(jiǎn)單三斜三斜第14頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天7種晶系：立方、四方、正交、菱方、六方、單斜、三斜。14種晶格：簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方、簡(jiǎn)單四方、體心四方、簡(jiǎn)單正交、底心正交、體心正交、面心正交、簡(jiǎn)單菱方、密排六方、簡(jiǎn)單單斜、底心單斜、簡(jiǎn)單三斜?？偨Y(jié)一下：7種晶系和14種晶格第15頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究表明，絕大多數(shù)金屬的微觀結(jié)構(gòu)屬于三種典型的結(jié)構(gòu)：體心立方、面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)。體心立方：Mo、Nb、Cr、W、V、α-Fe等。面心立方：Al、Cu、Ni、Pb、γ-Fe等。密排六方：Zn、Mg、Be等。2.1.1.2金屬晶體的典型晶胞第16頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.3體心立方晶體結(jié)構(gòu)(a)原子堆積表示第17頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.3體心立方晶體結(jié)構(gòu)(b)硬球表示的晶胞第18頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.3體心立方晶體結(jié)構(gòu)(c)簡(jiǎn)化球表示的晶胞第19頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.4面心立方晶體結(jié)構(gòu)(a)原子堆積表示第20頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.4面心立方晶體結(jié)構(gòu)(b)硬球表示的晶胞第21頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.4面心立方晶體結(jié)構(gòu)(c)簡(jiǎn)化球表示的晶胞第22頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.5密排六方晶體結(jié)構(gòu)(a)原子堆積表示第23頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.5密排六方晶體結(jié)構(gòu)(b)簡(jiǎn)化球表示的晶胞第24頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.1.3陶瓷結(jié)構(gòu)與金屬相比，陶瓷化合物化學(xué)組成更具多樣性。該多樣性反映在它們的晶體結(jié)構(gòu)中。第25頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第26頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第27頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-8氟石(CaF2)晶胞：(a)離子位置；(b)離子全尺寸第28頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第29頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第30頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.1.4高聚物結(jié)構(gòu)與金屬和陶瓷中獨(dú)立的原子和離子堆積相比，高聚物長(zhǎng)分子規(guī)則又可重復(fù)性的排列是困難的。因此，大多數(shù)商業(yè)塑料相當(dāng)大程度上是非晶體。高聚物的晶體微觀結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。第31頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第32頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.1.5半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展單晶技術(shù)，已經(jīng)推動(dòng)晶體達(dá)到高度完善的程度。第33頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第34頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第35頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第36頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶胞中的原子數(shù)體心立方：面心立方：4密排六方：62.1.2晶胞的配位數(shù)、原子半徑和密度第37頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子半徑定義原子半徑為晶胞中原子密度最大方向上的兩原子之間距離的一半。體心立方晶胞：面心立方晶胞：密排六方晶胞：第38頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天aa√2aa√3ar圖2.15體心立方晶胞的原子半徑第39頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶格中原子排列的致密度用配位數(shù)和致密度來表達(dá)晶格中原子排列的致密程度。配位數(shù)

晶格中與任意原子處于等距離且相距最近的原子數(shù)目。配位數(shù)越大原子排列的越致密。體心立方的配位數(shù)8；面心立方的12；密排六方的12第40頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2.16體心立方晶格的配位數(shù)aaa第41頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天致密度

金屬晶胞中全部原子的體積占晶胞總體積的百分?jǐn)?shù)，即：由此計(jì)算，體心立方晶胞致密度：68%

面心立方晶胞致密度：74%

密排六方晶胞致密度：74%第42頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同溫度下的純鐵910℃以下，純鐵為體心立方，α-Fe，致密度68%。910~1392℃，純鐵為面心立方，γ-Fe，致密度74%。1392~1538℃，純鐵為體心立方，δ-Fe，致密度68%。第43頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.3晶體位置、晶向和晶面2.1.3.1晶向晶向原子中心共線的原子列所代表的方向，用晶向指數(shù)表示。晶向指數(shù)[uvw]表示晶向的一組數(shù)據(jù)。晶向指數(shù)分四步確定：第44頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天建立坐標(biāo)系以所考察晶胞中待定晶向的某一個(gè)結(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，以過原點(diǎn)的三條晶格棱邊為坐標(biāo)軸，以晶胞的點(diǎn)陣常數(shù)為單位長(zhǎng)度，建立坐標(biāo)系。確定坐標(biāo)值求出代表晶向的直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值。第45頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天化整并加方括號(hào)將上述坐標(biāo)值以其最小整數(shù)表示，并進(jìn)一步用加方括號(hào)的形式表達(dá)，即為晶向指數(shù)[uvw]。移負(fù)值晶向指數(shù)負(fù)號(hào)至晶向指數(shù)上方如[-uvw]→[ūvw]。晶向族

所有原子排列相同，方向不同的晶向歸納為一個(gè)晶向族。第46頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.3.2晶面晶面

原子中心共面的原子排列所代表的平面，用晶面指數(shù)表示。晶面指數(shù)(hkl)表示晶面的一組數(shù)據(jù)。晶面指數(shù)的確定分為四個(gè)步驟：第47頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天建立坐標(biāo)系以晶格的某一個(gè)結(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，但不能選在待求晶面上，且應(yīng)便于確定截距，以過原點(diǎn)的三條晶格棱邊為坐標(biāo)軸，以晶胞的點(diǎn)陣常數(shù)為單位長(zhǎng)度，建立坐標(biāo)系。確定坐標(biāo)值求出所求晶面在各坐標(biāo)軸上的截距，并取其倒數(shù)，與某一坐標(biāo)軸平行的晶面，其在該軸上的截距為無窮大，倒數(shù)為零。第48頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天化整并加圓括號(hào)將上述坐標(biāo)值以其最小整數(shù)表示，并進(jìn)一步加圓括號(hào)的形式表達(dá)，即為晶面指數(shù)（hkl）。移負(fù)值晶面指數(shù)負(fù)號(hào)至晶面指數(shù)上方

如(-hkl)→。晶面族所有原子排列相同，方向不同的晶面歸納為一個(gè)晶面族。第49頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.3.3各向異性晶體在不同方向上性能不同的現(xiàn)象。bacABOCD[111][110][201](010)(111)

圖2.6晶向與晶面指數(shù)示意圖圖2.17晶向和晶面指數(shù)BACK

第50頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天本節(jié)思考題常見金屬的晶格類型有哪些？配位數(shù)和致密度可以用來說明哪些問題？晶面指數(shù)和晶向指數(shù)有什么不同？第51頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.1點(diǎn)缺陷空穴高溫、塑性變形，高溫粒子輻射都能造成或者促進(jìn)空穴的形成，其中溫度尤為明顯。間隙原子從晶格上跑到間隙中去的原子稱為自間隙原子；B、C、H、N等半徑較小的雜質(zhì)原子進(jìn)入間隙形成雜質(zhì)間隙原子。2.2固體中的缺陷第52頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶格空穴間隙原子圖2.18晶格空穴和間隙原子的二維表示第53頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.2線缺陷缺陷的兩維尺度相對(duì)于第三維很小很小為線性缺陷。圖2-19刃型位錯(cuò)周圍的原子位置用透視法表示的位錯(cuò)多出的半個(gè)平面原子刃型位錯(cuò)——在晶格中的某以晶面以上或以下像刀一樣多排一排原子，向上多排為正刃型位錯(cuò)，相反為負(fù)刃型位錯(cuò)，多排原子面的底部或頂部為位錯(cuò)線，與晶格發(fā)生扭曲的方向及位錯(cuò)方向相互垂直。第54頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-20沿AB伸展的位錯(cuò)線(a)晶體中的螺型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)——在晶格中的某以晶面以上或以下以另一與該晶面垂直的晶面為界，發(fā)生了逆時(shí)針或順時(shí)針扭動(dòng)，分為右螺旋或左螺旋位錯(cuò)。第55頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天(b)自(a)圖上方觀察的螺旋位錯(cuò)圖2-20沿AB伸展的位錯(cuò)線位于滑移面以上的原子用空心圓表示，位于滑移面以下的原子用實(shí)心圓表示第56頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-21在刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)之間形成曲線的區(qū)域?yàn)槿行秃吐菪诲e(cuò)的混合(a)包含刃型位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的位錯(cuò)示意圖混合位錯(cuò)——實(shí)際的位錯(cuò)是介于刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)之間的。第57頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天(b)從上方觀察，空心圓表示位于滑移面上方的原子，實(shí)心圓表示位于滑移面下方的原子圖2-21在刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)之間形成曲線的區(qū)域?yàn)槿行秃吐菪诲e(cuò)的混合第58頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-22鈦合金的透射電鏡照片，其中黑線為位錯(cuò)第59頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.3面缺陷(界面缺陷)外表面最明顯的邊界之一就是晶界，晶體結(jié)構(gòu)沿晶界終止。表面原子不被最近的原子束縛，因此比內(nèi)部原子處于一個(gè)更高的能量狀態(tài)。這些表面原子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)表面能。要減少這個(gè)能量，材料往往盡所有可能減少總面積。第60頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶界在晶體材料中，分開兩個(gè)小晶粒或晶體的邊界有不同的晶體取向。可能有幾個(gè)原子寬的邊界區(qū)，從一個(gè)晶粒的晶向向另一個(gè)晶粒的晶向轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)有一些原子不匹配。第61頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-23相鄰原子位置及大角度晶粒邊界示意圖第62頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-24鉻鐵合金拋光和腐蝕多晶試樣中的黑色邊界BACK第63頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天孿晶

一種特殊類型的晶界。它兩側(cè)是一種特殊的鏡面晶格對(duì)稱；邊界一側(cè)的原子與另一側(cè)的原子成鏡像分布。其它界面缺陷

包括錯(cuò)層、相邊界、鐵磁疇壁。面心立方金屬中，密堆積面的ABCABCABC……堆積序列被中斷時(shí)，錯(cuò)層就會(huì)出現(xiàn)。相邊界存在于多相材料中，在它周圍有一個(gè)突然的物理和/或化學(xué)特征的變化。第64頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-25孿晶面或?qū)\晶界和它周圍原子（實(shí)心圓）示意圖第65頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天這些缺陷存在于所有的固體材料中，它們比前面討論的缺陷都要大。它們包括氣孔、裂紋、雜質(zhì)和其它相。它們一般是在處理和制造過程中引入的。后面的章節(jié)會(huì)討論這些缺陷及對(duì)材料性能的影響。2.2.4體積缺陷第66頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡中，光鏡用來研究微觀結(jié)構(gòu)，光和照明系統(tǒng)是其基本要素。材料不透可見光（所有的金屬和部分陶瓷和高聚物），只有表面是觀察對(duì)象，顯微鏡必須使用反射模式。圖像中產(chǎn)生的對(duì)比是由于不同部位反射率不同產(chǎn)生的。這種研究方法常稱為金相學(xué)，金屬初步觀察使用這種技術(shù)。光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的上限大約是2000倍。2.2.5顯微技術(shù)和晶粒度確定第67頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第68頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天（b）實(shí)物圖26金相顯微鏡工作原理和實(shí)物第69頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-27(a)拋光和蝕刻晶粒；(b)刻蝕特點(diǎn)和因晶體取向不同產(chǎn)生的不同表面紋理第70頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-27(c)60×多晶黃銅標(biāo)本的顯微照片第71頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-28蝕刻產(chǎn)生的晶界及其表面溝槽及鄰近溝槽的光反射特性LINK第72頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天電子顯微鏡一些結(jié)構(gòu)元素過于精細(xì)或過小而無法使用光學(xué)顯微鏡觀察。在這種情況下，可以使用擁有更高放大倍數(shù)的電子顯微鏡。觀察的結(jié)構(gòu)圖像是通過電子束形成的而非光反射。第73頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscopyTEM）成像是靠電子束穿透試樣?？梢杂^察詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖像中產(chǎn)生的對(duì)比是由于缺陷或結(jié)構(gòu)中不同元素對(duì)電子束產(chǎn)生的散射或衍射。由于固體材料對(duì)電子束具有很強(qiáng)的吸收性，所以要觀察的試樣必須準(zhǔn)備成很薄的片。透射電子顯微鏡可以放大接近1,000,000×，常用于研究位錯(cuò)。LINK第74頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第75頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)更現(xiàn)代的和極其有用的觀察工具是掃描電子顯微鏡。用電子束掃描要被觀察的試樣表面，收集反射回的電子束，然后以相同的掃描速率顯示在陰極射線管上。拍攝到屏幕上的圖像，代表了試樣的表面特征。表面可以被拋光和蝕刻,也可以沒有，但是一定要導(dǎo)電；非導(dǎo)電材料表面要有一層很薄的金屬鍍膜。放大從10倍至超過50000倍，也可以觀察很深的區(qū)域。LINK第76頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第77頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡(ScanningProbeMicroscope，SPM)不同于光學(xué)和電子顯微鏡。光學(xué)和電子顯微鏡是靠光或者電子來成像。掃描探針顯微鏡通過微小探針在樣品表面掃描，將探針與樣品表面間的相互作用轉(zhuǎn)換為表面形貌和特性圖像。它提供了表面的三維高空間分辨的圖像。

掃描探針顯微鏡生成一個(gè)原子尺度的成形圖，代表了被研究試樣的表面特性。

第78頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶粒度測(cè)定考慮多晶材料性能時(shí)要確定晶粒度。晶粒度指平均的晶粒體積、直徑或面積。晶粒度可以通過截?cái)喾ü罍y(cè)。在表示晶粒結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片上畫幾條相同長(zhǎng)度的直線。數(shù)下被每一條線段分割的晶粒；線段長(zhǎng)度除以被分割的晶粒的平均數(shù),平均晶粒直徑就是上面結(jié)果再除以顯微鏡照片的放大率。第79頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天最常用的方法是ASTM（美國(guó)測(cè)試和材料學(xué)會(huì)）設(shè)計(jì)的。ASTM準(zhǔn)備了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照?qǐng)D表，它們有不同的平均晶粒度。每一個(gè)圖表都被設(shè)定為1到10中的某個(gè)數(shù)字，即晶粒號(hào)；號(hào)越大，晶粒越小。要看到晶粒結(jié)構(gòu)，必須精心準(zhǔn)備試樣，放大率是100倍。成像與顯微照片中最匹配的那個(gè)圖表的晶粒號(hào)就是晶粒度。n代表晶粒號(hào),N是放大100倍后每平方英寸晶粒的平均值。兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系是:N=2n-1.第80頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.6晶體缺陷與強(qiáng)化晶體缺陷：破壞了晶體的完整性，使晶格畸變、能量提高，金屬性質(zhì)發(fā)生偏差，導(dǎo)致金屬性能如強(qiáng)度、耐蝕性和導(dǎo)電性等都發(fā)生不利的變化。第81頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究表明，金屬的強(qiáng)度由于晶體缺陷的存在而迅速下降，但當(dāng)這種缺陷的密度增加到一定程度以后，材料強(qiáng)度反而會(huì)隨著缺陷的增多而提高，這就是晶體缺陷強(qiáng)化。當(dāng)然，強(qiáng)化是有一定限度的，既當(dāng)缺陷增加到一定程度以后，金屬?gòu)?qiáng)度會(huì)又一次迅速下降。BACK

第82頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3金屬的結(jié)晶金屬材料零部件大多經(jīng)過冶金、鑄造、軋制或鍛造、機(jī)加工等過程。金屬材料冶煉鑄錠的鑄態(tài)組織是原始組織，很大程度地影響金屬材料的加工性能和使用性能。第83頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.1純金屬的結(jié)晶過程2.3.1.1純金屬結(jié)晶的條件純金屬都有熔點(diǎn)。金屬處于熔點(diǎn)時(shí)，是液態(tài)金屬原子結(jié)晶進(jìn)入固態(tài)和固態(tài)晶格上原子熔入液體的動(dòng)態(tài)平衡溫度，是一理想狀態(tài)，因此熔點(diǎn)也可稱為理想結(jié)晶溫度點(diǎn)。實(shí)際金屬結(jié)晶溫度總要偏低理論結(jié)晶溫度一定溫度，結(jié)晶方可進(jìn)行，該溫差稱過冷度。第84頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.1.2純金屬的結(jié)晶過程圖2-31形成非常小的晶核晶核不斷長(zhǎng)大繼續(xù)形成新晶核并長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大最終形成固體圖2-32

金屬的結(jié)晶過程第85頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天均質(zhì)形核依靠液體自身在過冷條件下形核。異質(zhì)形核依附于固態(tài)雜質(zhì)顆粒表面形核。影響晶核長(zhǎng)大的主要因素是溫度和冷卻速度。金屬結(jié)晶伊始結(jié)晶外形比較規(guī)則，但隨著晶體的不斷長(zhǎng)大，冷卻速度快的棱角處優(yōu)先生長(zhǎng)，形成一次晶軸，為晶體的主骨架，隨后形成二次、三次、甚至四次等晶軸。一般多晶體同時(shí)生長(zhǎng)，晶體間相互接觸生長(zhǎng)，形成多晶體。第86頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述晶體生長(zhǎng)的主要參數(shù)是形核速度N（晶核數(shù)/(mm3.s)）和晶核長(zhǎng)大速度G(mm/min)。兩參數(shù)主要依賴于過冷度。第87頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.2金屬鑄錠的組織2.3.2.1

鑄錠的組織2-33鑄錠是熔融金屬澆注于模具后獲得的第88頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.2.2沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼的組織和缺陷鎮(zhèn)靜鋼冶煉時(shí)使用Mn、Al、Si脫氧的鋼，含氧量低，凝固時(shí)無CO析出。除一般鋼錠的宏觀組織特征外，存在縮孔、疏松、氣泡、成分偏析等缺陷。沸騰鋼冶煉時(shí)僅使用Mn脫氧的鋼，含氧量高，凝固時(shí)有大量一氧化碳析出，鋼液出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。除一般鋼錠的宏觀組織特征外，縮孔、疏松、氣泡、成分偏析等缺陷比鎮(zhèn)靜鋼的嚴(yán)重，但其出材率比鎮(zhèn)靜鋼的高。第89頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天C.縮孔

金屬結(jié)晶時(shí)，后結(jié)晶區(qū)體積收縮得不到液體金屬的補(bǔ)充所形成的微孔。鑄錠頂部形成集中縮孔，軋制時(shí)應(yīng)切除，否則影響鋼材質(zhì)量。疏松處于早期結(jié)晶包圍的金屬液體結(jié)晶時(shí)得不到金屬液體補(bǔ)充形成微小和分散的縮孔。偏析早期和后期結(jié)晶部位的化學(xué)成分不同造成宏觀區(qū)域性成分不均勻。氣泡金屬凝固時(shí)氣體來不及逸出所形成的缺餡。第90頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.3細(xì)晶強(qiáng)化與變質(zhì)處理2.3.3.1細(xì)晶強(qiáng)化一般來說，晶粒細(xì)化是提高金屬力學(xué)性能的重要手段之一，通常通過提高過冷度來實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于防止應(yīng)力腐蝕來說，晶粒細(xì)化卻不是好事。BACK

第91頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.3.2變質(zhì)處理強(qiáng)化主要通過向液態(tài)金屬中添加某些符合非自發(fā)成核條件的元素或它們的化合物，作為變質(zhì)劑，如鋼水中常加Ti、V、Al、Nb等來細(xì)化晶粒。另一類元素或化合物起著阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用。第92頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4金屬的塑性變形與再結(jié)晶2.4.1冷加工對(duì)金屬微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響2.4.1.1冷加工與金屬塑性變形塑性是金屬的重要特性。利用塑性可對(duì)金屬進(jìn)行軋制、擠壓、鍛壓、沖壓等加工。單晶體在外力作用下發(fā)生塑性變形后將產(chǎn)生滑移帶，如圖所示。

第93頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2-34第94頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天滑移

金屬在外力作用下密度最大的晶面間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，其晶面內(nèi)晶格的相對(duì)位置不變?；凭€

金屬塑性變形，即滑移后所留下的線狀痕跡。滑移帶

金屬塑性變形后所形成的多條平行線，滑移線所形成的帶狀區(qū)域。第95頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-35晶面間原子滑移示意圖原子密度大的晶面和方向上，原子在發(fā)生滑移時(shí)很容易從一個(gè)平衡位壘跳越到另一個(gè)平衡位壘。第96頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天(011)aaa第97頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天(101)aaa第98頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天aaa[111](110)圖2.36體心立方晶體的滑移系第99頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1.2加工硬化加工硬化隨著塑性變形增加，金屬晶格的位錯(cuò)密度不斷增加，位錯(cuò)間的相互作用增強(qiáng)，提高了金屬的塑性變形抗力，使金屬的強(qiáng)度和硬度明顯提高，塑性和韌性明顯降低。第100頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天優(yōu)點(diǎn)：加工硬化是金屬的一種重要的強(qiáng)化手段，同時(shí)也是保證冷加工過程中變形均勻的重要手段。缺點(diǎn)：加工硬化也為進(jìn)一步冷加工帶來困難，必須退火處理，增加了成本。第101頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1.3組織和織構(gòu)的變化塑性變形后，金屬晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)，很大的變形使晶粒成為纖維組織，金屬性能各向異性，通常纖維方向的強(qiáng)度和塑性優(yōu)于其它方向。第102頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶粒沿變形方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使各晶粒位向趨于一致，這種擇優(yōu)取向形成的有序結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)，它使金屬性能各向異性。織構(gòu)對(duì)金屬加工有很大不利影響，如產(chǎn)生邊緣不齊，壁厚不均等，須分次成型和中間退火。第103頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1.4殘余內(nèi)應(yīng)力金屬各部分塑性變形不均勻，回彈后將產(chǎn)生殘余應(yīng)力，分三類。第一類殘余應(yīng)力——宏觀內(nèi)應(yīng)力金屬各部分變形不均勻而造成的內(nèi)應(yīng)力。第二類殘余應(yīng)力——微觀內(nèi)應(yīng)力金屬各晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆蚨斐傻膬?nèi)應(yīng)力。第三類殘余應(yīng)力由位錯(cuò)、空為等晶格缺陷造成的內(nèi)應(yīng)力。第104頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天塑性變形時(shí)外力做功約有10%轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)應(yīng)力殘留金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，使金屬的耐蝕性和承載能力下降，一般應(yīng)作消除殘余應(yīng)力處理。當(dāng)然也有采取噴砂等方法來使金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以提高耐蝕性、抗疲勞性等。第105頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2塑性變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶2.4.2.1回復(fù)加熱溫度較低，原子擴(kuò)散能力不大，金屬不發(fā)生顯微組織的變化。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)使晶格中大量空位擴(kuò)散到晶界、表面或與間隙原子結(jié)合而消失，位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng)重新排列而更穩(wěn)定，缺陷減少。第106頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天宏觀表現(xiàn)為金屬的電阻和內(nèi)應(yīng)力降低，塑性略有恢復(fù)，強(qiáng)度和硬度稍有降低。主要用于消除冷加工零部件內(nèi)殘余應(yīng)力，防止開裂和變形，工程稱回復(fù)回火或去應(yīng)力退火。第107頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2.2再結(jié)晶加熱溫度繼續(xù)提高，原子擴(kuò)散能力增大，塑性變形金屬發(fā)生顯著顯微組織變化。塑性變形中被拉長(zhǎng)的、碎化和纖維化的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆?、?xì)小的等軸晶粒。宏觀表現(xiàn)為金屬的強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性明顯提高。主要用于消除加工硬化，恢復(fù)金屬的力學(xué)和化學(xué)性能，稱再結(jié)晶退火。為保證再結(jié)晶的晶粒度，應(yīng)控制再結(jié)晶溫度。第108頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2.3再結(jié)晶溫度再結(jié)晶是一種不發(fā)生晶格變化的固體變化，沒有特定的再結(jié)晶溫度，是一個(gè)溫度范圍。主要影響因素是金屬塑性變形度，變形度越大，再結(jié)晶溫度就越低。生產(chǎn)規(guī)定，變形度大于70%，保溫1小時(shí)，能完成再結(jié)晶的最低溫度為再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶溫度有賴于晶粒大小、保溫時(shí)間和金屬的熔點(diǎn)。第109頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2.3再結(jié)晶的晶粒度影響再結(jié)晶晶粒度的因素有溫度和變形度。再結(jié)晶退火溫度越高，原子擴(kuò)散能力越大，晶粒長(zhǎng)大越快。當(dāng)變形度很小時(shí)，不足以引起再結(jié)晶；當(dāng)變形度達(dá)2%~10%時(shí)，只有少量晶粒變形，再結(jié)晶的晶核較少，晶粒相互吞并并長(zhǎng)大到粗大的晶粒，為臨界變形度，工程上應(yīng)避免在臨界變形度范圍內(nèi)冷加工；大于臨界變形度后，變形度越大，變形越均勻，再結(jié)晶的晶核越多，再結(jié)晶后的晶粒越細(xì)。第110頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天第111頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.3金屬的熱加工2.4.3.1金屬的冷加工和熱加工比較工程中對(duì)截面積大、變形量大和塑性不好的金屬零部件，一般都在加熱的狀態(tài)下塑性成型，這主要是利用金屬的強(qiáng)度和硬度隨溫度的提高而降低，塑性隨溫度的提高而提高的特點(diǎn)。熱加工塑性變形引起的加工硬化可隨即發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶而消除。金屬學(xué)上，熱加工是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行，冷加工是指再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性加工。第112頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.3.2熱加工對(duì)金屬相結(jié)構(gòu)的影響優(yōu)點(diǎn)：熱加工（如鍛、軋）可使金屬中的氣孔、裂紋、疏松焊合，使金屬更加致密，減輕偏析，改善雜質(zhì)分布，明顯提高金屬的力學(xué)性能。缺點(diǎn)：熱加工過程中，枝晶偏析、夾雜物和第二相等沿塑性變形方向被拉長(zhǎng)，形成纖維組織流線，使金屬的力學(xué)性能也具有方向性，因此安排零部件熱加工時(shí)，應(yīng)注意其方向性。BACK

第113頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5二元合金的相結(jié)構(gòu)和相圖合金

兩種或兩種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元組成合金的最基本的和獨(dú)立的單元（元素或穩(wěn)定化合物）。二元合金兩組元組成的合金。多元合金

三組元及以上組成的合金。第114頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5.1合金中的相相合金中具有相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)并由界面與其它部分隔開的均勻組成部分。相分兩類

固溶體和金屬間化合物。第115頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5.1.1固溶體與固溶強(qiáng)化固溶體在固態(tài)下，合金組元互相溶解而形成的均勻固相。溶劑在固溶體中，保持原有晶體結(jié)構(gòu)的組元。溶質(zhì)溶劑以外的其余組元。間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格的間隙中。置換固溶體溶質(zhì)原子取代部分溶劑原子而占據(jù)晶格位置。第116頁(yè),共129頁(yè)，2024年2月25日，星期天無限固溶體溶質(zhì)可無限度地溶入溶劑當(dāng)中而不改變?cè)芯Ц窠Y(jié)構(gòu)。有限固溶體溶質(zhì)可有限度地溶入溶劑當(dāng)中而保證原有