第1章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、 a)離子鍵離子鍵 b)共價(jià)鍵共價(jià)鍵 c)金屬鍵金屬鍵 d)分子鍵分子鍵 圖圖 1.1 原子結(jié)合鍵的類型原子結(jié)合鍵的類型 離子鍵有較強(qiáng)的結(jié)合力，因此離子化合物的熔離子鍵有較強(qiáng)的結(jié)合力，因此離子化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度很高，熱膨脹系數(shù)很小。大部點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度很高，熱膨脹系數(shù)很小。大部分鹽類、堿類和金屬氧化物多數(shù)以離子鍵方式分鹽類、堿類和金屬氧化物多數(shù)以離子鍵方式結(jié)合，部分陶瓷材料結(jié)合，部分陶瓷材料(MgO、Al2O3、ZrO2等等)及鋼中的一些非金屬夾雜物也以此方式結(jié)合。及鋼中的一些非金屬夾雜物也以此方式結(jié)合。共價(jià)鍵結(jié)合極為牢固，共價(jià)晶體共價(jià)鍵結(jié)合極為牢固，共價(jià)晶體(如金剛?cè)缃饎偸?具有高的熔

2、點(diǎn)、硬度和強(qiáng)度。由于全具有高的熔點(diǎn)、硬度和強(qiáng)度。由于全部外層電子束縛于共價(jià)鍵，所以它們不部外層電子束縛于共價(jià)鍵，所以它們不是導(dǎo)體是導(dǎo)體(金剛石是絕緣體，硅、鍺是半導(dǎo)金剛石是絕緣體，硅、鍺是半導(dǎo)體體)。 用金屬鍵可以粗略地解釋用金屬鍵可以粗略地解釋金屬的一般特性：金屬的一般特性： 良好的導(dǎo)電性；良好的導(dǎo)電性； 良好的導(dǎo)熱性；良好的導(dǎo)熱性； 正的電阻溫度系數(shù)；正的電阻溫度系數(shù)； 良好的塑性；良好的塑性； 不透明性，而吸收了能量不透明性，而吸收了能量被激發(fā)的電子回到基態(tài)時(shí)被激發(fā)的電子回到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生輻射，使金屬具有光產(chǎn)生輻射，使金屬具有光澤。澤。金屬鍵模型 由于分子鍵很弱，故結(jié)合成的晶體具有低熔點(diǎn)、由

3、于分子鍵很弱，故結(jié)合成的晶體具有低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)、低硬度、易壓縮等性質(zhì)。例如，石墨低沸點(diǎn)、低硬度、易壓縮等性質(zhì)。例如，石墨的各原子層之間為分子鍵結(jié)合，從而易于分層的各原子層之間為分子鍵結(jié)合，從而易于分層剝離，強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零，是剝離，強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零，是良好的潤(rùn)滑劑。塑料、橡膠等高分子材料中的良好的潤(rùn)滑劑。塑料、橡膠等高分子材料中的鏈與鏈間的結(jié)合力為范德華力，故它們的硬度鏈與鏈間的結(jié)合力為范德華力，故它們的硬度比金屬低，耐熱性差，不具有導(dǎo)電能力。比金屬低，耐熱性差，不具有導(dǎo)電能力。 表 四大類工程材料的原子間結(jié)合鍵及其性能特點(diǎn)種類結(jié)合鍵熔點(diǎn)彈性模量強(qiáng)度硬度塑性 韌性導(dǎo)

4、電性導(dǎo)熱性耐熱性耐蝕性其他性能金屬材料金屬鍵為主較高較高較高良好(鑄鐵等脆性材料除外)良好較高一般密度大，不透明，有金屬光澤高分子材料分子內(nèi)共價(jià)鍵，分子間分子鍵較低低較低變化大絕緣，導(dǎo)熱不良較低高密度小，熱膨脹系數(shù)大，抗蠕變性能低，易老化，減摩性好陶瓷材料離子鍵或共價(jià)鍵為主高高抗壓強(qiáng)度與硬度高，抗拉強(qiáng)度低絕緣，導(dǎo)熱不良高高耐磨性好，硬性高，抗熱振熱性差復(fù)合材料取決于 組成物的結(jié)合鍵能克服單一材料的某些弱點(diǎn)，充分發(fā)揮材料的綜合性能1.概念概念 2.常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)3. 3. 晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常數(shù)晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常

5、數(shù) 根據(jù)晶胞的幾何形狀或自身的對(duì)稱性，可把根據(jù)晶胞的幾何形狀或自身的對(duì)稱性，可把晶體結(jié)構(gòu)分為七大晶系十四種晶格。約有晶體結(jié)構(gòu)分為七大晶系十四種晶格。約有90%以以上的金屬晶體都具有以下三種晶格形式。上的金屬晶體都具有以下三種晶格形式。 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=c原子半徑：原子半徑：r =每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：(1/8)8+1=2致密度：致密度：K=0.68配位數(shù)：配位數(shù)：8屬于體心立方晶格的金屬有：屬于體心立方晶格的金屬有：-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、-Ti、Na、K等。等。 a43晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=c原子半徑：原子半徑：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：(

6、1/8)8+(1/2)6=4致密度：致密度：K=0.74配位數(shù)：配位數(shù)：12屬于體心立方晶格的金屬有：屬于體心立方晶格的金屬有：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、-Co等。等。ar42 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：c/a1.633 原子半徑：原子半徑：1/2a 每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：(1/6)12+(1/2)2+3=6 致密度：致密度：K=0.74 配位數(shù)：配位數(shù)：12 屬于體心立方晶格的金屬有：屬于體心立方晶格的金屬有：Be、Mg、Zn、Cd、-Co、-Ti等。等。 晶面和晶向的表達(dá)分別采用晶面指數(shù)晶面和晶向的表達(dá)分別采用晶面指數(shù)(hkl)和晶向指數(shù)和晶向指數(shù)uvw的形式的形

7、式(hkluvw為整數(shù)為整數(shù))。晶面族。晶面族hkl和晶向族和晶向族。 由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一晶體單晶體的不同晶面和晶向上各種性能也會(huì)而在同一晶體單晶體的不同晶面和晶向上各種性能也會(huì)不同，這種現(xiàn)象就稱為各向異性。不同，這種現(xiàn)象就稱為各向異性。 晶面指數(shù)的確定方法確立坐標(biāo)系確立坐標(biāo)系以晶格常數(shù)為度量單以晶格常數(shù)為度量單位，求待定晶面在三位，求待定晶面在三坐標(biāo)軸上的截距；坐標(biāo)軸上的截距；求截距的倒數(shù)并最小求截距的倒數(shù)并最小整數(shù)化；整數(shù)化；寫在括號(hào)內(nèi)即得到晶寫在括號(hào)內(nèi)即得到晶面指數(shù)面指數(shù)(hkl)晶向指數(shù)的確定方法確立

8、坐標(biāo)系，以晶格確立坐標(biāo)系，以晶格常數(shù)為度量單位；常數(shù)為度量單位；過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)作一平行過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)作一平行于待求晶向的直線；于待求晶向的直線；求出直線上任一結(jié)點(diǎn)求出直線上任一結(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)值，并最小空間坐標(biāo)值，并最小整數(shù)化；整數(shù)化；寫在方括號(hào)內(nèi)即得到寫在方括號(hào)內(nèi)即得到晶面指數(shù)晶面指數(shù)uvw1單晶體與多晶體單晶體與多晶體 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷2 2晶體缺陷晶體缺陷 線缺陷線缺陷 -(-(位錯(cuò)位錯(cuò)) ) 面缺陷面缺陷 結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為單晶體。其中所有的晶胞均結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為單晶體。其中所有的晶胞均呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。此外，它還有較呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。此外，它還有

9、較高的強(qiáng)度、抗蝕性、導(dǎo)電性和其他特性。高的強(qiáng)度、抗蝕性、導(dǎo)電性和其他特性。 實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)都包含著許多小晶體，晶格相同而位向不實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)都包含著許多小晶體，晶格相同而位向不同。這種由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。不顯示各同。這種由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。不顯示各向異性。（概念：晶粒、晶界）向異性。（概念：晶粒、晶界） 多晶體晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關(guān)，在常溫多晶體晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關(guān)，在常溫下，晶粒愈小，材料的強(qiáng)度愈高，塑性、韌性就愈好。下，晶粒愈小，材料的強(qiáng)度愈高，塑性、韌性就愈好。 a)單晶體單晶體 b)多晶體多晶體 包括空位、間隙原子、置換原子等。

10、包括空位、間隙原子、置換原子等。 點(diǎn)缺陷的形成，主要是由于原子在各自平衡位子上做點(diǎn)缺陷的形成，主要是由于原子在各自平衡位子上做不停的熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果?？瘴缓烷g隙原子的數(shù)目隨著溫不停的熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。空位和間隙原子的數(shù)目隨著溫度的升高而增加。此外，其他加工和處理，如塑性加度的升高而增加。此外，其他加工和處理，如塑性加工、離子轟擊等，也會(huì)增加點(diǎn)缺陷。工、離子轟擊等，也會(huì)增加點(diǎn)缺陷。 點(diǎn)缺陷造成晶格畸變，使材料的強(qiáng)度、硬度和電阻率點(diǎn)缺陷造成晶格畸變，使材料的強(qiáng)度、硬度和電阻率增加以及其他力學(xué)、物理、化學(xué)性能的改變。增加以及其他力學(xué)、物理、化學(xué)性能的改變。 a）空位）空位 b)置換原子置換原子 c)間隙原子

11、間隙原子 分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。 a)a)示意圖示意圖 b)b)平面示意圖平面示意圖 圖圖1.91.9刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 位錯(cuò)的出現(xiàn)使位錯(cuò)線周圍造成晶格畸變，畸變程度隨離位錯(cuò)的出現(xiàn)使位錯(cuò)線周圍造成晶格畸變，畸變程度隨離位錯(cuò)線的距離增大而逐漸減小直至為零。嚴(yán)重晶格畸變位錯(cuò)線的距離增大而逐漸減小直至為零。嚴(yán)重晶格畸變的范圍約為幾個(gè)原子間距。的范圍約為幾個(gè)原子間距。 隨著位錯(cuò)密度的增高，材料的強(qiáng)度將會(huì)顯著增加，所以提高位錯(cuò)密度是金屬?gòu)?qiáng)化的重要途徑之一。 圖圖1.10材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度與位錯(cuò)密度與位錯(cuò)密度的關(guān)系的關(guān)系 最常見(jiàn)的是晶界和亞晶界。 （1）在腐蝕介質(zhì)中，晶界處較晶內(nèi)易腐

12、蝕。）在腐蝕介質(zhì)中，晶界處較晶內(nèi)易腐蝕。 （2）晶界面上的原子擴(kuò)散速度較晶內(nèi)的原子擴(kuò)散速度快。）晶界面上的原子擴(kuò)散速度較晶內(nèi)的原子擴(kuò)散速度快。 （3)晶界附近硬度高，晶界對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用。晶界附近硬度高，晶界對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用。 （4）當(dāng)金屬內(nèi)部發(fā)生相變時(shí)，晶界處是首先形核的地方。）當(dāng)金屬內(nèi)部發(fā)生相變時(shí)，晶界處是首先形核的地方。圖圖1.11晶界晶界 圖圖1.12實(shí)際金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)晶界具有以下特點(diǎn)： 在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，上述晶體缺陷并不是靜止在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，上述晶體缺陷并不是靜止不變的，而是隨著一定的溫度和加工過(guò)程等各不變的，而是隨著一定的溫度和加工過(guò)程等

13、各種條件的改變而不斷變化的。晶體缺陷對(duì)金屬種條件的改變而不斷變化的。晶體缺陷對(duì)金屬的許多性能有很大的影響，特別對(duì)金屬的塑性的許多性能有很大的影響，特別對(duì)金屬的塑性變形、固態(tài)相變以及擴(kuò)散等過(guò)程都起者重要的變形、固態(tài)相變以及擴(kuò)散等過(guò)程都起者重要的作用。作用。工程材料的性能包括使用性能和工藝性能。工程材料的性能包括使用性能和工藝性能。u工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能u工程材料的物理性能工程材料的物理性能 u工程材料的化學(xué)性能工程材料的化學(xué)性能 u工程材料的工藝性能工程材料的工藝性能 強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性塑性、 硬度硬度、沖擊韌性沖擊韌性斷裂韌性斷裂韌性、耐磨耐磨性性、粘彈性粘彈性載荷的形式載荷的形式

14、載荷的形式載荷的形式 是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力。是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力。 不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。e e稱為彈性極限。稱為彈性極限。 在彈性變形范圍內(nèi)，在彈性變形范圍內(nèi)，=E=E，常數(shù)，常數(shù)E E稱為彈性模量，在工稱為彈性模量，在工程上亦叫剛度，它主要決定于材料本身，與合金化、熱處程上亦叫剛度，它主要決定于材料本身，與合金化、熱處理、冷熱加工等關(guān)系不大。理、冷熱加工等關(guān)系不大。 s s(0.2 0.2 ) ) 是表示材料抵是表示材料抵 抗微量塑性變形的能力?？刮⒘克苄宰冃蔚哪芰Α?b b s s與與b b的比值叫做屈強(qiáng)比的比

15、值叫做屈強(qiáng)比 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī) 最常用的是疲勞強(qiáng)度，它是指在大小和方向重復(fù)循環(huán)最常用的是疲勞強(qiáng)度，它是指在大小和方向重復(fù)循環(huán)變化的載荷作用下材料抵抗斷裂的能力。變化的載荷作用下材料抵抗斷裂的能力。 材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下不致斷裂的最大應(yīng)力就材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下不致斷裂的最大應(yīng)力就是疲勞強(qiáng)度，用是疲勞強(qiáng)度，用-1表示，單位為表示，單位為MPa。 在交變載荷作用下，即使交變應(yīng)力小于在交變載荷作用下，即使交變應(yīng)力小于s，材料經(jīng)較，材料經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的工作也會(huì)發(fā)生失效長(zhǎng)時(shí)間的工作也會(huì)發(fā)生失效(斷裂斷裂)， 通常是突然斷裂，這種通常是突然斷裂，這種 現(xiàn)象稱為疲勞?，F(xiàn)象稱為疲勞。 圖圖:幾種材料

16、實(shí)測(cè)疲勞曲線幾種材料實(shí)測(cè)疲勞曲線1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂金屬材料在高于一定溫度長(zhǎng)時(shí)間的工作，承受金屬材料在高于一定溫度長(zhǎng)時(shí)間的工作，承受的應(yīng)力即使低于屈服點(diǎn)的應(yīng)力即使低于屈服點(diǎn)s，也會(huì)出現(xiàn)緩慢塑性，也會(huì)出現(xiàn)緩慢塑性變形，這就是所謂的變形，這就是所謂的“蠕變?nèi)渥儭?。材料的高溫。材料的高溫強(qiáng)度要用蠕變極限和持久強(qiáng)度來(lái)表示。強(qiáng)度要用蠕變極限和持久強(qiáng)度來(lái)表示。 蠕變極限是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)蠕變極限是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。例如產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。例如 持久強(qiáng)度是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，持久強(qiáng)度是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)

17、，使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。例如使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。例如 MPa886001000/1 . 0MPa186800100視頻視頻: :世界貿(mào)易中心大樓倒塌世界貿(mào)易中心大樓倒塌 在9.11恐怖事件中，美國(guó)引以為傲的紐約世界貿(mào)易中心大樓完全倒塌?？植婪肿咏俪值目蜋C(jī)撞擊大樓中上部，為何會(huì)造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會(huì)垂直塌落而不何會(huì)垂直塌落而不是傾倒？倒？ 這里可能部分牽涉到材料在高溫下的力學(xué)性能問(wèn)題。這里可能部分牽涉到材料在高溫下的力學(xué)性能問(wèn)題。材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性大小用伸長(zhǎng)斷裂的性能稱為塑性。塑性大小用伸長(zhǎng)率率和斷面收縮率和斷

18、面收縮率來(lái)表示。來(lái)表示。、愈大，愈大，表示材料的塑性愈好。表示材料的塑性愈好。 %100001LLL%100010AAA 拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為，直徑為10mm，經(jīng)，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來(lái)測(cè)量，若最后拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來(lái)測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？ 解：解： =（71-50）/50 x100%=42% A0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) A1=3.14x(4.9/2)2=18

19、.85(mm2) =(A0-A1)/A0 x100%=24% 某工廠買回一批材料（要求：某工廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；23%；50%）做短試樣（）做短試樣（L0=50；0=10mm）拉伸試）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm;問(wèn)買回的材料合格嗎？問(wèn)買回的材料合格嗎？ 解：解： 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下： sFsA(19x1000)/(3.14x52 )=242230MPa b FbA(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5410MPa L L0 x100% (6

20、3.1-50)/50 x100%=26.2%23% AA0 x100% 60.31% 50% 材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。 硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力，硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力，常用的硬度有布氏硬度常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度HR和維氏硬度和維氏硬度HV。 圖圖1.23布氏硬度試驗(yàn)原理圖布氏硬度試驗(yàn)原理圖 圖圖1.24洛氏硬度測(cè)定洛氏硬度測(cè)定 圖圖1.25維氏硬度測(cè)試原理維氏硬度測(cè)試原理 洛氏硬度測(cè)洛氏硬度測(cè)維氏硬度測(cè)維氏硬度測(cè) 材料抵抗沖擊載荷的能力，即材料的沖擊性能。通常材料抵抗沖

21、擊載荷的能力，即材料的沖擊性能。通常多用沖擊韌度多用沖擊韌度K或沖擊功或沖擊功AK來(lái)表示。來(lái)表示。 可用一次性擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定可用一次性擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定 。 AK=G(Hh ) J J/cm2 0AAKK 當(dāng)溫度下降至某一個(gè)溫度當(dāng)溫度下降至某一個(gè)溫度TK 時(shí)，時(shí)，AK值會(huì)急劇減小，使值會(huì)急劇減小，使材料呈脆性狀態(tài)，出現(xiàn)冷脆。材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧铣蚀嘈誀顟B(tài)，出現(xiàn)冷脆。材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度脆性狀態(tài)的溫度TK為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。 抵抗次數(shù)很少的大能量沖擊載荷作用，其沖擊抗力主要決定于K值。而沖擊能量不大時(shí)，材料承受多次沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。 圖1.27

22、 兩種鋼的溫度一沖擊功關(guān)系曲線 實(shí)際使用的材料中不可避免地存在著裂紋。斷實(shí)際使用的材料中不可避免地存在著裂紋。斷裂是由裂紋的形成和擴(kuò)展引起的。裂是由裂紋的形成和擴(kuò)展引起的。斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，只要裂紋很尖銳，尖端前沿?cái)嗔蚜W(xué)的觀點(diǎn)，只要裂紋很尖銳，尖端前沿各點(diǎn)的應(yīng)力隨外加應(yīng)力的增大而按相應(yīng)比例增各點(diǎn)的應(yīng)力隨外加應(yīng)力的增大而按相應(yīng)比例增大，這個(gè)比例系數(shù)稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子大，這個(gè)比例系數(shù)稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子K1，其表，其表達(dá)式為：達(dá)式為：當(dāng)當(dāng)K1達(dá)到某臨界值時(shí)，裂紋突然失穩(wěn)而快速擴(kuò)達(dá)到某臨界值時(shí)，裂紋突然失穩(wěn)而快速擴(kuò)展，發(fā)生瞬間脆斷。這一臨界值稱為材料的斷展，發(fā)生瞬間脆斷。這一臨界值稱為材料的斷裂韌性，用裂

23、韌性，用K1C表示，它反映了材料抵抗裂紋擴(kuò)表示，它反映了材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。展的能力。 MPam1/2 aYK1耐磨性是在一定工作條件下材料抵抗磨損的能耐磨性是在一定工作條件下材料抵抗磨損的能力。耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。力。耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。 相對(duì)耐磨性是指兩種材料相對(duì)耐磨性是指兩種材料A與與B在相同的磨損在相同的磨損條件下磨損量的比值。條件下磨損量的比值。 絕對(duì)耐磨性絕對(duì)耐磨性(或簡(jiǎn)稱耐磨性或簡(jiǎn)稱耐磨性)通常用磨損量或磨通常用磨損量或磨損率的倒數(shù)表示。損率的倒數(shù)表示。耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模量的影響

24、。在大多數(shù)情況下，材料的硬度愈大量的影響。在大多數(shù)情況下，材料的硬度愈大則耐磨性就愈好。則耐磨性就愈好。 粘彈性系指材料在外力作用下，產(chǎn)生的變形隨時(shí)間呈粘彈性系指材料在外力作用下，產(chǎn)生的變形隨時(shí)間呈線性增加，而當(dāng)外力去除后，剩余應(yīng)變隨時(shí)間不斷松線性增加，而當(dāng)外力去除后，剩余應(yīng)變隨時(shí)間不斷松弛的特性，如圖弛的特性，如圖1.31所示。粘彈性的具體表現(xiàn)有蠕變、所示。粘彈性的具體表現(xiàn)有蠕變、應(yīng)力松弛、滯后與內(nèi)耗等。應(yīng)力松弛、滯后與內(nèi)耗等。 圖1.3l應(yīng)變隨時(shí)間的變化 晶體的結(jié)晶晶體的結(jié)晶 1、 結(jié)晶概念結(jié)晶概念 非晶體的凝固非晶體的凝固 2、金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程3、影響形核和長(zhǎng)大的因素影響形核

25、和長(zhǎng)大的因素4、晶粒大小及控制晶粒大小及控制 5、金屬鑄錠和焊縫的組織金屬鑄錠和焊縫的組織 概念：結(jié)晶、過(guò)冷度概念：結(jié)晶、過(guò)冷度圖圖2.1液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的示意圖液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的示意圖圖圖1.13 金屬在聚集狀態(tài)時(shí)自由金屬在聚集狀態(tài)時(shí)自由 能與溫度的關(guān)系示意圖能與溫度的關(guān)系示意圖圖圖1.14 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線過(guò)冷度不是恒定值，其大小取決于液態(tài)金屬的冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度。同一液態(tài)金屬，冷卻速度愈大，過(guò)冷度也愈大。非晶固態(tài)可以看作粘滯系數(shù)很大的非晶固態(tài)可以看作粘滯系數(shù)很大的“熔體熔體”。所以，非晶體的凝固是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐所以，非晶體的凝固是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐漸完成的。漸完成的。

26、 非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)。非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)。圖圖 熔體、晶體、非晶體的能量關(guān)系熔體、晶體、非晶體的能量關(guān)系 形核與長(zhǎng)大的過(guò)程。形核與長(zhǎng)大的過(guò)程。 形核包括自發(fā)形核和非自發(fā)形核。形核包括自發(fā)形核和非自發(fā)形核。圖圖1.15 純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖晶核的長(zhǎng)大方式：枝晶成長(zhǎng)。冷卻度越大，晶體的枝晶成長(zhǎng)越明顯。圖圖1.16枝晶示意圖枝晶示意圖 圖圖 : 銻金屬鑄錠表面的樹(shù)枝狀晶體銻金屬鑄錠表面的樹(shù)枝狀晶體晶粒大小與形核率晶粒大小與形核率N（晶核數(shù)（晶核數(shù)/(scm3)）和）和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G（cms）有關(guān)有關(guān) 。影響形核率和長(zhǎng)大速影響形核率和長(zhǎng)大速 度的重要因素是冷卻度的重要因素是冷卻

27、速度速度(或過(guò)冷度或過(guò)冷度)和難熔和難熔雜質(zhì)雜質(zhì) 。圖圖1.17 過(guò)冷度與晶體形核率、過(guò)冷度與晶體形核率、 長(zhǎng)大速度的關(guān)系長(zhǎng)大速度的關(guān)系(1)晶粒度的概念晶粒度的概念(晶粒大小的量度晶粒大小的量度)影響晶粒度的主要因素是形核率影響晶粒度的主要因素是形核率 N 和長(zhǎng)大速度和長(zhǎng)大速度G。 晶粒愈小，則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性愈好。晶粒愈小，則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性愈好。 (2)晶粒大小的控制晶粒大小的控制1)增大過(guò)冷度增大過(guò)冷度過(guò)冷度愈大，比值過(guò)冷度愈大，比值NG也愈大，晶粒就愈細(xì)。也愈大，晶粒就愈細(xì)。2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理向液態(tài)金屬中加入某些變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善向液態(tài)金屬中加入某些變質(zhì)劑，以細(xì)

28、化晶粒和改善組織，達(dá)到提高材料性能的目的。組織，達(dá)到提高材料性能的目的。 同種晶體材料中，不同類型晶體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變稱為同同種晶體材料中，不同類型晶體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 遵循生核與長(zhǎng)大的基本規(guī)律。遵循生核與長(zhǎng)大的基本規(guī)律。 FeFeFe 9121394 圖圖1.18純鐵的冷卻曲線和晶格變化純鐵的冷卻曲線和晶格變化把化學(xué)成分相同，而組成原子排列成不把化學(xué)成分相同，而組成原子排列成不同的分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同分異構(gòu)。同的分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同分異構(gòu)。同分異構(gòu)分為兩種，一種是結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，同分異構(gòu)分為兩種，一種是結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，另一種是立體異構(gòu)體。另一種是立體異構(gòu)體。 (1)表層細(xì)晶

29、粒層表層細(xì)晶粒層(2)柱狀晶粒層柱狀晶粒層 (3)心部等軸晶區(qū)心部等軸晶區(qū)(4)低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū)低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū) 圖圖1.19 鋼錠鋼錠(件件)典型組織的示意圖典型組織的示意圖l一表面細(xì)晶粒層；一表面細(xì)晶粒層；2一柱狀晶粒層；一柱狀晶粒層；3一心部等軸晶粒區(qū)一心部等軸晶粒區(qū)4低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū)低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū)4柱狀晶區(qū)結(jié)晶后顯微縮孔少，組織較致密。柱狀晶區(qū)結(jié)晶后顯微縮孔少，組織較致密。 兩個(gè)不同方向的柱狀晶交界面處，由于常有雜兩個(gè)不同方向的柱狀晶交界面處，由于常有雜質(zhì)聚集而形成弱面。質(zhì)聚集而形成弱面。 柱狀晶區(qū)的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶柱狀晶區(qū)的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向的性能較高。晶軸方向的

30、性能較高。 等軸晶由于各個(gè)晶粒在長(zhǎng)大時(shí)彼此交叉，不存等軸晶由于各個(gè)晶粒在長(zhǎng)大時(shí)彼此交叉，不存在明顯的脆弱區(qū)，鑄件的性能沒(méi)有方向性。在明顯的脆弱區(qū)，鑄件的性能沒(méi)有方向性。 焊縫中熔合金屬冷卻速度快，傳熱方向不同，其冷卻結(jié)晶的組織與鑄焊縫中熔合金屬冷卻速度快，傳熱方向不同，其冷卻結(jié)晶的組織與鑄錠的結(jié)晶組織不同。焊縫金屬冷卻結(jié)晶后，包括下述組織。錠的結(jié)晶組織不同。焊縫金屬冷卻結(jié)晶后，包括下述組織。 (1)柱狀晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū) 焊縫熔合金屬冷卻時(shí)散熱很快，金屬晶粒來(lái)不及向旁邊長(zhǎng)大，形成了焊縫熔合金屬冷卻時(shí)散熱很快，金屬晶粒來(lái)不及向旁邊長(zhǎng)大，形成了柱狀粒。柱狀粒。 (2)低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū)低熔點(diǎn)雜質(zhì)區(qū) 對(duì)于成

31、型系數(shù)對(duì)于成型系數(shù)(B/H)小的焊縫，散熱方向基本與母材金屬相平行小的焊縫，散熱方向基本與母材金屬相平行(散熱散熱方向?qū)嶋H與焊縫金屬熔合線相垂直方向?qū)嶋H與焊縫金屬熔合線相垂直)，故焊縫熔合金屬的晶粒與母材平行，故焊縫熔合金屬的晶粒與母材平行成長(zhǎng)，最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)雜質(zhì)處于焊縫中心處，這樣會(huì)減弱焊接接頭的強(qiáng)成長(zhǎng)，最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)雜質(zhì)處于焊縫中心處，這樣會(huì)減弱焊接接頭的強(qiáng)度。對(duì)成型系數(shù)較大的焊縫，由于散熱方向不同，焊縫金屬的晶柱成長(zhǎng)方度。對(duì)成型系數(shù)較大的焊縫，由于散熱方向不同，焊縫金屬的晶柱成長(zhǎng)方向與水平方向有傾斜，見(jiàn)圖向與水平方向有傾斜，見(jiàn)圖1.20(b)。低熔點(diǎn)雜質(zhì)最后結(jié)晶，處于焊縫上。低熔點(diǎn)雜

32、質(zhì)最后結(jié)晶，處于焊縫上部，這樣可以改善由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)最后結(jié)晶對(duì)焊接接頭性能的影響。部，這樣可以改善由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)最后結(jié)晶對(duì)焊接接頭性能的影響。一、一、金屬的變形與斷裂金屬的變形與斷裂二、二、單晶體金屬的變形單晶體金屬的變形三、三、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形四、四、金屬的恢復(fù)與再結(jié)晶金屬的恢復(fù)與再結(jié)晶金屬的斷裂有兩種：金屬的斷裂有兩種：斷裂時(shí)有明顯塑性變斷裂時(shí)有明顯塑性變形，斷裂的晶粒被拉形，斷裂的晶粒被拉長(zhǎng)成細(xì)條，斷口呈纖長(zhǎng)成細(xì)條，斷口呈纖維狀，灰暗無(wú)光，維狀，灰暗無(wú)光，-韌性斷裂韌性斷裂。斷裂時(shí)無(wú)明顯塑性變斷裂時(shí)無(wú)明顯塑性變形，斷口比較平坦，形，斷口比較平坦，閃耀光澤，閃耀光澤

33、，-脆性脆性斷裂斷裂。脆性斷裂可沿。脆性斷裂可沿晶界發(fā)生（晶間斷晶界發(fā)生（晶間斷裂），也可穿過(guò)晶界裂），也可穿過(guò)晶界發(fā)生（穿晶斷裂），發(fā)生（穿晶斷裂），金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過(guò)塑金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過(guò)塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。性加工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。常用金屬的常用金屬的塑性塑性和和變形抗力變形抗力來(lái)綜合衡量。來(lái)綜合衡量。金屬的塑性常用截面收縮率金屬的塑性常用截面收縮率、延伸率、延伸率和沖和沖擊韌度擊韌度 A k等指標(biāo)來(lái)表示。等指標(biāo)來(lái)表示。 變形抗力系指在變形過(guò)程中金屬抵抗外力的能變形抗力系指在變形過(guò)程中金屬抵抗外力的能力。力。 滑移滑移孿生孿生單晶體受

34、剪應(yīng)力作用單晶體受剪應(yīng)力作用滑移面轉(zhuǎn)向與拉伸軸平行；滑移面轉(zhuǎn)向與拉伸軸平行；滑移方向趨于與最大切應(yīng)力方向一致?；品较蜈呌谂c最大切應(yīng)力方向一致。金屬晶體的滑移遵循一定的規(guī)律 表表1.2 1.2 常見(jiàn)金屬晶格中的主要滑移系常見(jiàn)金屬晶格中的主要滑移系圖圖1 .21 1 .21 晶面間距示意圖晶面間距示意圖（1）只能在剪應(yīng)力的作用下才能發(fā)生。）只能在剪應(yīng)力的作用下才能發(fā)生。（2）滑移總在晶格中最密的晶面或晶向發(fā)）滑移總在晶格中最密的晶面或晶向發(fā)生。生。（3）位移為原子間距的整數(shù)倍。）位移為原子間距的整數(shù)倍。（4）滑移的同時(shí)伴有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。）滑移的同時(shí)伴有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。孿生變形是在切應(yīng)力孿生變形是在切應(yīng)

35、力作用下，晶體的一部作用下，晶體的一部分對(duì)應(yīng)于一定的晶面分對(duì)應(yīng)于一定的晶面(孿晶面孿晶面)沿一定方向沿一定方向進(jìn)行的相對(duì)移動(dòng)。進(jìn)行的相對(duì)移動(dòng)。 孿生變形與滑移變形的區(qū)別如下：孿生變形與滑移變形的區(qū)別如下： (1)滑移僅在晶體表面形成滑滑移僅在晶體表面形成滑移臺(tái)階，晶體的內(nèi)部晶格不發(fā)生移臺(tái)階，晶體的內(nèi)部晶格不發(fā)生變化。孿生使晶體的一部分發(fā)生變化。孿生使晶體的一部分發(fā)生切變，切變處的晶格方位發(fā)生變切變，切變處的晶格方位發(fā)生變化，與未變形部分形成對(duì)稱。化，與未變形部分形成對(duì)稱。 (2)孿生變形所需要的臨界應(yīng)力孿生變形所需要的臨界應(yīng)力比滑移變形所需要的臨界應(yīng)力大比滑移變形所需要的臨界應(yīng)力大得多，且變形

36、的速度極快得多，且變形的速度極快(接近接近聲速聲速)。 (3)孿生變形時(shí)，每層原子沿孿孿生變形時(shí)，每層原子沿孿生方向的位移都是原子間距的分生方向的位移都是原子間距的分?jǐn)?shù)倍；而滑移變形時(shí)，一部分晶數(shù)倍；而滑移變形時(shí)，一部分晶體相對(duì)另一部分晶體沿滑移方向體相對(duì)另一部分晶體沿滑移方向的位移為原子間距的整數(shù)倍。的位移為原子間距的整數(shù)倍。多晶體金屬的塑性變形晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＨ∠驅(qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢Ы鐚?duì)塑性變形的影響晶界對(duì)塑性變形的影響1. 1. 加工硬化加工硬化 2. 2. 織構(gòu)現(xiàn)象織構(gòu)現(xiàn)象3. 3. 塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 “軟位向軟位向”、“硬位向硬位向” 由于各個(gè)晶

37、粒取向不同，一方面使塑性變形表現(xiàn)出很由于各個(gè)晶粒取向不同，一方面使塑性變形表現(xiàn)出很大的不均勻性，另一方面也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。大的不均勻性，另一方面也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。 圖：多晶體塑性變形示意圖圖：多晶體塑性變形示意圖在相同的外力作用下，多晶體金屬的塑性在相同的外力作用下，多晶體金屬的塑性變形量一般比相同成分單晶體金屬的塑性變形量一般比相同成分單晶體金屬的塑性變形量小。變形量小。 圖：圖： 多晶體和單晶體鋅的拉伸曲線多晶體和單晶體鋅的拉伸曲線 A多晶體鋅；多晶體鋅；B單晶體鋅單晶體鋅 細(xì)化晶粒在提高金屬?gòu)?qiáng)度的同時(shí)也改善了金屬材料的韌性。細(xì)化晶粒在提高金屬?gòu)?qiáng)度的同時(shí)也改善了金屬材料的韌性。 圖：圖： 純鐵的強(qiáng)度與其晶粒直徑的關(guān)系純鐵的強(qiáng)度與其