金属材料基础.pptx

2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1n2.1 晶体的结构晶体的结构n2.2 晶体中的缺陷晶体中的缺陷 n2.3 金属的结晶金属的结晶n2.4 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶n2.5 二元合金的微观相结构和相图二元合金的微观相结构和相图2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础22.1.1 7种晶系和14种晶格 大多数工程材料是晶体结构 即：材料的原子规则并重复排列。2.1 晶体的结构2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础32.1.1.1 晶格和晶胞A.晶体结构/晶格 晶体的有些性能取决于材料的晶体结构，即原子、离子或者分子的特殊排列方式。全部原子种类的晶体结构类型非常多，从简单的金属晶体，到复杂的陶瓷或高聚物晶体。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础4n有时，术语“晶格”常用于描述晶体结构中；此处“晶格”意味着与原子位置或者球体中心一致的三维点的排列，在这里原子或者离子被认为是有明确直径的固体球。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础5B.晶胞 晶体中原子顺序显示出了排列的重复性。因此，为了描述晶体结构，从晶格中取出一个具有整个晶体全部几何特征的最小几何单元称为晶胞晶胞。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础62024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础7C.基本晶胞abc图 2.2 典型晶胞的几何形状2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础8a,b,c,定义为晶体结构的晶格参数。a,b,c三条棱长，单位是 或者 nm,1nm=10。,三条棱边夹角。在晶体学中，晶体的分类常常是根据晶胞的外形，也就是棱长和棱边夹角进行的。因晶格形式和晶格常数不同，可将所有的晶体分为7种晶系和14种晶格。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础9D.晶系和布喇菲点阵表2.1 7种晶系和14种晶格aaaaaaaaa序号布拉菲点阵晶系棱边长度与夹角的关系简图1简单立方立方2体心立方（bcc）3面心立方（fcc）2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础10aac4简单四方四方5体心四方aca2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础11abcabcabcabc6简单正交正交7底心正交8体心正交9面心正交2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础12aca10简单菱方菱方11简单六方（密排六方）六方2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础13acbacbacb12简单单斜单斜13底心单斜14简单三斜三斜2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础147种晶系：立方、四方、正交、菱方、六方、单斜、三斜。14种晶格：简单立方、体心立方、面心立方、简单四方、体心四方、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单菱方、密排六方、简单单斜、底心单斜、简单三斜。总结一下：7种晶系和14种晶格2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础15研究表明，绝大多数金属的微观结构属于三种典型的结构：体心立方、面心立方和密排六方晶体结构。体心立方体心立方体心立方体心立方：Mo、Nb、Cr、W、V、-Fe等。面心立方面心立方面心立方面心立方：Al、Cu、Ni、Pb、-Fe等。密排六方密排六方密排六方密排六方：Zn、Mg、Be等。2.1.1.2 金属晶体的典型晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础16图 2.3 体心立方晶体结构(a)原子堆积表示2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础17图2.3 体心立方晶体结构(b)硬球表示的晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础18图 2.3 体心立方晶体结构(c)简化球表示的晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础19图 2.4 面心立方晶体结构(a)原子堆积表示2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础20图 2.4 面心立方晶体结构(b)硬球表示的晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础21图 2.4 面心立方晶体结构(c)简化球表示的晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础22图 2.5 密排六方晶体结构(a)原子堆积表示2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础23图 2.5 密排六方晶体结构(b)简化球表示的晶胞2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础242.1.1.3 陶瓷结构n与金属相比，陶瓷化合物化学组成更具多样性。n该多样性反映在它们的晶体结构中。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础252024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础262024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础27图图 2-8 氟石氟石(CaF2)晶胞：晶胞：(a)离子位置；离子位置；(b)离子全尺寸离子全尺寸2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础282024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础292024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础302.1.1.4 高聚物结构与金属和陶瓷中独立的原子和离子堆积相比，高聚物长分子规则又可重复性的排列是困难的。因此，大多数商业塑料相当大程度上是非晶体。高聚物的晶体微观结构相当复杂。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础312024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础322.1.1.5 半导体结构n半导体产业发展单晶技术，已经推动晶体达到高度完善的程度。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础332024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础342024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础352024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础36A.晶胞中的原子数体心立方：面心立方：4密排六方：62.1.2 晶胞的配位数、原子半径和密度2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础37B.原子半径定义原子半径原子半径原子半径原子半径为晶胞中原子密度最大方向上的两原子之间距离的一半。体心立方晶胞体心立方晶胞：面心立方晶胞面心立方晶胞：密排六方晶胞密排六方晶胞：2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础38aa2aa3ar图 2.15 体心立方晶胞的原子半径2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础39C.晶格中原子排列的致密度用配位数和致密度来表达晶格中原子排列的致密程度。l l配配配配位位位位数数数数 晶格中与任意原子处于等距离且相距最近的原子数目。配位数越大原子排列的越致密。体心立方的配位数8；面心立方的12；密排六方的122024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础40图 2.16 体心立方晶格的配位数aaa2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础41l l致密度致密度 金属晶胞中全部原子的体积占晶胞总体积的百分数，即：由此计算，体心立方体心立方晶胞致密度：68%面心立方面心立方晶胞致密度：74%密排六方密排六方晶胞致密度：74%2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础42不同温度下的纯铁910以下，纯铁为体心立方，-Fe，致密度68%。9101392，纯铁为面心立方，-Fe，致密度74%。13921538，纯铁为体心立方，-Fe，致密度68%。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础432.1.3 晶体位置、晶向和晶面2.1.3.1 2.1.3.1 晶向晶向晶向晶向n n晶向晶向晶向晶向 原子中心共线的原子列所代表的方向，用晶向指数表示。B.B.晶向指数晶向指数晶向指数晶向指数u v w 表示晶向的一组数据。晶向指数分四步确定：2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础44 建立坐标系建立坐标系建立坐标系建立坐标系 以所考察晶胞中待定晶向的某一个结点为空间坐标系原点，以过原点的三条晶格棱边为坐标轴，以晶胞的点阵常数为单位长度，建立坐标系。确定坐标值确定坐标值确定坐标值确定坐标值 求出代表晶向的直线上任意一点的坐标值。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础45 化整并加方括号化整并加方括号化整并加方括号化整并加方括号 将上述坐标值以其最小整数表示，并进一步用加方括号的形式表达，即为晶向指数u v w。移负值晶向指数负号至晶向指数上方移负值晶向指数负号至晶向指数上方移负值晶向指数负号至晶向指数上方移负值晶向指数负号至晶向指数上方 如-u v w v w。C.C.晶向族 所有原子排列相同，方向不同的晶向归纳为一个晶向族。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础462.1.3.2晶面A.A.晶面 原子中心共面的原子排列所代表的平面，用晶面指数表示。晶面指数(hkl)表示晶面的一组数据。晶面指数的确定分为四个步骤：2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础47 建建建建立立立立坐坐坐坐标标标标系系系系 以晶格的某一个结点为空间坐标系原点，但不能选在待求晶面上，且应便于确定截距，以过原点的三条晶格棱边为坐标轴，以晶胞的点阵常数为单位长度，建立坐标系。确确确确定定定定坐坐坐坐标标标标值值值值 求出所求晶面在各坐标轴上的截距，并取其倒数，与某一坐标轴平行的晶面，其在该轴上的截距为无穷大，倒数为零。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础48 化化化化整整整整并并并并加加加加圆圆圆圆括括括括号号号号 将上述坐标值以其最小整数表示，并进一步加圆括号的形式表达，即为晶面指数（hkl）。移负值晶面指数负号至晶面指数上方移负值晶面指数负号至晶面指数上方移负值晶面指数负号至晶面指数上方移负值晶面指数负号至晶面指数上方 如(-hkl)。F.F.F.F.晶面族晶面族晶面族晶面族 所有原子排列相同，方向不同的晶面归纳为一个晶面族。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础492.1.3.3 2.1.3.3 2.1.3.3 2.1.3.3 各向异性各向异性各向异性各向异性 晶体在不同方向上性能不同的现象。bacABOCD111110201(010)(111)图2.6 晶向与晶面指数示意图图 2.17 晶向和晶面指数BACK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础50本节思考题n常见金属的晶格类型有哪些？n配位数和致密度可以用来说明哪些问题？n晶面指数和晶向指数有什么不同？2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础512.2.1 点缺陷A.A.空空空空穴穴穴穴 高温、塑性变形，高温粒子辐射都能造成或者促进空穴的形成，其中温度尤为明显。B.B.间隙原子间隙原子间隙原子间隙原子从晶格上跑到间隙中去的原子称为自间隙原子；B、C、H、N等半径较小的杂质原子进入间隙形成杂质间隙原子。2.2 固体中的缺陷2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础52晶格空穴间隙原子图 2.18 晶格空穴和间隙原子的二维表示2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础532.2.2 线缺陷缺陷的两维尺度相对于第三维很小很小为线性缺陷。图2-19 刃型位错周围的原子位置用透视法表示的位错多出的半个平面原子刃型位错在晶格中的某以晶面以上或以下像刀一样多排一排原子，向上多排为正刃型位错，相反为负刃型位错，多排原子面的底部或顶部为位错线，与晶格发生扭曲的方向及位错方向相互垂直。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础54图2-20 沿AB伸展的位错线(a)晶体中的螺型位错螺旋位错在晶格中的某以晶面以上或以下以另一与该晶面垂直的晶面为界，发生了逆时针或顺时针扭动，分为右螺旋或左螺旋位错。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础55(b)自(a)图上方观察的螺旋位错图2-20 沿AB伸展的位错线位于滑移面以上的原子用空心圆表示，位于滑移面以下的原子用实心圆表示2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础56图2-21 在刃型位错和螺旋位错之间形成曲线的区域为刃型和螺旋位错的混合(a)包含刃型位错、螺旋位错和混合位错的位错示意图混合位错实际的位错是介于刃位错和螺位错之间的。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础57(b)从上方观察，空心圆表示位于滑移面上方的原子，实心圆表示位于滑移面下方的原子图2-21 在刃型位错和螺旋位错之间形成曲线的区域为刃型和螺旋位错的混合2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础58图2-22 钛合金的透射电镜照片，其中黑线为位错2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础592.2.3 面缺陷(界面缺陷)l l外外表表面面 最明显的边界之一就是晶界，晶体结构沿晶界终止。表面原子不被最近的原子束缚，因此比内部原子处于一个更高的能量状态。这些表面原子会产生一个表面能。要减少这个能量，材料往往尽所有可能减少总面积。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础60l l晶晶界界 在晶体材料中，分开两个小晶粒或晶体的边界有不同的晶体取向。可能有几个原子宽的边界区，从一个晶粒的晶向向另一个晶粒的晶向转变时会有一些原子不匹配。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础61图 2-23 相邻原子位置及大角度晶粒边界示意图2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础62图2-24铬铁合金抛光和腐蚀多晶试样中的黑色边界BACK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础63l l孪孪晶晶 一种特殊类型的晶界。它两侧是一种特殊的镜面晶格对称；边界一侧的原子与另一侧的原子成镜像分布。l l其其它它界界面面缺缺陷陷 包括错层、相边界、铁磁畴壁。面心立方金属中，密堆积面的ABCABCABC堆积序列被中断时，错层就会出现。相边界存在于多相材料中，在它周围有一个突然的物理和/或化学特征的变化。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础64图2-25 孪晶面或孪晶界和它周围原子（实心圆）示意图2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础65这些缺陷存在于所有的固体材料中，它们比前面讨论的缺陷都要大。它们包括气气气气孔孔孔孔、裂裂裂裂纹纹纹纹、杂杂杂杂质质质质和其它相其它相其它相其它相。它们一般是在处理和制造过程中引入的。后面的章节会讨论这些缺陷及对材料性能的影响。2.2.4 体积缺陷2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础66光光光光学学学学显显显显微微微微镜镜镜镜 光学显微镜中，光镜用来研究微观结构，光和照明系统是其基本要素。材料不透可见光（所有的金属和部分陶瓷和高聚物），只有表面是观察对象，显微镜必须使用反射模式。图像中产生的对比是由于不同部位反射率不同产生的。这种研究方法常称为金相学金相学金相学金相学，金属初步观察使用这种技术。光学显微镜放大倍数的上限大约是2000倍。2.2.5 显微技术和晶粒度确定2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础672024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础68（b）实物图26 金相显微镜工作原理和实物2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础69图 2-27(a)抛光和蚀刻晶粒；(b)刻蚀特点和因晶体取向不同产生的不同表面纹理2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础70图 2-27(c)60多晶黄铜标本的显微照片2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础71图 2-28 蚀刻产生的晶界及其表面沟槽及邻近沟槽的光反射特性LINK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础72电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜 一些结构元素过于精细或过小而无法使用光学显微镜观察。在这种情况下，可以使用拥有更高放大倍数的电子显微镜。观察的结构图像是通过电子束形成的而非光反射。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础73透射电子显微镜透射电子显微镜 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy TEM）成像是靠电子束穿透试样。可以观察详细的内部结构；图像中产生的对比是由于缺陷或结构中不同元素对电子束产生的散射或衍射。由于固体材料对电子束具有很强的吸收性，所以要观察的试样必须准备成很薄的片。透射电子显微镜可以放大接近1,000,000，常用于研究位错。LINK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础742024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础75扫描电子显微镜扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)更现代的和极其有用的观察工具是扫描电子显微镜。用电子束扫描要被观察的试样表面，收集反射回的电子束，然后以相同的扫描速率显示在阴极射线管上。拍摄到屏幕上的图像，代表了试样的表面特征。表面可以被抛光和蚀刻,也可以没有，但是一定要导电；非导电材料表面要有一层很薄的金属镀膜。放大从10倍至超过50000倍，也可以观察很深的区域。LINK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础762024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础77扫扫描描探探针针显显微微镜镜 扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)不同于光学和电子显微镜。光学和电子显微镜是靠光或者电子来成像。扫描探针显微镜通过微小探针在样品表面扫描，将探针与样品表面间的相互作用转换为表面形貌和特性图像。它提供了表面 的 三 维 高 空 间 分 辨 的 图 像。扫描探针显微镜生成一个原子尺度的成形图，代表了被研究试样的表面特性。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础78晶晶晶晶粒粒粒粒度度度度测测测测定定定定 考虑多晶材料性能时要确定晶粒度。晶粒度指平均的晶粒体积、直径或面积。晶粒度可以通过截断法估测。在表示晶粒结构的显微镜照片上画几条相同长度的直线。数下被每一条线段分割的晶粒；线段长度除以被分割的晶粒的平均数,平均晶粒直径就是上面结果再除以显微镜照片的放大率。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础79最常用的方法是ASTM（美国测试和材料学会）设计的。ASTM准备了几个标准的对照图表，它们有不同的平均晶粒度。每一个图表都被设定为1到10中的某个数字，即晶粒号；号越大，晶粒越小。要看到晶粒结构，必须精心准备试样，放大率是100倍。成像与显微照片中最匹配的那个图表的晶粒号就是晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度。n 代表晶粒号,N 是放大100倍后每平方英寸晶粒的平均值。两个参数之间的关系是:N=2n-1.2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础802.2.6晶体缺陷与强化晶晶体体缺缺陷陷：破坏了晶体的完整性，使晶格畸变、能量提高，金属性质发生偏差，导致金属性能如强度、耐蚀性和导电性等都发生不利的变化。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础81研究表明，金属的强度由于晶体缺陷的存在而迅速下降，但当这种缺陷的密度增加到一定程度以后，材料强度反而会随着缺陷的增多而提高，这就是晶晶晶晶体缺陷强化体缺陷强化体缺陷强化体缺陷强化。当然，强化是有一定限度的，既当缺陷增加到一定程度以后，金属强度会又一次迅速下降。BACK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础822.3 金属的结晶n金属材料零部件大多经过冶金、铸造、轧制或锻造、机加工等过程。n金属材料冶炼铸锭的铸态组织是原始组织，很大程度地影响金属材料的加工性能和使用性能。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础832.3.1 纯金属的结晶过程2.3.1.1纯金属结晶的条件n纯金属都有熔点。金属处于熔点时，是液态金属原子结晶进入固态和固态晶格上原子熔入液体的动态平衡温度，是一理想状态，因此熔点也可称为理想结晶温度点理想结晶温度点理想结晶温度点理想结晶温度点。n实际金属结晶温度总要偏低理论结晶温度一定温度，结晶方可进行，该温差称过冷度过冷度过冷度过冷度。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础842.3.1.2 纯金属的结晶过程图2-31形成非常小的晶核晶核不断长大继续形成新晶核并长大晶核长大最终形成固体图 2-32 金属的结晶过程2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础85l均质形核均质形核 依靠液体自身在过冷条件下形核。l异质形核异质形核 依附于固态杂质颗粒表面形核。影响晶核长大的主要因素是温度和冷却速度。金属结晶伊始结晶外形比较规则，但随着晶体的不断长大，冷却速度快的棱角处优先生长，形成一次晶轴，为晶体的主骨架，随后形成二次、三次、甚至四次等晶轴。一般多晶体同时生长，晶体间相互接触生长，形成多晶体。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础86描述晶体生长的主要参数是形核速度N（晶核数/(mm3.s)）和晶核长大速度G(mm/min)。两参数主要依赖于过冷度。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础872.3.2 金属铸锭的组织2.3.2.1 铸锭的组织2-33铸锭是熔融金属 浇注于模具后获得的2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础882.3.2.2 沸腾钢和镇静钢的组织和缺陷A.A.镇镇镇镇静静静静钢钢钢钢 冶炼时使用Mn、Al、Si脱氧的钢，含氧量低，凝固时无CO析出。除一般钢锭的宏观组织特征外，存在缩孔、疏松、气泡、成分偏析等缺陷。B.B.沸沸沸沸腾腾腾腾钢钢钢钢 冶炼时仅使用Mn脱氧的钢，含氧量高，凝固时有大量一氧化碳析出，钢液出现沸腾现象。除一般钢锭的宏观组织特征外，缩孔、疏松、气泡、成分偏析等缺陷比镇静钢的严重，但其出材率比镇静钢的高。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础89C.缩缩孔孔 金属结晶时，后结晶区体积收缩得不到液体金属的补充所形成的微孔。铸锭顶部形成集中缩孔，轧制时应切除，否则影响钢材质量。D.D.疏疏松松 处于早期结晶包围的金属液体结晶时得不到金属液体补充形成微小和分散的缩孔。E.E.偏析偏析 早期和后期结晶部位的化学成分不同造成宏观区域性成分不均匀。F.F.气泡气泡 金属凝固时气体来不及逸出所形成的缺馅。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础902.3.3 细晶强化与变质处理2.3.3.1 细晶强化细晶强化一般来说，晶粒细化是提高金属力学性能的重要手段之一，通常通过提高过冷度来实现。但对于防止应力腐蚀来说，晶粒细化却不是好事。BACK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础912.3.3.2 变质处理强化主要通过向液态金属中添加某些符合非自发成核条件的元素或它们的化合物，作为变质剂，如钢水中常加Ti、V、Al、Nb等来细化晶粒。另一类元素或化合物起着阻碍晶粒长大的作用。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础922.4 金属的塑性变形与再结晶2.4.1冷加工对金属微观结构和性能的影响2.4.1.1 冷加工与金属塑性变形塑性是金属的重要特性。利用塑性可对金属进行轧制、挤压、锻压、冲压等加工。单晶体在外力作用下发生塑性变形后将产生滑移带，如图所示。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础932-342024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础94l l滑滑移移 金属在外力作用下密度最大的晶面间发生相对滑动，其晶面内晶格的相对位置不变。l l滑滑移移线线 金属塑性变形，即滑移后所留下的线状痕迹。l l滑滑移移带带 金属塑性变形后所形成的多条平行线，滑移线所形成的带状区域。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础95图2-35 晶面间原子滑移示意图原子密度大的晶面和方向上，原子在发生滑移时很容易从一个平衡位垒跳越到另一个平衡位垒。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础96(011)aaa2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础97(101)aaa2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础98aaa111(110)图 2.36 体心立方晶体的滑移系2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础992.4.1.2 加工硬化加工硬化加工硬化 随着塑性变形增加，金属晶格的位错密度不断增加，位错间的相互作用增强，提高了金属的塑性变形抗力，使金属的强度和硬度明显提高，塑性和韧性明显降低。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础100优优点点：加工硬化是金属的一种重要的强化手段，同时也是保证冷加工过程中变形均匀的重要手段。缺缺点点：加工硬化也为进一步冷加工带来困难，必须退火处理，增加了成本。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1012.4.1.3 组织和织构的变化塑性变形后，金属晶粒沿变形方向被拉长，很大的变形使晶粒成为纤维组织，金属性能各向异性，通常纤维方向的强度和塑性优于其它方向。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础102晶粒沿变形方向发生偏转，使各晶粒位向趋于一致，这种择优取向形成的有序结构称为形变形变织构织构，它使金属性能各向异性。织构对金属加工有很大不利影响，如产生边缘不齐，壁厚不均等，须分次成型和中间退火。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1032.4.1.4 残余内应力金属各部分塑性变形不均匀，回弹后将产生残余应力，分三类。第一类残余应力第一类残余应力第一类残余应力第一类残余应力宏观内应力宏观内应力宏观内应力宏观内应力 金属各部分变形不均匀而造成的内应力。第二类残余应力第二类残余应力第二类残余应力第二类残余应力微观内应力微观内应力微观内应力微观内应力 金属各晶粒或亚晶粒变形不均匀而造成的内应力。第三类残余应力第三类残余应力第三类残余应力第三类残余应力 由位错、空为等晶格缺陷造成的内应力。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础104塑性变形时外力做功约有10%转变为内应力残留金属内转变为内能，使金属的耐蚀性和承载能力下降，一般应作消除残余应力处理。当然也有采取喷砂等方法来使金属表面产生残余压应力，以提高耐蚀性、抗疲劳性等。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1052.4.2 塑性变形金属的回复与再结晶2.4.2.1 回复加热温度较低，原子扩散能力不大，金属不发生显微组织的变化。温度升高，热运动使晶格中大量空位扩散到晶界、表面或与间隙原子结合而消失，位错发生移动重新排列而更稳定，缺陷减少。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础106宏宏观观表表现现为金属的电阻和内应力降低，塑性略有恢复，强度和硬度稍有降低。主主要要用用于于消除冷加工零部件内残余应力，防止开裂和变形，工程称回复回火或去应力退火。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1072.4.2.2 再结晶加热温度继续提高，原子扩散能力增大，塑性变形金属发生显著显微组织变化。塑性变形中被拉长的、碎化和纤维化的晶粒转变为均匀、细小的等轴晶粒。宏宏观观表表现现为金属的强度和硬度显著下降，塑性和韧性明显提高。主主要要用用于于消除加工硬化，恢复金属的力学和化学性能，称再结晶退火。为保证再结晶的晶粒度，应控制再结晶温度。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1082.4.2.3 再结晶温度再结晶是一种不发生晶格变化的固体变化，没有特定的再结晶温度，是一个温度范围。主主主主要要要要影影影影响响响响因因因因素素素素是金属塑性变形度，变形度越大，再结晶温度就越低。生产规定，变形度大于70%，保温1小时，能完成再结晶的最低温度为再结晶温度再结晶温度再结晶温度再结晶温度。再结晶温度有赖于再结晶温度有赖于再结晶温度有赖于再结晶温度有赖于晶粒大小、保温时间和金属的熔点。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1092.4.2.3 再结晶的晶粒度影响再结晶晶粒度的因素有温度和变形度。再结晶退火温度越高，原子扩散能力越大，晶粒长大越快。当变形度很小时，不足以引起再结晶；当变形度达2%10%时，只有少量晶粒变形，再结晶的晶核较少，晶粒相互吞并并长大到粗大的晶粒，为临临临临界界界界变变变变形形形形度度度度，工程上应避免在临界变形度范围内冷加工；大于临界变形度后，变形度越大，变形越均匀，再结晶的晶核越多，再结晶后的晶粒越细。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1102024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1112.4.3 金属的热加工2.4.3.1金属的冷加工和热加工比较n工程中对截面积大、变形量大和塑性不好的金属零部件，一般都在加热的状态下塑性成型，这主要是利用金属的强度和硬度随温度的提高而降低，塑性随温度的提高而提高的特点。热加工塑性变形引起的加工硬化可随即发生回复和再结晶而消除。n金属学上，热加工热加工热加工热加工是在再结晶温度以上进行，冷加冷加冷加冷加工工工工是指再结晶温度以下进行的塑性加工。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1122.4.3.2 热加工对金属相结构的影响优优优优点点点点：热加工（如锻、轧）可使金属中的气孔、裂纹、疏松焊合，使金属更加致密，减轻偏析，改善杂质分布，明显提高金属的力学性能。缺缺缺缺点点点点：热加工过程中，枝晶偏析、夹杂物和第二相等沿塑性变形方向被拉长，形成纤维组织流线，使金属的力学性能也具有方向性，因此安排零部件热加工时，应注意其方向性。BACK2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1132.5 二元合金的相结构和相图l l合金合金合金合金 两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。l l组元组元组元组元 组成合金的最基本的和独立的单元（元素或稳定化合物）。n n二元合金二元合金二元合金二元合金 两组元组成的合金。n n多元合金多元合金多元合金多元合金 三组元及以上组成的合金。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1142.5.1 合金中的相l l相相相相 合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并由界面与其它部分隔开的均匀组成部分。l l相分两类相分两类相分两类相分两类 固溶体和金属间化合物。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1152.5.1.1 固溶体与固溶强化 固固固固溶溶溶溶体体体体 在固态下，合金组元互相溶解而形成的均匀固相。l l溶剂溶剂溶剂溶剂 在固溶体中，保持原有晶体结构的组元。l l溶质溶质溶质溶质 溶剂以外的其余组元。l l间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格的间隙中。l l置置置置换换换换固固固固溶溶溶溶体体体体 溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格位置。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础116l l无无无无限限限限固固固固溶溶溶溶体体体体 溶质可无限度地溶入溶剂当中而不改变原有晶格结构。l l有有有有限限限限固固固固溶溶溶溶体体体体 溶质可有限度地溶入溶剂当中而保证原有晶格结构。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础117影响固溶体类型的主要因素是原子半径、晶格类型和电化学特性。溶剂溶质原子半径和电化学特性相近，晶格类型相同，即可组成置换固溶体。原子半径差异较大的形成间隙固溶体，碳、氮、氢、硼、氧等作为原子在合金中形成间隙固溶体。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础118n置换固溶体在溶质原子半径较大时形成正畸变，溶质原子半径较小时形成负畸变；间隙固溶体的晶格都形成正畸变。溶质的浓度越大形成的晶格畸变也越大。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础119n n晶格畸变影响晶格畸变影响晶格畸变影响晶格畸变影响：增加了位错运动阻力，金属的滑移变形比较困难，塑性和韧性略有下降，合金的强度和硬度随着溶质原子浓度的增加而提高，工程上称为固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化。n综合力学性能要求较高的结构合金材料几乎都采用固溶体作为基本相。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1202.5.1.2 金属间化合物与弥散强化两种组元所形成的晶格类型和特征完全不同于其任一组元的新固相，称为金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物或者中间相中间相中间相中间相。分为三类：l l正常价化合物正常价化合物正常价化合物正常价化合物 分子式严格遵循化合价的规律。l l电子价化合物电子价化合物电子价化合物电子价化合物 分子式不遵循化合价的规律，但按一定电子浓度组成。l l间隙化合物间隙化合物间隙化合物间隙化合物 过渡金属元素与原子半径较小的非金属元素碳、氮、氢、硼、氧等形成的化合物。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础121非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时形成具有简单晶格的间隙化合物，之比大于0.59时形成具有复杂晶格的间隙化合物。特性及应用特性及应用特性及应用特性及应用：金属间化合物一般具有硬度和熔点高、性脆的特性，因此以金属间化合物为主的合金可以作为功能材料使用，难以作为结构材料使用。以金属间化合物进行强化的方式称为弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化或第第第第二相强化二相强化二相强化二相强化，是合金钢和有色金属的重要强化手段。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1222.5.2二元合金相图的类型和分析2.5.2.1 二元合金相图用图解的方法表示合金在极其缓慢的冷却速度下，合金状态随温度和化学成分的变化关系。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1232024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1242.5.2.2 二元合金典型相图分析A.匀晶相图l杠杆定理 l平衡状态的两相区内，在某一温度下，两相质量与到支点水平距离乘积相等。平衡状态的两相区内，在某一温度下，两相质量与到支点水平距离乘积相等。扩散退火或者均匀化退火消除枝晶偏析。2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1252-40A.匀晶相图2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础1262-41 IIIV IIIB.共晶相图2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础127图42 共析相图包含一个共晶反应和其固态转变共析反应C.共析相图 2024/11/17 周日金属材料基础金属材料基础128课后思考题n实际晶体的各种缺陷对金属性能有哪些影响？n产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？n划分冷加工和热加工的条件是什么？热加工给金属件带来哪些益处？n何谓过冷度？它对晶粒大小有何影响？n镇静钢和沸腾钢的缺陷有哪些？n二元合金相图表达了合金的哪些关系？