工程材料的結構與性能控制

工程材料的結構與性能控制第1頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁第一章緒論核心關系貫穿全課程的“綱”第2頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁第二章工程材料的結構與性能控制第二章工程材料的結構與性能控制對材料內部結構的認識水平：宏觀、微觀。廣義的講，它括了成分、相、組織、結構等概念材料的結構——表明材料的組元及其排列和運動方式。第3頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁第一章緒論What?“組織結構”相：凡是化學成分相同、晶體結構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。組織：用肉眼或顯微鏡的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。第4頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§2.1材料的結構(crystallography)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、對稱性(b)、是否長程有序(c)、是否有確定的熔點(d)、是否各向異性區(qū)別第二章工程材料的結構與性能控制第5頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2．晶體結構的描述Ａ.理想晶體——實際晶體的理想化·三維空間無限延續(xù)，無邊界·嚴格按周期性規(guī)劃排列。是完整的、無缺陷·原子在其平衡位置靜止不動晶體結構描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。第二章工程材料的結構與性能控制第6頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格(crystallattice)（剛球抽象為晶格結點，構成空間格架）→晶胞(unitcell)（具有周期性最小組成單元，or能完全反映晶格特征的最小幾何單元)。Ｂ.理想晶體的晶體學抽象第二章工程材料的結構與性能控制第7頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁3．晶胞的描述晶體學參數(shù)：a,b,c,α,β,γ晶格常數(shù)：a,b,c七個晶系：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

正方晶系

晶格常數(shù)(latticeconstant)

cXZYOαβγba第二章工程材料的結構與性能控制第8頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一布拉菲空間點陣晶胞結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁第9頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一晶向(crystaldirection):

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)對晶格中某一原子排列在空間的位向進行標定。確定方法:設置坐標;求投影坐標;取最小整數(shù)。第10頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一晶面(crystalface):

在晶格中由一系列原子所構成的平面稱為晶面。晶面指數(shù)(indicesofcrystallographic

plane):

用密勒(Miller)指數(shù)對晶格中某一晶面進行標定。確定方法:設置坐標;求截距;取倒數(shù)。第11頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁4．三種典型的金屬晶體晶胞(圖)

屬于此類結構的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等

屬于此類結構的金屬的有：Al、貴重金屬、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不銹鋼等。

屬于此類結構的金屬有：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hcp第二章工程材料的結構與性能控制第12頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁晶胞原子數(shù)：是指在一個晶胞中所含的原子數(shù)目。1+8×1/8=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原子間距的一半。體心立方晶胞：r=(a)1/3/4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。8致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分數(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×100%。68%第二章工程材料的結構與性能控制第14頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁1、體心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube晶胞晶體學參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%第二章工程材料的結構與性能控制第15頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube晶胞晶體學參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%第二章工程材料的結構與性能控制第16頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁3、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶胞晶體學參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%第二章工程材料的結構與性能控制第17頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞晶體學參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%第二章工程材料的結構與性能控制第18頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁密排面與密排方向

{110},(111){111},(110)底面,底面上任意相鄰原子的連線第二章工程材料的結構與性能控制第19頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁二．實際晶體

理想晶體+晶體缺陷——實際晶體實際晶體——單晶體和多晶體單晶體：內部晶格位向完全一致——各自異性多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成——各自同性1．晶體缺陷(crystaldefect)

：

實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、點缺陷b、線缺陷（位錯）c、面缺陷第二章工程材料的結構與性能控制第20頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁a、點缺陷(pointdefect)——晶格結點處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位(vacancy)

：

晶格結點處無原子置換原子(gapatom)

：

晶格結點處為其它原子占據(jù)

間隙原子(substitutionalatom)

：

原子占據(jù)晶格間隙間隙原子、置換原子示意圖第二章工程材料的結構與性能控制第21頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁晶格畸變置換原子引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變第二章工程材料的結構與性能控制第22頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁B、線缺陷(linedefect)－位錯(dislocation)：

——二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排

刃型位錯(screwdislocation)

螺型位錯(bladedislocation)第二章工程材料的結構與性能控制第23頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁c、面缺陷(surface-defect)

——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域晶界(grainboundary):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1～2°)的小角度晶界。表面（surface）等區(qū)域：大角度晶界---晶界小角度晶界---亞晶界第二章工程材料的結構與性能控制第24頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一Cu-Ni合金中的亞結構第25頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁三、晶體中的擴散(自學、不做重點要求)擴散——原子在晶體中移動距離超過其平均原子間距的遷移現(xiàn)象1、概念擴散→熱激活過程（以克服晶格約束）第二章工程材料的結構與性能控制第26頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2．影響擴散的因素：(1)溫度原子能量提高（最主要因素）D=Doexp(-Q/RT）Do——擴散系數(shù)(cm2/s),

Q——擴散激活能(2)晶體結構致密度小→克服的能壘小→擴散容易(3)表面及晶體缺陷晶格畸變→高能態(tài)原子→激活能?。w擴散的0.6-0.7）→擴散快100-1000倍Do，Q與溫度無關，決定于晶體的成分和結構；溫度提高10-15度，D提高一倍。第二章工程材料的結構與性能控制第27頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁四、純金屬的結晶及其組織1．結晶與凝固的區(qū)別凝固：L→S

S可以是非晶物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。結晶：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)）的轉變過程or物質中的原子由近程有序列向長有序排列的過程。 一次結晶：L→S晶態(tài) 二次結晶：S→S晶態(tài) 近程有序 長程有序第二章工程材料的結構與性能控制第28頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一純金屬結晶時的冷卻曲線TmT時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線結晶平臺(是由結晶潛熱導致)2.過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象(supercooling)過冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=Tm–T過冷是結晶的必要條件。Why?第29頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁結晶驅動力——ΔG≤0自然界的自發(fā)過程進行的熱力學條件都是自由能≤0體系中各種能量的總和叫做內能，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫自由能

3．結晶熱力學a

當溫度T>Tm時，F(xiàn)s>FL,

液相穩(wěn)定b

當溫度T<Tm時，F(xiàn)s<FL,

固相穩(wěn)定c

當溫度T=Tm時，F(xiàn)s=FL,

平衡狀態(tài)Tm：理論結晶溫度Tn：實際結晶溫度液、固兩相的自由能隨溫度變化示意圖第二章工程材料的結構與性能控制第30頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一過冷度：△T=Tm-Tn,→

△F用來克服界面能實驗證明，純金屬液體被冷卻到熔點Tm（理論結晶溫度）時保溫，無論保溫多長時間結晶都不會進行，只有當溫度明顯低于Tm時，結晶才開始。也就是說，金屬要在過冷(Undercooled)的條件下才能結晶?？梢姡^冷度越大，結晶的驅動力也就越大；過冷度等于0，ΔGv也等于0，沒有驅動力結晶不能進行。結論：結晶的熱力學條件就是必須有一定的過冷度第二章工程材料的結構與性能控制第31頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁過冷度與冷卻曲線冷速越快，過冷度越大

在恒溫、恒壓的條件下，單位體積的液體與固體的自由能之差為：

式中，負號表示由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)自由能降低；Lm為熔化潛熱;ΔT=Tm-T,稱為過冷度(Undercooling)。第32頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁4、結晶的過程結晶動力學(a)(b)(c)(d)(e)(f)第二章工程材料的結構與性能控制第33頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一形核長大第34頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁結晶過程a.形核：自發(fā)形核、非自發(fā)形核b.長大：平面長大、樹枝狀長大密集面非密集面樹枝狀長大平面長大第二章工程材料的結構與性能控制第35頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁5、晶粒尺寸的控制（1）晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示。形核速度大，長大速率慢，晶?？倲?shù)目多，晶粒細小。（2）過冷度對形核一長大的影響過冷度△T提高，N提高、G提高過冷度△T太高，D降低——N降低、G降低第二章工程材料的結構與性能控制第36頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（3）控制晶粒度的因素①提高過冷度過冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒細化②變質處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細化晶粒和改善組織。③振動，攪拌等第二章工程材料的結構與性能控制第37頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§2.2合金的晶體結構和組織一、合金相結構相：

凡是化學成分相同、晶體結構相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。合金中有兩類基本的相結構，固溶體和金屬間化合物。1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結構與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質第二章工程材料的結構與性能控制第38頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁①固溶體的分類溶質原子的位置置換固溶體晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學性質相近間隙固溶體原子半徑較小溶解度有限固溶體——無限固溶體——分布有序度有序固溶體——無序固溶體——第二篇工程材料的結構與性能控制第39頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁②固溶強化

由于溶質原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。溶質原子溶入→晶格畸變→位錯遠動阻力上升→金屬塑性變形困難→強度、硬度升高。第二篇工程材料的結構與性能控制第40頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2、金屬間化合物

金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物一中間相。熔點、硬度高、脆性大。 機械混合物單一固溶體：強度、硬度較低單一化合物：硬而脆機械混合物——不是一種單一相第二篇工程材料的結構與性能控制第41頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁二、合金相圖概述1、相圖：描述平衡條件下，相和相變與溫度、成份、壓力之間的關系圖稱為相圖——平衡圖。

第二篇工程材料的結構與性能控制第42頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2、相圖的建立Ⅰ：純銅Ⅱ：75%Cu+25%Ni

Ⅲ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：純Ni第二篇工程材料的結構與性能控制第43頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁三、二元合金相圖（重點）

1、勻晶相圖

兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶轉變的合金系→勻晶相圖（L→α），Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr,Au-Ag第二篇工程材料的結構與性能控制第44頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（1）相圖分析點：凝固點線：液相線

固相線區(qū)：L

α

L+α（2）勻晶轉變的結晶過程：L→L+a→a第二篇工程材料的結構與性能控制第45頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁(3)勻晶轉變的特點a.形核、長大，樹枝狀長大b.變溫過程c.兩相區(qū)內，溫度一定，兩相成分確定d.兩相區(qū)內，溫度一定，兩相相對量一定QL%×ab=Qa%×bc第二篇工程材料的結構與性能控制第46頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁杠桿定律證明：Q合金，其Ni含量b%，T1溫度時：L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%；Q合金%×b%=QL%×a%+Qa%×c%又因為：Q合金=QL+Qa

所以（QL+Qa）%×b%=QL%×a%+Qa%×c%QL%×ab=Qa%×bc第二篇工程材料的結構與性能控制第47頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁e.枝晶偏析冷速快→原子擴散不充分→成分不均。擴散退火消除第二篇工程材料的結構與性能控制第48頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2、共晶轉變：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶的結晶轉變。共晶轉變的合金系構成共晶相圖，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu第二篇工程材料的結構與性能控制第49頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（1）相圖分析三個單相區(qū)：L、α、β（α、β是有限固溶體）共晶點：d共晶成分的合金冷卻到此點所對應的溫度（共晶溫度），共同結晶出αC、βe。液相線

adb固相線

acdeb

共晶反應線

cde溶解度線：cf，egT↓→過飽和固溶體析出另一相→脫溶轉變fg第二篇工程材料的結構與性能控制第50頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（2）典型合金的結晶過程合金I：

相組成物：α,β組織組成物：α,βII

相相對量：

組織相對量：

析出第二篇工程材料的結構與性能控制第51頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁合金II：（共晶合金）Ld

→ac+βe

L-->L+(ac+βe)--->(ac+βe)--->((af+bII)+(βg+aII))共晶恒溫析出第二篇工程材料的結構與性能控制第52頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁室溫下：相組成物α，β

組織組成物：（α+β）共晶體（α+β）%=100%第二篇工程材料的結構與性能控制第53頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁合金III：（亞共晶合金）L--->L+a初--->L+a初+（ac+βe)--->a初+（ac+βe)--->a+βII+（a+β）亞共晶合金組織第二篇工程材料的結構與性能控制第54頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁室溫下：相組成物α，β組織相對量：

在共晶溫度時：室溫下：a初--->α+βII

LαMα+βfg第二篇工程材料的結構與性能控制第55頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁組織標注相圖第二篇工程材料的結構與性能控制第56頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁四、合金性能與相圖的關系1、合金的使用性能與相圖的關系第二篇工程材料的結構與性能控制第57頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁溶質元素→晶格畸變大→強度、硬度↑，（50%↑最大）復相組織區(qū)域內（如共晶轉變范圍內），合金的強度和硬度隨成分的變化呈直線關系，大致是兩相性能的算術平均值。HB=HBa*a%+HBβ*β%對組織較敏感的性能—強度，與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大關系。組成相或組織組成物越細密，強度越高（共晶點處，共晶組織呈細小、均勻細密的復相組織，強度可達最高值。）1、合金的使用性能與相圖的關系第二篇工程材料的結構與性能控制第58頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁2、合金的工藝性能第二篇工程材料的結構與性能控制第59頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁a.鑄造性能—液態(tài)合金的流動性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的傾向性等。液固相線距離愈小，結晶溫度范圍愈小→合金的流動性好→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2、合金的工藝性能第二篇工程材料的結構與性能控制第60頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§2.3金屬的塑性變形本節(jié)要點塑性變形（滑移變形）的微觀機制？金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點？塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工硬化）？第二篇工程材料的結構與性能控制第61頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁學習思路以：化學成分→組織結構→性能→應用加工工藝為綱，加深理解本章內容第二篇工程材料的結構與性能控制第62頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁一、靜載單向靜拉伸應力――應變曲線(低碳鋼)四階段簡單回顧第二篇工程材料的結構與性能控制第63頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁一、金屬材料的塑性變形變形是工程材料在外力作用下會發(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。抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在承載時產(chǎn)生不可恢復的塑性變形；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。

塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。第二篇工程材料的結構與性能控制第64頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁(一）、單晶體的塑性變形單晶體變形規(guī)律：滑移晶體學多晶的變形是各個晶粒的變形的總和。（A）塑性變形方式Ⅰ：滑移１.塑性變形方式——滑移和孿生在外加切應力作用下，晶體的一部分相對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)生相對的滑動第二篇工程材料的結構與性能控制第65頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁外力P在滑移面上的分解正應力σ：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當超過原子間結合力時，使將晶體拉斷；切應力τ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時引起滑移面兩側的晶體發(fā)生相對滑動。第二篇工程材料的結構與性能控制第66頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁Why?滑移面（方向）——最大密排面（晶向）自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進行！第二篇工程材料的結構與性能控制第67頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁滑移系：滑移面和該面上的一個滑移方向

金屬三種常見晶格的滑移系第二篇工程材料的結構與性能控制第68頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁Why?

體心立方（α-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?Then，晶體的滑移就是晶體滑移面兩側部分作整體的相對移動（剛性移動）？？How??第二篇工程材料的結構與性能控制第69頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁滑移的位錯機制

位錯→滑移→塑性變形

How?

切應力作用下，晶體中的位錯沿著滑移面逐步移動，最后移出表面，留下一個大小等于該位錯矢量模的臺階。大量位錯（原子距）→→移出晶體→→滑移線（1000原子距）→→滑移帶第二篇工程材料的結構與性能控制第70頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁滑移的位錯機制：晶體的滑移是通過位錯在滑移面上的動動來實現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對移動?；频膶崿F(xiàn)→借助于位錯運動。（剛性滑移模型計算出的臨界切應力值＞＞實測值）金屬計算值(MN/m2)實測值(MN/m2)計算值與實測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行！第二篇工程材料的結構與性能控制第71頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁滑移系數(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，HCP為3個；FCC的滑移方向多于BCC。金屬塑性：Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。第二篇工程材料的結構與性能控制第72頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁

晶體的一切分相對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?！饘倬w中變形部分與未變形部分在孿生面兩側形成鏡面對稱關系?！l(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或孿晶。（B）塑性變形方式Ⅱ：孿生為什么發(fā)生孿生變形？何種情況下才易發(fā)生？？特點：均勻切變，切變部分位向改變，但點陣結構不變；發(fā)生孿生時各原子移動的距離是不相等的。臨界分切應力>>滑移分切應力；形變量很??；形變速度快，接近聲速。第二篇工程材料的結構與性能控制第73頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁孿生僅會在滑移不易產(chǎn)生的情況下發(fā)生：→ⅰ.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發(fā)生?！?HCP金屬較容易發(fā)生孿生。第二篇工程材料的結構與性能控制第74頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁(C）滑移和孿生滑移和孿生均在切應力作用下，沿一定晶面的一定晶向進行，產(chǎn)生塑性變形。孿生借助于切變進行，所需切應力大，速度快，在滑移較難進行時發(fā)生滑移→原子移動的相對位移是原子間距的整數(shù)值→不引起晶格位向的變化；孿生→原子移動的相對位移是原子間距的分數(shù)值→孿晶晶格位向改變→促進滑移孿生產(chǎn)生的塑性變形量?。ā芑谱冃瘟康?0％），但引起的晶格畸變大。第二篇工程材料的結構與性能控制第75頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁(二）、實際金屬（多晶）的塑性變形主要影響因素：晶界、晶粒和位向（A）晶界：

ⅰ.滑移的主要障礙：原子混亂排列區(qū)，較不規(guī)則→缺陷、雜質集中?；撇荒軓囊粋€晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中去。ⅱ.協(xié)調變形：晶界自身變形→以維持相鄰晶粒變形保持連續(xù)。位錯塞積——位錯運動到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。第二篇工程材料的結構與性能控制第76頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（B）晶粒ⅰ.Hall-Pitch關系：σs=σ0+Kyd-1/2ⅱ.細晶強化：晶粒細化→強度提高、塑性提高、韌性提高，硬度晶粒小→晶界面積大→變形抗力大→強度大晶粒小→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晶強化是金屬的一種非常重要的強韌化手段！第二篇工程材料的結構與性能控制第77頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁二、塑性變形對金屬組織與性能的影響(一）冷塑性變形對金屬組織性能的影響第二篇工程材料的結構與性能控制第78頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁１．晶粒形貌及結構變化

晶粒拉長，纖維組織→各同異性a.纖維組織（組織）b.亞結構形成（晶內結構變化）形變↑→位錯密度↑（１０６→

１０１１-１２）→位錯纏結→胞壁→亞晶鋼的纖維組織（變形度80%第二篇工程材料的結構與性能控制第79頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一滑移中晶體的轉動滑移面轉向與外加應力方向一致滑移方向轉向與最大分切應力方向一致第80頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁２．織構——擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向——變形量足夠大時，原來處于不同位向的晶粒在空間位向上會呈現(xiàn)出一定程度的一致。

形變織構——金屬塑性變形到很大程度（70%）時，由于晶粒發(fā)生轉動，使各晶粒的位向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結構叫做形變織構。有害：“制耳”現(xiàn)象有利：硅鋼片：電機、變壓器鐵芯第81頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁３.加工硬化（形變硬化）（冷作硬化）（性能）加工硬化——金屬在冷態(tài)下進行塑性變形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌性下降第82頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁加工硬化機理1）一種重要的強化手段，對不能用熱處理方法強化的合金尤其重要；2）冷加工成形得以順利進行；3）金屬具有較好的變形強化能力，具有防止短時超載斷裂能力，保證構件安全性；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→位錯移動→位錯大量增殖→相互作用→運動阻力加大→變形抗力↑→彈度↑、硬度↑、塑性、韌性↓位錯強化：位錯密度↑→強度、硬度↑意義第83頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁4．殘余內應力（性能）第一類內應力——宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內應力——微觀，晶粒間或晶內不同區(qū)域變形不均；第三類內應力——超微觀，晶?；儯?gt;90%）?！コ饬髿埩粲谇移胶庥诮饘賰炔康膽Α５?4頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁重點掌握1.

金屬的塑性變形及其本質；單晶體的塑性變形(滑移、孿生的概念以及孿生與滑移的區(qū)別)；２.多晶體的塑性變形(晶界的作用、晶粒位向差的的影響)；細晶強化；多晶體塑性變形的特點；3.

冷塑性變形對金屬組織、性能的影響：加工硬化的概念、實際意義；形變強化；殘余內應力；織構。(二）金屬在加熱的條件下的塑性變形：第85頁，共94頁，2023年，2月20日，星期一結束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁基本要求（1）熟悉金屬塑性變形（以滑移為主）的特點及其微觀機制；（2）掌握實際金屬（多晶）的塑性變形特點；（3）了解塑性變形對金屬組織與性能的影響，重點掌握加工硬化的定義、