CH2-工程材料的結(jié)構(gòu)第3-4-5講2011-3

1、1第第2 2章章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 2材料的結(jié)構(gòu)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。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)：對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)水平的認(rèn)識(shí)：宏觀、微觀宏觀、微觀。3What? “組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)”4相：相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開(kāi)的均勻組成部分。元素不一定單一。其它部分分開(kāi)的均勻組成部分。元素不一定單一。廣義的講廣義的講組織結(jié)構(gòu)包括了組織結(jié)構(gòu)包括了成分、相、組織、結(jié)構(gòu)成分、相、組織、結(jié)構(gòu)等概念。等概念。組織：組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌，用肉眼或顯微鏡觀察到的材料

2、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。小和分布方式的多種相組成。52.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織金屬的晶體結(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、性能的影響對(duì)金屬材料組織、性能的影響62.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織一、理想晶體一、理想晶體 1晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則、：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則、 周期性排列。周期性排列。非晶體非晶體：材料的

3、原子（離子、分子）無(wú)規(guī)則堆積，和液：材料的原子（離子、分子）無(wú)規(guī)則堆積，和液 體相似，亦稱(chēng)為體相似，亦稱(chēng)為“過(guò)冷液體過(guò)冷液體”或或“無(wú)定形體無(wú)定形體”。(a)、是否具有周期性、對(duì)稱(chēng)性；、是否具有周期性、對(duì)稱(chēng)性；(b)、是否長(zhǎng)程有序；、是否長(zhǎng)程有序；(c)、是否有確定的熔點(diǎn)；、是否有確定的熔點(diǎn)；(d)、是否各向異性。、是否各向異性。區(qū)區(qū) 別別72晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)的描述 a.理想晶體理想晶體實(shí)際晶體的理想化實(shí)際晶體的理想化p 三維空間無(wú)限延續(xù)，三維空間無(wú)限延續(xù)，無(wú)邊界無(wú)邊界；p 嚴(yán)格按周期性規(guī)劃排列，是嚴(yán)格按周期性規(guī)劃排列，是完整的、無(wú)缺陷完整的、無(wú)缺陷；p 原子在其平衡位置原子在其平衡位置

4、靜止不動(dòng)靜止不動(dòng)。 b. 理想晶體的晶體學(xué)抽象理想晶體的晶體學(xué)抽象（見(jiàn)下圖見(jiàn)下圖） 空間規(guī)則排列的空間規(guī)則排列的原子原子剛球剛球模型模型晶格晶格（剛球抽（剛球抽象為象為晶格晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架空間格架）晶胞晶胞（具有周期性（具有周期性最小組成單元）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。晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。8理想晶體的晶體學(xué)抽象示意理想晶體的晶體學(xué)抽象示意 93晶胞的描述晶胞的描述 晶體學(xué)參數(shù)：晶體學(xué)參數(shù)：a, b, c,晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a, b, c晶系晶系軸軸( (棱邊棱邊) )之間的夾角之間的夾角三斜晶系三斜晶系 單斜

5、晶系單斜晶系 斜方晶系斜方晶系 正方晶系正方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 cXZYOba七個(gè)晶系：七個(gè)晶系：10布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞11晶向晶向(crystal direction):(crystal direction): 在晶格中在晶格中, ,任意兩原子之間的連線所指的方向。任意兩原子之間的連線所指的方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù): : 用密勒用密勒(Miller)(Miller)指數(shù)對(duì)指數(shù)對(duì)晶格中某一原子排列在空間的位向進(jìn)晶格中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)定。行標(biāo)定。n確定方法確定方法:n設(shè)置坐標(biāo)設(shè)置坐標(biāo); ;n求投影坐標(biāo)求投影坐標(biāo); ;n取最小整數(shù)。取最小整數(shù)。1

6、2晶面晶面(crystal face):(crystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面稱(chēng)為晶面。一系列原子所構(gòu)成的平面稱(chēng)為晶面。n確定方法確定方法: n設(shè)置坐標(biāo)設(shè)置坐標(biāo); ;n求截距求截距; ;n取倒數(shù)。取倒數(shù)。晶面指數(shù)晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane ):用密勒用密勒(Miller)(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中指數(shù)對(duì)晶格中 某一晶某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。面進(jìn)行標(biāo)定。 134三種典型的金屬晶體晶胞三種典型的金屬晶體晶胞(圖圖) 屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、金屬有：堿金屬、難溶金屬（難溶金屬（V V、NbNb、TaT

7、a、CrCr、MoMo、W W）a-a-FeFe等等 屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬的有：屬的有：Al、貴重金、貴重金屬、屬、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不以及奧氏體不銹鋼等銹鋼等。 屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：金屬有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。等。體心立方晶胞體心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp14151、體心立方晶胞、體心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞晶胞 晶體學(xué)參數(shù)晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 BCC a

8、=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% 43a16晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。：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：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。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：體心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱(chēng)密排系數(shù)。有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱(chēng)密排系數(shù)。 致密度致密度=（晶胞中原子所占有的（晶胞中原子所占有

9、的體積體積/晶胞的體積）晶胞的體積）X100% 屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬（堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等等配位數(shù)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。：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。BCC為為8172、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube晶胞晶胞 晶體學(xué)參數(shù)晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 42a18FCC剛球模型剛球模型 屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：的

10、金屬有：Al、貴、貴重金屬、重金屬、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧以及奧氏體不銹鋼等。氏體不銹鋼等。193、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞晶胞 晶體學(xué)參數(shù)晶體學(xué)參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 20 屬于此類(lèi)結(jié)屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的金屬有：構(gòu)的金屬有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。等。HCP剛球模型剛球模型21BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞的重要參數(shù) 晶胞 晶體

11、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% 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% 22密排面與密排方向密排面與密排方向 110, 111, 底面底面, 底面上任底面上任 意相鄰原子的連線意相鄰原子的連線23二實(shí)際晶體二實(shí)際晶體 理想晶體理想晶體+晶體缺陷晶體缺陷實(shí)際晶體實(shí)際晶體 實(shí)際晶體實(shí)際晶體單晶體和多晶體單晶體和多晶體單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致各向異性多晶體多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成各向同性 晶

12、體缺陷：晶體缺陷：實(shí)際晶體中存在著偏離實(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（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分 。 a、 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 b、 線缺陷線缺陷（位錯(cuò)） c、 面缺陷面缺陷 單晶體單晶體多晶體多晶體24A、 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。 u空位空位 (vacancy ) ： 晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子 u置換原子置換原子(gap atom ) ： 晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù) u間隙原子間隙原子(substitutional atom ) ： 原子占據(jù)晶格間隙原子占據(jù)晶格間

13、隙 空位、間隙原子、置換原子示意圖空位、間隙原子、置換原子示意圖 空位空位25點(diǎn)缺陷導(dǎo)致晶格畸變點(diǎn)缺陷導(dǎo)致晶格畸變置換原子置換原子引起的晶格畸變引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變26B B、 線缺陷線缺陷( line defect ) 位錯(cuò)位錯(cuò)( dislocation ) ： 二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排。二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排。 u刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)( screw dislocation ) u螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) ( blade dislocation )27c、 面缺陷面缺陷( surface-defect ) 一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排

14、區(qū)域。一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。 晶界晶界( grain boundary ) :晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界亞晶界( sub-boundary ):相鄰晶粒位向很小相鄰晶粒位向很小( (一般一般1 12 2) )的小角度晶界。的小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面與內(nèi)部不同。表面與內(nèi)部不同。 區(qū)域：區(qū)域：大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界2829 Cu-Ni 合金中的亞結(jié)構(gòu)合金中的亞結(jié)構(gòu)30三、晶體中的擴(kuò)散三、晶體中的擴(kuò)散 擴(kuò)散擴(kuò)散原子在晶體中移動(dòng)距離超過(guò)其平均原原子在晶體中移動(dòng)距離超過(guò)其平均原子間距的遷移現(xiàn)象

15、。子間距的遷移現(xiàn)象。 1、概念、概念擴(kuò)散熱激活過(guò)程（以克服晶格約束）312影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素(1) 溫度溫度 使原子能量提高使原子能量提高 （最主要因素）（最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s), Q擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能(2) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 致密度小致密度小克服的能壘小克服的能壘小擴(kuò)散容易擴(kuò)散容易(3) 表面及晶體缺陷表面及晶體缺陷 晶格畸變晶格畸變高能態(tài)原子高能態(tài)原子激活能小激活能小(體擴(kuò)散的體擴(kuò)散的0.6-0.7)擴(kuò)散快擴(kuò)散快100-1000倍倍uDo，Q與溫度無(wú)關(guān)，決定于晶體的成分和結(jié)構(gòu)；u溫度提高10-15度，D提高一倍。32四、純

16、金屬的結(jié)晶及其組織四、純金屬的結(jié)晶及其組織 1結(jié)晶與凝固的區(qū)別結(jié)晶與凝固的區(qū)別 凝固凝固：LS S可以是非晶可以是非晶結(jié)晶結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過(guò)渡為另：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。 一次結(jié)晶：一次結(jié)晶：LS晶態(tài)晶態(tài) 二次結(jié)晶：二次結(jié)晶：SS晶態(tài)晶態(tài)LiquidSolid332結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力F0，而不是過(guò)冷度，而不是過(guò)冷度T 自然界的自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是自然界的自發(fā)過(guò)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)能體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能U，其中可以對(duì)外，其中可

17、以對(duì)外做功或向外釋放的能量叫做功或向外釋放的能量叫自由能自由能F，F(xiàn)=U-TS（熵）（熵）過(guò)冷度：過(guò)冷度： T=Tm-Tn , F用來(lái)克服界面能用來(lái)克服界面能Tma 當(dāng)溫度當(dāng)溫度TTm時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sFL, 液相穩(wěn)定液相穩(wěn)定b 當(dāng)溫度當(dāng)溫度TTm時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sL+初初-L+初初+（ c+ e)- 初初+（ c+ e)- + II+（ +） 亞共晶合金組織亞共晶合金組織 6263相組成物相組成物：， 室溫下室溫下：組織相對(duì)量組織相對(duì)量： 在共晶溫度時(shí)在共晶溫度時(shí)： 室溫下室溫下： 初初-+ II 64L=M+fg65合金合金IV：（：（ 過(guò)共晶合金）過(guò)共晶合金）-作業(yè)作業(yè) 組織標(biāo)注相圖組織標(biāo)注相圖 I

18、VIIII(+ )相（%）組織（%）66四、合金性能與相圖的關(guān)系四、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、合金的使用性能與相圖的關(guān)系67p 溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素晶格畸變大晶格畸變大強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度，（，（50%最大）最大）p 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)平均值。均值。HB=HBa a * a a% + HB*%p 對(duì)組織較敏感的性能對(duì)組織較敏感的性能強(qiáng)度，與組成相或組織組成物的強(qiáng)度，與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大

19、關(guān)系。組成相或形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高（共晶點(diǎn)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)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)度可達(dá)最高值最高值。）。）682、合金的工藝性能、合金的工藝性能 69na. 鑄造性能鑄造性能液態(tài)合金的流動(dòng)性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的液態(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，傾向性等。液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小結(jié)晶溫度范圍愈小合合金的流動(dòng)性好金的流動(dòng)性好有利于澆注有利于澆注。 液固相線距離大液固相線距離大枝晶偏析傾向愈大，合金流動(dòng)性枝晶偏析傾向愈大，合金流動(dòng)性也愈差，形成分散

20、縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，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所以鑄造合金的成分常取共晶成分共晶成分和和接近共晶成分接近共晶成分或或選選擇結(jié)晶溫度間隙最小擇結(jié)晶溫度間隙最小的成分。的成分。n b.鍛造、軋制性能鍛造、軋制性能u單相固溶體合金單相固溶體合金u單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開(kāi)裂，塑性好單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開(kāi)裂，塑性好702.3 塑性變形和回復(fù)、再結(jié)晶塑性變形和回復(fù)、再結(jié)晶對(duì)金屬材料組織、性能的影響對(duì)金屬材料組織、性能的影響71靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(低碳鋼 )簡(jiǎn)單回顧簡(jiǎn)單回顧四階段四階段 72一一 、金屬材料的塑性變

21、形、金屬材料的塑性變形 變形變形是工程材料在外力作用下會(huì)發(fā)生的最基本的是工程材料在外力作用下會(huì)發(fā)生的最基本的失效失效方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種。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。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：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，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；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：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塑性變形是金屬材料的一種重要加工成

22、形方法，在材料加工過(guò)程中，人們希望它易于加工變形。法，在材料加工過(guò)程中，人們希望它易于加工變形。 73(一一)、單晶體的塑性變形、單晶體的塑性變形 單晶體變形規(guī)律：滑移晶體學(xué)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。多晶的變形是各個(gè)晶粒的變形的總和。（A A）塑性變形方式）塑性變形方式：滑移：滑移. 塑性變形方式塑性變形方式滑移滑移和和孿生孿生 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)。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)。74要點(diǎn)要點(diǎn)1：滑移變

23、形的起因外力：滑移變形的起因外力P在滑移面上的分解在滑移面上的分解正應(yīng)力正應(yīng)力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)原子間結(jié)合力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)原子間結(jié)合力時(shí)，使將時(shí)，使將晶體拉斷；晶體拉斷；切應(yīng)力切應(yīng)力 ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過(guò)滑移抗力時(shí)引起：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過(guò)滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。相對(duì)滑動(dòng)。75滑移就是晶體滑移面兩側(cè)部分或滑移就是晶體滑移面兩側(cè)部分或整體整體的相對(duì)移動(dòng)（剛性移動(dòng)）。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（晶面（滑移面滑移

24、面）上的一定方向（）上的一定方向（滑移方向滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)?；泼婊泼孀畲笞畲竺芘琶婷芘琶婊品较蚧品较蜃畲笞畲竺芘啪蛎芘啪蛞c(diǎn)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：滑移變形如何進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的位置與方向76位錯(cuò)位錯(cuò)滑移滑移塑性變形塑性變形 切應(yīng)力作用下，晶體中的位錯(cuò)沿著滑移面逐步移動(dòng)，最切應(yīng)力作用下，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。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）大量位錯(cuò)（原子距）移出晶體移出晶體滑移線滑移線（1000原原子距）子距）滑移帶滑移帶要點(diǎn)要點(diǎn)3：滑移變形的

25、本質(zhì)位錯(cuò)機(jī)制：滑移變形的本質(zhì)位錯(cuò)機(jī)制77晶體的滑移是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而晶體的滑移是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對(duì)移動(dòng)。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)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）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(guò)程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)

26、行！自然過(guò)程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！78滑移系滑移系：滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向 金屬三種常見(jiàn)晶格的滑移系金屬三種常見(jiàn)晶格的滑移系要點(diǎn)要點(diǎn)4：不同金屬的滑移變形特征：不同金屬的滑移變形特征79Why? 體心立方（體心立方（-Fe）和面心立方金屬（）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滑移系數(shù)目相同，但面心立方金屬的塑性變形能力更好力更好?80滑移系數(shù)目滑移系數(shù)目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，材料塑性。 （滑移方向的作用大于滑移面的作用滑移方向的作用大于滑移面的作用）FCC和和BCC的滑移系為的滑移系為

27、12個(gè)，個(gè)，HCP為為3個(gè)；個(gè)；FCC的滑移方向（的滑移方向（3個(gè)）多于個(gè)）多于BCC （2個(gè)）個(gè)） 。金屬塑性：金屬塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP） 81晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶晶體的一部分相對(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。向（孿生方向）發(fā)生切變。金屬晶體中變形部分與未變形部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(chēng)關(guān)系。分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱(chēng)為孿生帶或?qū)\晶。部分）稱(chēng)為孿生帶或?qū)\晶。（B B）塑性變形方式）塑性變形方式 ：孿生：孿生WhyWhy發(fā)生孿生變

28、形？何種情況下發(fā)生？發(fā)生孿生變形？何種情況下發(fā)生？特點(diǎn)：1.1. 均勻切變，切變部分位向改變，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。原子移動(dòng)的距離是不相等的。2.2. 臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力滑移分切應(yīng)力；滑移分切應(yīng)力；3.3. 形變量很?。恍巫兞亢苄。?.4. 形變速度快，接近聲速。形變速度快，接近聲速。82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)（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。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。金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生

29、。. HCP金屬較容易發(fā)生孿生。金屬較容易發(fā)生孿生。83(C(C）滑移和孿生的異同）滑移和孿生的異同1. 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)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；行，產(chǎn)生塑性變形；2. 孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生難進(jìn)行時(shí)發(fā)生 ；3. 滑移滑移原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)值原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)值不引起不引起晶格位向的變化；孿生晶格位向的變化；孿生原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值的分?jǐn)?shù)值孿生晶格位向改

30、變孿生晶格位向改變促進(jìn)滑移促進(jìn)滑移 ；4. 孿生產(chǎn)生的塑性變形量?。▽\生產(chǎn)生的塑性變形量?。ɑ谱冃瘟康幕谱冃瘟康?0），）， 但引但引起的晶格畸變大。起的晶格畸變大。84（二）、實(shí)際金屬（多晶）的塑性變形（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：）晶界： .滑移的主要障礙滑移的主要障礙：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)塞積位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來(lái)。受到晶界阻礙而堆積起來(lái)。85（B B）晶粒）晶粒

31、. Hall-Pitch . Hall-Pitch關(guān)系：關(guān)系：s=0+Kyd-1/2 . .細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化強(qiáng)度、硬度提高、塑性、韌性也強(qiáng)度、硬度提高、塑性、韌性也提高，原因？提高，原因？ 晶粒小晶粒小晶界面積大晶界面積大變形抗力大變形抗力大強(qiáng)度大強(qiáng)度大 晶粒小晶粒小單位體積晶粒多單位體積晶粒多變形分散變形分散相鄰晶粒不同滑相鄰晶粒不同滑移系相互協(xié)調(diào)移系相互協(xié)調(diào) 晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂紋的傳播不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大斷裂前承受較大的塑性變形的塑性變形細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段！細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段！86二、二、塑性變形對(duì)金屬

32、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（一）、冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響87晶粒形貌及結(jié)構(gòu)變化晶粒形貌及結(jié)構(gòu)變化 晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織各同異性各同異性a.a.纖維組織（組織）纖維組織（組織）b. b. 亞結(jié)構(gòu)形成（晶內(nèi)結(jié)構(gòu)變化）亞結(jié)構(gòu)形成（晶內(nèi)結(jié)構(gòu)變化） 形變形變位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度（ - -）位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié)胞壁胞壁亞晶亞晶鋼的纖維組織（變形度鋼的纖維組織（變形度80%88織構(gòu)織構(gòu)擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向變形量足夠大時(shí)，原來(lái)處于不同位向的晶粒在空變形量足夠大時(shí)，原來(lái)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。間位向上會(huì)呈現(xiàn)出一

33、定程度的一致。 形變織構(gòu)形變織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度（金屬塑性變形到很大程度（70%）時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)）時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使各晶粒的位向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)動(dòng)，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(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。構(gòu)叫做形變織構(gòu)。有害：有害：“制耳制耳”現(xiàn)象現(xiàn)象有利：硅鋼片：電機(jī)、變壓器鐵芯有利：硅鋼片：電機(jī)、變壓器鐵芯89. . 加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化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

34、下降。強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。90加工硬化機(jī)理：加工硬化機(jī)理：1 1）一種重要的強(qiáng)化手段，對(duì)不能用熱處理方法）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；強(qiáng)化的合金尤其重要；2 2）冷加工成形得以順利進(jìn)行；）冷加工成形得以順利進(jìn)行；3 3）金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短）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；時(shí)超載斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；4 4）塑性，塑性，切削性能；切削性能；不利：塑性變形困難不利：塑性變形困難中間退火中間退火消除消除塑性變形塑性變形位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)大量增殖位錯(cuò)大量增殖相互作用相互作用運(yùn)動(dòng)阻力運(yùn)動(dòng)阻力加大加大

35、變形抗力變形抗力強(qiáng)度強(qiáng)度、硬度、硬度、塑性、塑性 、韌性、韌性位錯(cuò)強(qiáng)化：位錯(cuò)密度位錯(cuò)強(qiáng)化：位錯(cuò)密度強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度意義意義914 4殘余內(nèi)應(yīng)力（性能）殘余內(nèi)應(yīng)力（性能）第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶粒畸變（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。去除外力后殘留于且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。921、塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化、塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 （

36、二）、金屬在加熱條件下的塑性變形（二）、金屬在加熱條件下的塑性變形932、回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大、回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大 1 1）回復(fù)）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)度和硬度略有降低降低，強(qiáng)度和硬度略有降低去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火。 驅(qū)動(dòng)力：金屬變形儲(chǔ)存能（晶格畸變能）驅(qū)動(dòng)力：金屬變形儲(chǔ)存能（晶格畸變能）942 2）再結(jié)晶）再結(jié)晶1）新的形核一長(zhǎng)大過(guò)程，無(wú)新相生成，加工硬化消除，力學(xué)性能）新的形核一長(zhǎng)大過(guò)程，無(wú)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。等軸

37、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)晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝 再結(jié)晶溫度：純金屬：再結(jié)晶溫度：純金屬： TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：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）驅(qū)動(dòng)力：金屬變形儲(chǔ)存能（晶格畸變能）95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。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 3）晶粒長(zhǎng)大）晶粒長(zhǎng)大96影響再結(jié)晶晶粒度的因素影響再結(jié)晶晶粒度的因素 溫度溫度TD晶界遷移晶界遷移晶粒度長(zhǎng)大晶粒度長(zhǎng)大預(yù)變形度預(yù)變形度97 TR以上加工，不引起加工硬化以上加工，不引起加工硬

38、化提高金屬致密度、提高金屬致密度、消除枝晶偏析，打碎柱狀晶、樹(shù)枝晶、流線分布等。消除枝晶偏析，打碎柱狀晶、樹(shù)枝晶、流線分布等。 3 3、熱加工對(duì)金屬組織性能的影響、熱加工對(duì)金屬組織性能的影響98塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 變形類(lèi)型變形類(lèi)型 工藝方法工藝方法 組織變化組織變化 性能變化性能變化 冷變形冷變形 加工加工 冷軋、拉拔、冷軋、拉拔、冷擠壓、冷擠壓、冷沖壓、冷沖壓、冷鐓等冷鐓等 晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)，形成冷加工晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)，形成冷加工纖維組織纖維組織 趨于各向異性趨于各向異性 晶粒破碎，形成亞結(jié)構(gòu)，晶粒破碎，形成亞結(jié)構(gòu)， 位錯(cuò)密度增加位錯(cuò)密度增加 強(qiáng)度提高，塑性下降，強(qiáng)度提高，塑性下降，造成造成 加工硬化，密度下降加工硬化，密度下降 冷拉、冷軋冷拉、冷軋等等 晶粒位向趨于一致，形成晶粒位向趨于一致，形成 形變織構(gòu)形變織構(gòu) 趨于各向異性趨于各向異性 熱變形熱變形 加工加工 自由鍛、模自由鍛、模鍛、鍛、 熱軋、熱擠熱軋、熱擠壓等壓等 焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松等缺陷等缺陷 力學(xué)性能提高，密度力學(xué)性能提高，密度提高提高 擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳化物，