工程材料CH工程材料的結(jié)構(gòu)第講

1、第2章 工程材料的結(jié)構(gòu) 1材料的結(jié)構(gòu)表明材料的組元及其排列和運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)水平的認(rèn)識(shí)：宏觀、微觀。2What? “組織結(jié)構(gòu)”3相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。元素不一定單一。廣義的講組織結(jié)構(gòu)包括了成分、相、組織、結(jié)構(gòu)等概念。組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌，它可以是單相的，也可以是由一定數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式的多種相組成。42.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織2.3 塑性變形和回復(fù)、再結(jié)晶對(duì)金屬材料組織、性能的影響52.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織一、理想晶體 1晶體與非晶體 晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空

2、間呈規(guī)則、 周期性排列。非晶體：材料的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液 體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”。(a)、是否具有周期性、對(duì)稱性；(b)、是否長(zhǎng)程有序；(c)、是否有確定的熔點(diǎn)；(d)、是否各向異性。區(qū) 別62晶體結(jié)構(gòu)的描述 a.理想晶體實(shí)際晶體的理想化 三維空間無限延續(xù)，無邊界； 嚴(yán)格按周期性規(guī)劃排列，是完整的、無缺陷； 原子在其平衡位置靜止不動(dòng)。 b. 理想晶體的晶體學(xué)抽象（見下圖） 空間規(guī)則排列的原子剛球模型晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）晶胞（具有周期性最小組成單元）晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。7理想晶體的晶體學(xué)抽象示意 83晶胞的描述

3、晶體學(xué)參數(shù)：a, b, c,晶格常數(shù)：a, b, c晶系軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系 單斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系 cXZYOba七個(gè)晶系：9布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞10晶向(crystal direction): 在晶格中,任意兩原子之間的連線所指的方向。晶向指數(shù): 用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)定。確定方法:設(shè)置坐標(biāo);求投影坐標(biāo);取最小整數(shù)。11晶面(crystal face):在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。確定方法: 設(shè)置坐標(biāo);求截距;取倒數(shù)。晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane

4、 ):用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中 某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。 124三種典型的金屬晶體晶胞(圖) 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬的有：Al、貴重金屬、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不銹鋼等。 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。體心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp13141、體心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞 晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑 晶胞原子數(shù) 配位數(shù) 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68%

5、15晶胞原子數(shù)：是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。8*1/8+1=2 原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距的一半。體心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱密排系數(shù)。 致密度=（晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積）X100% 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。BCC為12162、面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube晶胞 晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑 晶胞原子數(shù) 配位數(shù) 致密度

6、FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 17FCC剛球模型 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：Al、貴重金屬、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不銹鋼等。183、密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞 晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑 晶胞原子數(shù) 配位數(shù) 致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 19 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。HCP剛球模型20BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù) 晶胞 晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑 晶胞原子數(shù) 配位數(shù) 致密度

7、BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 21密排面與密排方向 110, 111, 底面, 底面上任 意相鄰原子的連線22二實(shí)際晶體 理想晶體+晶體缺陷實(shí)際晶體 實(shí)際晶體單晶體和多晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致各向異性多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成各向同性 晶體缺陷：實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分 。 a、 點(diǎn)缺陷 b、 線缺陷（位錯(cuò)） c、 面缺陷 單晶體多晶體23A、 點(diǎn)缺陷 晶格結(jié)點(diǎn)處或

8、間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。 空位 (vacancy ) ： 晶格結(jié)點(diǎn)處無原子 置換原子(gap atom ) ： 晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù) 間隙原子(substitutional atom ) ： 原子占據(jù)晶格間隙 空位、間隙原子、置換原子示意圖 空位24點(diǎn)缺陷導(dǎo)致晶格畸變置換原子引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變25B、 線缺陷( line defect ) 位錯(cuò)( dislocation ) ： 二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排。 刃型位錯(cuò)( screw dislocation ) 螺型位錯(cuò) ( blade dislocation )26c、 面缺陷( surface-defec

9、t ) 一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。 晶界( grain boundary ) :晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界( sub-boundary ):相鄰晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。表面（surface）：表面與內(nèi)部不同。 區(qū)域：大角度晶界-晶界小角度晶界-亞晶界2728 Cu-Ni 合金中的亞結(jié)構(gòu)29三、晶體中的擴(kuò)散 擴(kuò)散原子在晶體中移動(dòng)距離超過其平均原子間距的遷移現(xiàn)象。 1、概念擴(kuò)散熱激活過程（以克服晶格約束）302影響擴(kuò)散的因素(1) 溫度 使原子能量提高 （最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s), Q擴(kuò)散激活能(2) 晶體結(jié)構(gòu) 致密度

10、小克服的能壘小擴(kuò)散容易(3) 表面及晶體缺陷 晶格畸變高能態(tài)原子激活能小(體擴(kuò)散的0.6-0.7)擴(kuò)散快100-1000倍Do，Q與溫度無關(guān)，決定于晶體的成分和結(jié)構(gòu)；溫度提高10-15度，D提高一倍。31四、純金屬的結(jié)晶及其組織 1結(jié)晶與凝固的區(qū)別 凝固：LS S可以是非晶結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。 一次結(jié)晶：LS晶態(tài) 二次結(jié)晶：SS晶態(tài)LiquidSolid322結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力F0，而不是過冷度T 自然界的自發(fā)過程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是F0 體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能U，其中可以對(duì)外做功或向外釋放的能量叫自由能F，F(xiàn)=U-TS（熵）過冷

11、度： T=Tm-Tn , F用來克服界面能Tma 當(dāng)溫度TTm時(shí)，F(xiàn)sFL, 液相穩(wěn)定b當(dāng)溫度TTm時(shí)，F(xiàn)sL+初-L+初+（ c+ e)- 初+（ c+ e)- + II+（ +） 亞共晶合金組織 6162相組成物：， 室溫下：組織相對(duì)量： 在共晶溫度時(shí)： 室溫下： 初-+ II 63L=M+fg64合金IV：（ 過共晶合金）-作業(yè) 組織標(biāo)注相圖 IVIIII(+ )相（%）組織（%）65四、合金性能與相圖的關(guān)系 1、合金的使用性能與相圖的關(guān)系66 溶質(zhì)元素晶格畸變大強(qiáng)度、硬度，（50%最大） 復(fù)相組織區(qū)域內(nèi)（如共晶轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)），合金的強(qiáng)度和硬度隨成分的變化呈直線關(guān)系，大致是兩相性能的算術(shù)平

12、均值。HB=HB * % + HB*% 對(duì)組織較敏感的性能強(qiáng)度，與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高（共晶點(diǎn)處，共晶組織呈細(xì)小、均勻細(xì)密的復(fù)相組織，強(qiáng)度可達(dá)最高值。）672、合金的工藝性能 68a. 鑄造性能液態(tài)合金的流動(dòng)性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的傾向性等。液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小合金的流動(dòng)性好有利于澆注。 液固相線距離大枝晶偏析傾向愈大，合金流動(dòng)性也愈差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，所以鑄造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或選擇結(jié)晶溫度間隙最小的成分。 b.鍛造、軋制性能單相固溶體合金單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好6

13、92.3 塑性變形和回復(fù)、再結(jié)晶對(duì)金屬材料組織、性能的影響70靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(低碳鋼 )簡(jiǎn)單回顧四階段 71一 、金屬材料的塑性變形 變形是工程材料在外力作用下會(huì)發(fā)生的最基本的失效方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種。塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能。不需要塑性變形：抵抗塑性變形是一般工程構(gòu)件的基本要求，不希望結(jié)構(gòu)件在承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；需要塑性變形：塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。 72(一)、單晶體的塑性變形單晶體變形規(guī)律：滑移晶體學(xué)多晶的變形是各個(gè)晶粒的變形的總和。（A）塑性變形方式：滑移.

14、塑性變形方式滑移和孿生 在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。73要點(diǎn)1：滑移變形的起因外力P在滑移面上的分解正應(yīng)力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；切應(yīng)力 ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。74滑移就是晶體滑移面兩側(cè)部分或整體的相對(duì)移動(dòng)（剛性移動(dòng)）。 在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。滑移面最大密排面滑移方向最大密排晶向要點(diǎn)2：滑移變形如何進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的位置與方向75位錯(cuò)滑移塑性變形 切應(yīng)力

15、作用下，晶體中的位錯(cuò)沿著滑移面逐步移動(dòng)，最后移出表面，留下一個(gè)大小等于該位錯(cuò)矢量模的臺(tái)階。 大量位錯(cuò)（原子距）移出晶體滑移線（1000原子距）滑移帶要點(diǎn)3：滑移變形的本質(zhì)位錯(cuò)機(jī)制76晶體的滑移是通過位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對(duì)移動(dòng)。 滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。（剛性滑移模型計(jì)算出的臨界切應(yīng)力值實(shí)測(cè)值）金屬計(jì)算值 (MN/m2)實(shí)測(cè)值 (MN/m2)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之比銅銀金鎳鎂鋅64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！77

16、滑移系：滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向 金屬三種常見晶格的滑移系要點(diǎn)4：不同金屬的滑移變形特征78Why? 體心立方（-Fe）和面心立方金屬（Cu、Al）滑移系數(shù)目相同，但面心立方金屬的塑性變形能力更好?79滑移系數(shù)目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。 （滑移方向的作用大于滑移面的作用）FCC和BCC的滑移系為12個(gè)，HCP為3個(gè)；FCC的滑移方向（3個(gè)）多于BCC （2個(gè)） 。金屬塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP） 80晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為

17、孿生帶或?qū)\晶。（B）塑性變形方式 ：孿生Why發(fā)生孿生變形？何種情況下發(fā)生？特點(diǎn)：均勻切變，切變部分位向改變，但點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不變；發(fā)生孿生時(shí)各原子移動(dòng)的距離是不相等的。臨界分切應(yīng)力滑移分切應(yīng)力；形變量很?。恍巫兯俣瓤?，接近聲速。81孿生僅會(huì)在滑移不易產(chǎn)生的情況下發(fā)生：. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)（Cu、Ag、Au）在極低溫度下發(fā)生。. BCC金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。. HCP金屬較容易發(fā)生孿生。82(C）滑移和孿生的異同滑移和孿生均在切應(yīng)力作用下，沿一定晶面的一定晶向進(jìn)行，產(chǎn)生塑性變形；孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生 ；滑移原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的整

18、數(shù)值不引起晶格位向的變化；孿生原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值孿生晶格位向改變促進(jìn)滑移 ；孿生產(chǎn)生的塑性變形量?。ɑ谱冃瘟康?0）， 但引起的晶格畸變大。83（二）、實(shí)際金屬（多晶）的塑性變形主要影響因素：晶界、晶粒和位向（A）晶界： .滑移的主要障礙：原子混亂排列區(qū)，較不規(guī)則缺陷、雜質(zhì)集中?；撇荒軓囊粋€(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒中去。.協(xié)調(diào)變形：晶界自身變形以維持相鄰晶粒變形保持連續(xù)。位錯(cuò)塞積位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。84（B）晶粒 . Hall-Pitch關(guān)系：s=0+Kyd-1/2 .細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化強(qiáng)度、硬度提高、塑性、韌性也提高，原因？晶粒小晶界面積大變形抗

19、力大強(qiáng)度大晶粒小單位體積晶粒多變形分散相鄰晶粒不同滑移系相互協(xié)調(diào)晶粒小晶界多不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大的塑性變形細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段！85二、塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響（一）、冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響86晶粒形貌及結(jié)構(gòu)變化 晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織各同異性a.纖維組織（組織）b. 亞結(jié)構(gòu)形成（晶內(nèi)結(jié)構(gòu)變化） 形變位錯(cuò)密度（ -）位錯(cuò)纏結(jié)胞壁亞晶鋼的纖維組織（變形度80%87織構(gòu)擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向變形量足夠大時(shí)，原來處于不同位向的晶粒在空間位向上會(huì)呈現(xiàn)出一定程度的一致。 形變織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度（70%）時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使各晶粒的位向趨于一致，形成特

20、殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。有害：“制耳”現(xiàn)象有利：硅鋼片：電機(jī)、變壓器鐵芯88. 加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化金屬在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形時(shí)，隨著變形度的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。89加工硬化機(jī)理：1）一種重要的強(qiáng)化手段，對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金尤其重要；2）冷加工成形得以順利進(jìn)行；3）金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短時(shí)超載斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；4）塑性，切削性能；不利：塑性變形困難中間退火消除塑性變形位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)大量增殖相互作用運(yùn)動(dòng)阻力加大變形抗力強(qiáng)度、硬度、塑性 、韌性位錯(cuò)強(qiáng)化：位錯(cuò)密度強(qiáng)度、硬度意義904殘余內(nèi)應(yīng)力（性能）第一類

21、內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶粒畸變（90%）。去除外力后殘留于且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。911、塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 （二）、金屬在加熱條件下的塑性變形922、回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大 1）回復(fù)原子擴(kuò)散能力較小，物理化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)力顯著降低，強(qiáng)度和硬度略有降低去應(yīng)力退火。驅(qū)動(dòng)力：金屬變形儲(chǔ)存能（晶格畸變能）932）再結(jié)晶1）新的形核一長(zhǎng)大過程，無新相生成，加工硬化消除，力學(xué)性能恢復(fù)，顯微組織發(fā)生顯著變化等軸晶粒，強(qiáng)度大大下降。 再結(jié)晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝 再結(jié)晶溫度：純金屬： TR=0.

22、4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 驅(qū)動(dòng)力：金屬變形儲(chǔ)存能（晶格畸變能）94性能惡化，特別是塑性明顯下降。在工藝處理應(yīng)注意防止產(chǎn)生。3）晶粒長(zhǎng)大95影響再結(jié)晶晶粒度的因素 溫度TD晶界遷移晶粒度長(zhǎng)大預(yù)變形度96 TR以上加工，不引起加工硬化提高金屬致密度、消除枝晶偏析，打碎柱狀晶、樹枝晶、流線分布等。 3、熱加工對(duì)金屬組織性能的影響97塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 變形類型 工藝方法 組織變化 性能變化 冷變形 加工 冷軋、拉拔、冷擠壓、冷沖壓、冷鐓等 晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)，形成冷加工纖維組織 趨于各向異性 晶粒破碎，形成亞結(jié)構(gòu)， 位錯(cuò)密度增加 強(qiáng)度提高，塑性下降，造成 加工硬化，密度下降 冷拉、冷軋等 晶粒位向趨于一致，形成 形變織構(gòu) 趨于各向異性 熱變形 加工 自由鍛、模鍛、 熱軋、熱擠壓等 焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松等缺陷 力學(xué)性能提高，密度提高 擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析減少，晶粒細(xì)化 夾雜物沿變形方向伸長(zhǎng)，形成流線組織，緩慢冷卻可形成帶狀組織 趨于各向異性，沿流線方向力學(xué)性能提高 98CH2作業(yè)術(shù)語：相、組織、晶體結(jié)構(gòu)、晶格、晶胞、單晶體、多晶體、晶粒度、過冷度、變質(zhì)處理、合