第2章金屬學(xué)基礎(chǔ)

1、第二章第二章 金屬學(xué)基礎(chǔ)金屬學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 金屬的晶體結(jié)構(gòu)，金屬的結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)，金屬的結(jié)晶。學(xué)習(xí)本章的具體要求：學(xué)習(xí)本章的具體要求： 掌握掌握常見晶體結(jié)構(gòu)及實際晶體的缺陷常見晶體結(jié)構(gòu)及實際晶體的缺陷。 了解晶粒細化措施，再結(jié)晶、加工硬化等概念。了解晶粒細化措施，再結(jié)晶、加工硬化等概念。第二章第二章 金屬學(xué)基礎(chǔ)金屬學(xué)基礎(chǔ)硅表面原子排列 碳表面原子排列 n第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n金屬的性能是由其組織結(jié)構(gòu)決定的，其中結(jié)構(gòu)指的就是晶體結(jié)構(gòu)。金屬的晶體結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部原子的排列方式，因為金屬是晶體，所以稱為晶體結(jié)構(gòu)。第二章第二章 金屬學(xué)基礎(chǔ)金屬學(xué)基礎(chǔ)一一、晶體

2、與非晶體、晶體與非晶體金屬晶體模型金屬晶體模型 非晶體非晶體一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體晶體與非晶體的主要區(qū)別在于原子內(nèi)部排列方式晶體與非晶體的主要區(qū)別在于原子內(nèi)部排列方式的不同。的不同。1 1、晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。、晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。長程有序，各向異性。長程有序，各向異性。2 2、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。長、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。長程無序，各向同性。程無序，各向同性。3 3、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)

3、都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無機化合物和有金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無機化合物和有機化合物，甚至植物纖維都是晶體。機化合物，甚至植物纖維都是晶體。晶體與非晶體的性能區(qū)別晶體與非晶體的性能區(qū)別n有些晶體具有有些晶體具有規(guī)則的多面體規(guī)則的多面體外形，如水晶；外形，如水晶；有些則沒有規(guī)有些則沒有規(guī)則整齊的外形，則整齊的外形，如金屬。如金屬。n 晶體有固定的晶體有固定的熔點，而非晶熔點，而非晶體則沒有。體則沒有。晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)變晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)變1.玻璃經(jīng)長時間加熱能變?yōu)榫B(tài)玻璃；玻璃經(jīng)長時間加熱能變?yōu)榫B(tài)玻璃；2.金

4、屬從高溫液態(tài)急冷，可變?yōu)榉蔷B(tài)金屬；金屬從高溫液態(tài)急冷，可變?yōu)榉蔷B(tài)金屬；3.非晶態(tài)金屬具有高的強度與韌性等一系列突出非晶態(tài)金屬具有高的強度與韌性等一系列突出性能，近年來已為人們所重視。性能，近年來已為人們所重視。二、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格與晶胞：晶格與晶胞：n各種晶體物質(zhì)的內(nèi)部原子按一定的規(guī)律在空間各種晶體物質(zhì)的內(nèi)部原子按一定的規(guī)律在空間有規(guī)則地緊密堆積在一起，為了便于分析各種有規(guī)則地緊密堆積在一起，為了便于分析各種晶體原子中原子排列的規(guī)律，用假想的幾何線晶體原子中原子排列的規(guī)律，用假想的幾何線條將各原子的中心連接起來，使之構(gòu)成一個空條將各原子的中心連接起來，使之構(gòu)成一

5、個空間格子。這種用以間格子。這種用以描述原子在晶體中排列形式描述原子在晶體中排列形式的空間格子叫做的空間格子叫做“晶格晶格”。n晶胞：空間點陣中能代表原子排列規(guī)律的最小晶胞：空間點陣中能代表原子排列規(guī)律的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構(gòu)成空間點陣的最的幾何單元稱之為晶胞，是構(gòu)成空間點陣的最基本單元?；締卧?。二、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)選取原則：選取原則：1.1.能夠充分反映空間點陣的對稱性；能夠充分反映空間點陣的對稱性；2.2.相等的棱和角的數(shù)目最多；相等的棱和角的數(shù)目最多；3.3.具有盡可能多的直角；具有盡可能多的直角；4.4.體積最小。體積最小。晶格常數(shù)晶格常數(shù) 三個棱邊的

6、長度三個棱邊的長度a,b,ca,b,c及其夾角及其夾角,表示。晶體晶格晶胞典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征n在元素周期表一共約有在元素周期表一共約有110110種元素，其中種元素，其中8080多多種是金屬，占種是金屬，占2/32/3。而這。而這8080多種金屬的晶體結(jié)多種金屬的晶體結(jié)構(gòu)大多屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。它們分別是：構(gòu)大多屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。它們分別是： 1 1、體心立方晶格、體心立方晶格 2 2、面心立方晶格、面心立方晶格 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格體心立方晶格體心立方晶格原子排列方式原子排列方式： 體心立方晶格的晶胞中體心立方晶格的晶胞中, ,八個原子處

7、于立方體的角上八個原子處于立方體的角上, ,一一個原子處于立方體的中心個原子處于立方體的中心, , 角上八個原子與中心原子緊角上八個原子與中心原子緊靠?？俊?體心立方晶胞特征：晶格常數(shù)：體心立方晶胞特征：晶格常數(shù)：a=b=c, a=b=c, = = =90=90 常見金屬：具有體心立方晶格的金屬有：鉬常見金屬：具有體心立方晶格的金屬有：鉬( (Mo)Mo)、鎢鎢( (W)W)、釩釩( (V)V)、 - -鐵鐵( (-Fe, 912-Fe, 912) )等。等。 原子個數(shù)：原子個數(shù)：在體心立方晶胞中在體心立方晶胞中, , 每個角上的原子在晶格中每個角上的原子在晶格中同時屬于同時屬于8 8個相鄰的

8、晶胞個相鄰的晶胞, ,因而每個角上的原子屬于一個晶胞因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為僅為1/8, 1/8, 而中心的那個原子則完全屬于這個晶胞。所以而中心的那個原子則完全屬于這個晶胞。所以一一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為 2 2個。個。 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格n原子排列方式原子排列方式：金屬原子分布在立方體的八個角上和：金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。緊靠。n面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=c, a=b

9、=c, = = =90=90 常見金屬：具有這種晶格的金屬有：常見金屬：具有這種晶格的金屬有： 鋁鋁( (Al)Al)、銅銅( (Cu)Cu)、鎳鎳( (Ni)Ni)、金金( (Au)Au)、 銀銀( (Ag)Ag)、- - 鐵鐵( ( -Fe, 912Fe, 91213941394) )等。等。 原子個數(shù)：在面心立方晶格的晶胞中，八個頂角上原子個數(shù)：在面心立方晶格的晶胞中，八個頂角上各有一個原子，在立方體的每個面的中心還各有一個各有一個原子，在立方體的每個面的中心還各有一個原子，這個原子也同時屬于與該面相鄰的兩個晶胞，原子，這個原子也同時屬于與該面相鄰的兩個晶胞，因此，面心立方晶體的晶胞中原

10、子數(shù)為因此，面心立方晶體的晶胞中原子數(shù)為4 4個。個。面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格n原子排列方式原子排列方式：十二個金屬原子分布在六方體：十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上的十二個角上, , 在上下底面的中心各分布一個在上下底面的中心各分布一個原子原子, , 上下底面之間均勻分布三個原子。上下底面之間均勻分布三個原子。n密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長a a和兩底和兩底面之間的距離面之間的距離c c來表達來表達, , 兩相鄰側(cè)面之間的夾兩相鄰側(cè)面之間的夾角為角為120120, , 側(cè)面與底面之間的夾

11、角為側(cè)面與底面之間的夾角為9090。 常見金屬：常見金屬：具有這種晶格的金屬有鎂具有這種晶格的金屬有鎂( (Mg)Mg)、鎘鎘( (CdCd) )、鋅鋅( (Zn)Zn)、鈹鈹( (Be)Be)等。等。 原子原子個數(shù)：個數(shù)：晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：6 6密排六方晶格密排六方晶格 三、金屬的同素異三、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變晶轉(zhuǎn)變n某些金屬在固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)是不固定的，而是某些金屬在固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)是不固定的，而是隨著溫度、壓力等因素的變化而變化，如鐵、鈦隨著溫度、壓力等因素的變化而變化，如鐵、鈦等，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變，也稱為重結(jié)晶。等，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變，也稱為重結(jié)晶。n下面以鐵為例子來

12、說明同素異晶轉(zhuǎn)變：下面以鐵為例子來說明同素異晶轉(zhuǎn)變： -Fe-Fe-Fe-Fe-FeFen 體體心立方心立方 （912912） 面心立方面心立方 （14921492）體心立方）體心立方n金金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)，鋼能屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)，鋼能夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固態(tài)下發(fā)生夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固態(tài)下發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變。四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)n1 1、單晶體與多晶體、單晶體與多晶體n如果晶體中所有原子排列位向一如果晶體中所有原子排列位向一致，這個晶體稱為單晶體，也就致，這個晶體稱為單晶體，也就是說單晶體是由一個晶

13、粒組成的。是說單晶體是由一個晶粒組成的。單晶體只有通過特殊的方法才能單晶體只有通過特殊的方法才能制取，如在電子行業(yè)中廣泛使用制取，如在電子行業(yè)中廣泛使用的硅或鍺單晶體。實際金屬多是的硅或鍺單晶體。實際金屬多是由許多單晶體組成的多晶體，每由許多單晶體組成的多晶體，每一個單晶體稱為一個晶粒，其邊一個單晶體稱為一個晶粒，其邊界稱為晶界。界稱為晶界。n單晶體具有各向異性，而多晶體單晶體具有各向異性，而多晶體則具有各向同性。則具有各向同性。 多晶體示意圖 多晶體示意圖多晶體示意圖 四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 在晶體中，晶格的每一個結(jié)點上都有一個原子，其在晶體中，晶格的每一個結(jié)點上都有一

14、個原子，其它間隙處都沒有原子，原子排列規(guī)則整齊，這種晶它間隙處都沒有原子，原子排列規(guī)則整齊，這種晶體稱為理想晶體。但實際金屬晶體中的原子排列未體稱為理想晶體。但實際金屬晶體中的原子排列未必完全規(guī)則，在某些局部區(qū)域，原子排列甚至很不必完全規(guī)則，在某些局部區(qū)域，原子排列甚至很不規(guī)則。這些原子排列的規(guī)律性受到嚴重破壞的區(qū)域，規(guī)則。這些原子排列的規(guī)律性受到嚴重破壞的區(qū)域，稱之為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的許多性能有著稱之為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的許多性能有著極重要的影響，材料的燒結(jié)和固相的反應(yīng)以及金屬極重要的影響，材料的燒結(jié)和固相的反應(yīng)以及金屬的塑性變形等等都和晶體中缺陷的存在有關(guān)。的塑性變形等等都和

15、晶體中缺陷的存在有關(guān)。 根根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類： 點缺陷、線缺陷、面缺陷點缺陷、線缺陷、面缺陷 。四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1 1）點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。）點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。 主要有晶格空位、間隙原子和異類原子。主要有晶格空位、間隙原子和異類原子。n純金屬晶體中的點缺陷包括空位和自間隙原子，純金屬晶體中的點缺陷包括空位和自間隙原子，以及由它們組合而成的復(fù)雜形式。空位是晶體內(nèi)以及由它們組合而成的復(fù)雜形式?？瘴皇蔷w內(nèi)部原子遷移到界面后，在體內(nèi)留下的原子尺度的部

16、原子遷移到界面后，在體內(nèi)留下的原子尺度的空洞；自間隙原子是進入自身晶格間隙位置的原空洞；自間隙原子是進入自身晶格間隙位置的原子。子。n異類原子是指雜質(zhì)原子或合金元素的原子。異類異類原子是指雜質(zhì)原子或合金元素的原子。異類原子占據(jù)晶格結(jié)點時稱為置換原子。當(dāng)異類原子原子占據(jù)晶格結(jié)點時稱為置換原子。當(dāng)異類原子直徑很小時，常存在于晶格間隙中，這也稱為間直徑很小時，常存在于晶格間隙中，這也稱為間隙原子。隙原子。四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)點缺陷與材料行為：點缺陷與材料行為： （1 1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原

17、子可引起收縮縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）或膨脹。） （2 2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）減小。） 力學(xué)性能（屈服強度提高。）力學(xué)性能（屈服強度提高。）2）線缺陷線缺陷是在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸線缺陷是在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。位錯：晶體中某處一列或較大的缺陷。主要是位錯。位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。若干列原子有規(guī)律的錯排。 意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強度、意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的

18、擴散、相變過程斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。）有較大影響。） 位錯的基本類型（位錯的基本類型（A A）刃型位錯刃型位錯分類：正刃型位錯（分類：正刃型位錯（）；負刃型位錯（）；負刃型位錯（）。）。2 2）線缺陷）線缺陷螺螺型型位錯位錯 分分類：左螺型位錯；右螺型位錯。類：左螺型位錯；右螺型位錯。不銹鋼中的位錯線位錯的運動位錯的運動 位錯的易動性：原子的微小移動導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個原子間距的位錯的易動性：原子的微小移動導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個原子間距的位移。多個位錯的運動導(dǎo)致晶體的宏觀變形。位移。多個位錯的運動導(dǎo)致晶體的宏觀變形。 位錯運動的方式位錯運動的方式 a a 滑移：位錯沿

19、著滑移面的移動?；疲何诲e沿著滑移面的移動。 b b 攀移：刃型位錯在垂直于滑移面攀移：刃型位錯在垂直于滑移面 方向上的運動。方向上的運動。 3 3）面缺陷）面缺陷面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、亞晶界。上尺寸較大的缺陷。如晶界、亞晶界。（1 1）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。大角度晶界：晶粒位向差大于大角度晶界：晶粒位向差大于1010度的晶界度的晶界。其。其結(jié)構(gòu)為幾個原子結(jié)構(gòu)為幾個原子范圍內(nèi)的原的范圍內(nèi)的原的混亂混亂排列，可視為一個過渡區(qū)。排列，可視為

20、一個過渡區(qū)。小角度晶界：晶粒位向差小于小角度晶界：晶粒位向差小于1010度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯列，度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯列，又分為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。又分為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界：位向差小于亞晶界：位向差小于1 1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯結(jié)構(gòu)。度的亞晶粒之間的邊界。為位錯結(jié)構(gòu)。亞晶界亞晶界第二節(jié)第二節(jié) 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶n凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固。若凝固物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。金屬及其合金后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結(jié)晶。都是晶體，所以它們的凝固過程就

21、是結(jié)晶。n凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。n凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。n金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結(jié)晶過程。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結(jié)晶過程。一、一、 結(jié)晶的基本規(guī)律結(jié)晶的基本規(guī)律1 1 、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：長程有序而短程有序。結(jié)構(gòu)：長程有序而短程有序。 特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。位數(shù)較小、原子排列較混亂。n2 2 、過冷現(xiàn)象、過冷現(xiàn)象n （1 1）過冷：金）過冷：金屬

22、的實際結(jié)晶溫度屬的實際結(jié)晶溫度總是低于其理論結(jié)總是低于其理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。晶溫度的現(xiàn)象。n （2 2）過冷度：）過冷度：金屬材料的理論結(jié)金屬材料的理論結(jié)晶溫度晶溫度(Tm) (Tm) 與其與其實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度ToTo之之差差 T=Tm-To T=Tm-To n 注：過冷是結(jié)晶注：過冷是結(jié)晶的必要條件，結(jié)晶的必要條件，結(jié)晶過程總是在一定的過程總是在一定的過冷度下進行。過冷度下進行。 3 3、結(jié)晶過程、結(jié)晶過程n（1 1）結(jié)晶的基本過程：形核長大。（見示意圖）結(jié)晶的基本過程：形核長大。（見示意圖）n（2 2）描述結(jié)晶進程的兩個參數(shù)）描述結(jié)晶進程的兩個參數(shù)n 形核率：單位時間、單位體積液體

23、中形成的晶形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用核數(shù)量。用N N表示。表示。n 長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內(nèi)遷移的距離。用界面方向上單位時間內(nèi)遷移的距離。用G G表示。表示。二、晶核的形成和長大二、晶核的形成和長大n1、晶核的形成、晶核的形成1 1）自發(fā)形核）自發(fā)形核 從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。過程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。2 2）非自發(fā)形核）非自發(fā)形核 依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形

24、核，依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。 2 2、晶核的長大、晶核的長大1 1）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大。其表面向前平行推移的方式長大。2 2）樹枝狀長大。當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶）樹枝狀長大。當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負溫度體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負溫度梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大。梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大

25、。 金屬結(jié)晶示意圖金屬結(jié)晶示意圖三、鑄錠組織三、鑄錠組織n最典型的鑄造結(jié)構(gòu)，整最典型的鑄造結(jié)構(gòu)，整個鑄錠明顯地分為三個個鑄錠明顯地分為三個各具特征的晶區(qū)。各具特征的晶區(qū)。n1 1、表面細晶粒層、表面細晶粒層n2 2、中間柱狀晶粒層、中間柱狀晶粒層n3 3、中心等軸晶粒層（粗、中心等軸晶粒層（粗晶層）晶層）n表面細晶粒層比較致密，表面細晶粒層比較致密，力學(xué)性能好，但這一層力學(xué)性能好，但這一層很薄，只對某些薄壁鑄很薄，只對某些薄壁鑄件起一定作用。柱狀晶件起一定作用。柱狀晶粒區(qū)，在兩排相對生長粒區(qū)，在兩排相對生長的柱狀晶粒相遇的結(jié)合的柱狀晶粒相遇的結(jié)合面上存在脆弱區(qū)。在此面上存在脆弱區(qū)。在此區(qū)常有低

26、熔點雜質(zhì)和非區(qū)常有低熔點雜質(zhì)和非金屬夾雜物聚集，鍛壓金屬夾雜物聚集，鍛壓軋制時容易沿結(jié)合面裂軋制時容易沿結(jié)合面裂開。開。四、晶粒細化及措施四、晶粒細化及措施n金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。n在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化,是提高金屬機械性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。n細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施。n1、增加過冷度一定體積的液態(tài)金屬中,若形核率N(單位時間單位體積形成的晶核數(shù),個/m3s)越大,則結(jié)晶后的晶粒越多,晶粒就越細小;晶體長大速度G(單位時間晶體長大的長度,m/

27、s)越快,則晶粒越粗。四、晶粒細化及措施四、晶粒細化及措施n金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。n 在一般情況下在一般情況下, , 晶粒越小晶粒越小, , 則金屬的強度則金屬的強度, , 塑性和韌性塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化越好。工程上使晶粒細化, , 是提高金屬機械性能的重要途徑是提高金屬機械性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。之一。這種方法稱為細晶強化。n 細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施。細化鑄態(tài)金屬晶粒有以

28、下措施。n 1 1、增加過冷度、增加過冷度 一定體積的液態(tài)金屬中一定體積的液態(tài)金屬中, ,若形核率若形核率N N( (單位時間單位體單位時間單位體積形成的晶核數(shù)積形成的晶核數(shù), ,個個/ /m m3 3s)s)越大越大, , 則結(jié)晶后的晶粒越多則結(jié)晶后的晶粒越多, , 晶粒晶粒就越細小就越細小; ; 晶體長大速度晶體長大速度G(G(單位時間晶體長大的長度單位時間晶體長大的長度, , m/sm/s) )越快越快, , 則晶粒越粗。則晶粒越粗。n隨著過冷度的增加隨著過冷度的增加, , 形核速率和長大速形核速率和長大速度均會增大。但前度均會增大。但前者的增大更快，因者的增大更快，因而比值而比值N/G

29、N/G也增大也增大, , 結(jié)果使晶粒細化。結(jié)果使晶粒細化。n增大過冷度的主要增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度屬的冷卻速度, , 采采用冷卻能力較強的用冷卻能力較強的模子。例如采用金模子。例如采用金屬型鑄模屬型鑄模, , 比采用比采用砂型鑄模獲得的鑄砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細小。件晶粒要細小。n2. 2. 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 變質(zhì)處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以變質(zhì)處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善組織。例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、組織

30、。例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁等。釩、鋁等。n3. 3. 振動振動 在金屬結(jié)晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方在金屬結(jié)晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細小的晶粒。核心，獲得細小的晶粒。n 4. 4. 電磁攪拌電磁攪拌 將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細化晶粒。晶體

31、的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細化晶粒。第三節(jié)、金屬的塑性變形與再結(jié)晶第三節(jié)、金屬的塑性變形與再結(jié)晶n一、金屬的塑性變形一、金屬的塑性變形n1 1單晶體金屬的塑性變形單晶體金屬的塑性變形 工業(yè)上使用的金屬材料大多數(shù)是多晶體，它們工業(yè)上使用的金屬材料大多數(shù)是多晶體，它們的塑性變形過程比較復(fù)雜，為了說明塑性變形的基的塑性變形過程比較復(fù)雜，為了說明塑性變形的基本規(guī)律，有必要先了解單晶體的塑性變形。本規(guī)律，有必要先了解單晶體的塑性變形。 將一個表面經(jīng)過拋光的純鋅單晶體進行拉伸試將一個表面經(jīng)過拋光的純鋅單晶體進行拉伸試驗，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線驗，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線

32、條的痕跡，稱為滑移帶。條的痕跡，稱為滑移帶。 鋅單晶體拉伸試驗示意圖（a）變形前試樣 （b）變形后試樣n金屬塑性變形最基本的方式是滑移。所謂滑移，是指金屬塑性變形最基本的方式是滑移。所謂滑移，是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象?；谱冃尉哂幸韵绿攸c：生相對滑動位移的現(xiàn)象?；谱冃尉哂幸韵绿攸c：（1 1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生（2 2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生（3 3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間

33、距的整數(shù)倍倍 晶體滑移后，在其表面上出現(xiàn)滑移痕跡，通常稱晶體滑移后，在其表面上出現(xiàn)滑移痕跡，通常稱為滑移帶，如圖為滑移帶，如圖5-25-2所示。在電子顯微鏡下觀察還會發(fā)所示。在電子顯微鏡下觀察還會發(fā)現(xiàn)，任何一條滑移帶實際上都是由若干條滑移線組成現(xiàn)，任何一條滑移帶實際上都是由若干條滑移線組成的。的。n（4 4）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動。）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動?；茙Ш突葡档氖疽鈭D2 2滑移的機理滑移的機理n大量的理論和試驗研究的結(jié)果證明，滑大量的理論和試驗研究的結(jié)果證明，滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的。的。晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖晶

34、體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖3 3多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形n多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較并多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較并無本質(zhì)上的區(qū)別，即每個晶粒的塑性變無本質(zhì)上的區(qū)別，即每個晶粒的塑性變形仍然以滑移等方式進行。但由于晶界形仍然以滑移等方式進行。但由于晶界的存在和每個晶粒中晶格位向不同，故的存在和每個晶粒中晶格位向不同，故多晶體的塑性變形要比單晶體復(fù)雜得多。多晶體的塑性變形要比單晶體復(fù)雜得多。4 4合金的塑性變形與強化合金的塑性變形與強化n合金中由于含有合金元素而使其晶格發(fā)生合金中由于含有合金元素而使其晶格發(fā)生了畸變，因而也使它的性能發(fā)生顯著變化。了畸變，因而也使

35、它的性能發(fā)生顯著變化。根據(jù)合金的組織可將其分為單相固溶體和根據(jù)合金的組織可將其分為單相固溶體和多相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，多相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，合金元素對塑性變形的影響也不相同。合金元素對塑性變形的影響也不相同。二、塑性變形對組織和性能的影響二、塑性變形對組織和性能的影響n1 1塑性變形對金屬顯微組織的影響塑性變形對金屬顯微組織的影響 當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長成當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時，金纖維狀，晶界變得模糊不清。此時，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優(yōu)于橫向。塑性變形也會向的性

36、能明顯優(yōu)于橫向。塑性變形也會使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。破碎成亞晶粒。n2 2形變織構(gòu)的產(chǎn)生形變織構(gòu)的產(chǎn)生 當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)以后，多晶體金屬就表當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)以后，多晶體金屬就表現(xiàn)出一定程度的各向異性，這對材料的現(xiàn)出一定程度的各向異性，這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。性能和加工工藝有很大的影響。3 3塑性變形對金屬性能的影響塑性變形對金屬性能的影響 在塑性變形的過程中，隨著金屬內(nèi)在塑性變形的過程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、化。隨著變形程度的增加，金屬的強度

37、、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為象稱為“加工硬化加工硬化”或或“形變強化形變強化”。n4 4殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力又內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力又叫宏觀內(nèi)應(yīng)力，是由于金屬表層與心部叫宏觀內(nèi)應(yīng)力，是由于金屬表層與心部變形不一致造成的，所以存在于表層與變形不一致造成的，所以存在于表層與心部之間；第二類內(nèi)應(yīng)力又叫微觀內(nèi)應(yīng)心部之間；第二類內(nèi)應(yīng)力又叫微觀內(nèi)應(yīng)力，是由于晶粒之間變形不均勻造成的，力，是由于晶粒之間變形不均勻造成的，所以存在于晶粒與晶粒之間；第三類內(nèi)所以存在于晶粒與晶粒之間；第三類內(nèi)應(yīng)力又叫點陣畸變，是由于晶體缺陷增應(yīng)力

38、又叫點陣畸變，是由于晶體缺陷增加引起點陣畸變增大而造成的內(nèi)應(yīng)力，加引起點陣畸變增大而造成的內(nèi)應(yīng)力，所以存在于晶體缺陷中。所以存在于晶體缺陷中。三、加工硬化的意義三、加工硬化的意義n1 1、加工硬化可使金屬零件具有一定的抗、加工硬化可使金屬零件具有一定的抗偶然過載的能力，保證機械零件的安全。偶然過載的能力，保證機械零件的安全。n2 2、加工硬化是冷變形工件成型的重要因、加工硬化是冷變形工件成型的重要因素。通過加工硬化，使材料發(fā)生均勻的素。通過加工硬化，使材料發(fā)生均勻的塑性變形，從而獲得冷變形加工的金屬塑性變形，從而獲得冷變形加工的金屬制品，如沖壓件等。制品，如沖壓件等。n3 3、加工硬化是強化金

39、屬的重要手段。、加工硬化是強化金屬的重要手段。四、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化四、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化n金屬材料在冷變形加工以后，為了消除殘余應(yīng)力或恢金屬材料在冷變形加工以后，為了消除殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等），復(fù)其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等），一般要對金屬材料進行加熱處理。而加工硬化雖然使一般要對金屬材料進行加熱處理。而加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工（例塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工（例如深沖）帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退如深沖）帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退火處理，以使

40、其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。對冷火處理，以使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。對冷變形金屬加熱使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生變形金屬加熱使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大?；貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖n1 1回復(fù)回復(fù) 回復(fù)是指冷變形金屬加熱時，在光學(xué)顯微組織回復(fù)是指冷變形金屬加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。2 2再結(jié)晶再結(jié)晶冷變形金屬加熱到一定溫度之后

41、，在原來的變形組冷變形金屬加熱到一定溫度之后，在原來的變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)，這個過程稱明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)，這個過程稱為再結(jié)晶。純金屬：為再結(jié)晶。純金屬：T T再結(jié)晶（最低）再結(jié)晶（最低）=0.4T=0.4T熔點，熔點，合金：合金： T T再結(jié)晶（最低）再結(jié)晶（最低）= =（0.5-0.7)T0.5-0.7)T熔點，式中熔點，式中T T為絕對溫度。為絕對溫度。T0=273.15KT0=273.15K。n3 3晶粒長大晶粒長大冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細小冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細小均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，