第1章金属的晶体结构PPT讲稿.ppt

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1、第第1 1章金属的晶体结构章金属的晶体结构第1页，共79页，编辑于2022年，星期一 a)离子键离子键 b)共价键共价键 c)金属键金属键 d)分子键分子键 图图 1.1 原子结合键的类型原子结合键的类型 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用下一节下一节第2页，共79页，编辑于2022年，星期一离子键有较强的结合力，因此离子化合物的熔离子键有较强的结合力，因此离子化合物的熔点、沸点、硬度很高，热膨胀系数很小。大部点、沸点、硬度很高，热膨胀系数很小。大部分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式结合，部分陶瓷材料结合，部分陶瓷材料(MgO、A

2、l2O3、ZrO2等等)及及钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。第3页，共79页，编辑于2022年，星期一共价键结合极为牢固，共价晶体共价键结合极为牢固，共价晶体(如金刚如金刚石石)具有高的熔点、硬度和强度。由于全具有高的熔点、硬度和强度。由于全部外层电子束缚于共价键，所以它们不部外层电子束缚于共价键，所以它们不是导体是导体(金刚石是绝缘体，硅、锗是半导金刚石是绝缘体，硅、锗是半导体体)。第4页，共79页，编辑于2022年，星期一用金属键可以粗略地解释金属的用金属键可以粗略地解释金属的一般特性：一般特性：良好的导电性；良好的导电性；良好的导热性；良好的导

3、热性；正的电阻温度系数；正的电阻温度系数；良好的塑性；良好的塑性；不透明性，而吸收了能量被激不透明性，而吸收了能量被激发的电子回到基态时产生辐射，发的电子回到基态时产生辐射，使金属具有光泽。使金属具有光泽。金属键模型第5页，共79页，编辑于2022年，星期一 由由于于分分子子键键很很弱弱，故故结结合合成成的的晶晶体体具具有有低低熔熔点点、低低沸沸点点、低低硬硬度度、易易压压缩缩等等性性质质。例例如如，石石墨墨的的各各原原子子层层之之间间为为分分子子键键结结合合，从从而而易易于于分分层层剥剥离离，强强度度、塑塑性性和和韧韧性性极极低低，接接近近于于零零，是是良良好好的的润润滑滑剂剂。塑塑料料、橡

4、橡胶胶等等高高分分子子材材料料中中的的链链与与链链间间的的结结合合力力为为范范德德华华力力，故它们的硬度比金属低，耐热性差，不具有导电能力。故它们的硬度比金属低，耐热性差，不具有导电能力。第6页，共79页，编辑于2022年，星期一表 四大类工程材料的原子间结合键及其性能特点种类结合键熔点弹性模量强度硬度塑性 韧性导电性导热性耐热性耐蚀性其他性能金属材料金属键为主较高较高较高良好(铸铁等脆性材料除外)良好较高一般密度大，不透明，有金属光泽高分子材料分子内共价键，分子间分子键较低低较低变化大绝缘，导热不良较低高密度小，热膨胀系数大，抗蠕变性能低，易老化，减摩性好陶瓷材料离子键或共价键为主高高抗压强

5、度与硬度高，抗拉强度低绝缘，导热不良高高耐磨性好，硬性高，抗热振热性差复合材料取决于 组成物的结合键能克服单一材料的某些弱点，充分发挥材料的综合性能第7页，共79页，编辑于2022年，星期一1.1 1.1 金属晶体金属晶体下一节下一节1.概念概念 2.常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构3.3.晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法第8页，共79页，编辑于2022年，星期一晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常数晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常数概念概念第9页，共79页，编辑于2022年，星期一 根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系十四种晶格

6、。约有晶体结构分为七大晶系十四种晶格。约有90%以以上的金属晶体都具有以下三种晶格形式。上的金属晶体都具有以下三种晶格形式。(1)(1)体心立方晶格体心立方晶格 (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常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构第10页，共79页，编辑于2022年，星期一晶格常数：晶格常数：a=b=c原子半径：原子半径：r=每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(1/8)8+1=2致密度：致密度：K=0.68配位数：配位数：8属于体心立方晶格的金属有：属于体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、-Ti、Na、K等。等。返回返回第11页，

7、共79页，编辑于2022年，星期一晶格常数：晶格常数：a=b=c原子半径：原子半径：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(1/8)8+(1/2)6=4致密度：致密度：K=0.74配位数：配位数：12属属于于体体心心立立方方晶晶格格的的金金属属有有：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、-Co等。等。返回返回第12页，共79页，编辑于2022年，星期一晶格常数：晶格常数：c/a1.633原子半径：原子半径：1/2a每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：(1/6)12+(1/2)2+3=6致密度：致密度：K=0.74配位数：配位数：12属于体心立方晶格的金属有：属于体心立方晶格的金属有：Be、

8、Mg、Zn、Cd、-Co、-Ti等。等。返回返回第13页，共79页，编辑于2022年，星期一晶面和晶向的表达分别采用晶面指数晶面和晶向的表达分别采用晶面指数(hkl)和晶向指数和晶向指数uvw的的形式形式(hkluvw为整数为整数)。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，因而在同一晶由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一晶体单晶体的不同晶面和晶向上各种性能也会不同，这种现象就称为体单晶体的不同晶面和晶向上各种性能也会不同，这种现象就称为各向异性。各向异性。晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法第14页，共79页，编辑于2022年

9、，星期一晶面指数的确定方法晶面指数的确定方法确立坐标系确立坐标系以晶格常数为度量单以晶格常数为度量单位，求待定晶面在三位，求待定晶面在三坐标轴上的截距；坐标轴上的截距；求截距的倒数并最小求截距的倒数并最小整数化；整数化；写在括号内即得到晶写在括号内即得到晶面指数面指数(hkl)第15页，共79页，编辑于2022年，星期一晶向指数的确定方法确立坐标系，以晶格确立坐标系，以晶格常数为度量单位；常数为度量单位；过坐标原点作一平行过坐标原点作一平行于待求晶向的直线；于待求晶向的直线；求出直线上任一结点求出直线上任一结点空间坐标值，并最小空间坐标值，并最小整数化；整数化；写在方括号内即得到写在方括号内即

10、得到晶面指数晶面指数uvw第16页，共79页，编辑于2022年，星期一1单晶体与多晶体单晶体与多晶体 点缺陷点缺陷2 2晶体缺陷晶体缺陷 线缺陷线缺陷 -(-(位错位错)面缺陷面缺陷1.21.2金属的实际结构金属的实际结构下一节下一节第17页，共79页，编辑于2022年，星期一结结晶晶方方位位完完全全一一致致的的晶晶体体称称为为单单晶晶体体。其其中中所所有有的的晶晶胞胞均均呈呈相相同同的的位位向向，故故单单晶晶体体具具有有各各向向异异性性。此此外外，它它还还有有较较高高的的强强度度、抗抗蚀性、导电性和其他特性。蚀性、导电性和其他特性。实实际际的的金金属属结结构构都都包包含含着着许许多多小小晶晶

11、体体，晶晶格格相相同同而而位位向向不不同同。这这种种由由多多晶晶粒粒组组成成的的晶晶体体结结构构称称为为多多晶晶体体。不不显显示示各各向向异异性性。（概概念念：晶晶粒粒、晶界）晶界）多多晶晶体体晶晶粒粒的的大大小小与与金金属属的的制制造造及及处处理理方方法法有有关关，在在常常温温下下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好。晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好。a)单晶体单晶体 b)多晶体多晶体第18页，共79页，编辑于2022年，星期一包括空位、间隙原子、置换原子等。包括空位、间隙原子、置换原子等。点点缺缺陷陷的的形形成成，主主要要是是由由于于原原子子在在各各自自平平衡衡位位子子上

12、上做做不不停停的的热热运运动动的的结结果果。空空位位和和间间隙隙原原子子的的数数目目随随着着温温度度的的升升高高而而增增加加。此此外外，其其他他加加工工和和处处理理，如如塑塑性性加加工工、离离子子轰轰击击等等，也也会会增增加加点缺陷。点缺陷。点点缺缺陷陷造造成成晶晶格格畸畸变变，使使材材料料的的强强度度、硬硬度度和和电电阻阻率率增增加加以以及及其其他力学、物理、化学性能的改变。他力学、物理、化学性能的改变。a）空位）空位 b)置换原子置换原子 c)间隙原子间隙原子第19页，共79页，编辑于2022年，星期一分为刃型位错和螺型位错。分为刃型位错和螺型位错。a)a)示意图示意图 b)b)平面示意图

13、平面示意图 图图1.91.9刃型位错刃型位错位错的出现使位错线周围造成晶格畸变，畸变程度随离位错位错的出现使位错线周围造成晶格畸变，畸变程度随离位错线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变的范围约线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变的范围约为几个原子间距。为几个原子间距。第20页，共79页，编辑于2022年，星期一 随着位错密度的增高，材料的强度将会显著增加，所以提高位错密度是金属强化的重要途径之一。图图1.10材料强度材料强度与位错密度与位错密度的关系的关系第21页，共79页，编辑于2022年，星期一 最常见的是晶界和亚晶界。（1）在腐蚀介质中，晶界处较晶内易腐蚀。）在腐蚀介质中

14、，晶界处较晶内易腐蚀。（2）晶界面上的原子扩散速度较晶内的原子扩散速度快。）晶界面上的原子扩散速度较晶内的原子扩散速度快。（3)晶界附近硬度高，晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。晶界附近硬度高，晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。（4）当金属内部发生相变时，晶界处是首先形核的地方。）当金属内部发生相变时，晶界处是首先形核的地方。图图1.11晶界晶界 图图1.12实际金属晶粒内的结构实际金属晶粒内的结构晶界具有以下特点：第22页，共79页，编辑于2022年，星期一 在实际晶体结构中，上述晶体缺陷并不是静止不变的，在实际晶体结构中，上述晶体缺陷并不是静止不变的，而是随着一定的温度和加工过程等各种条件的改

15、变而而是随着一定的温度和加工过程等各种条件的改变而不断变化的。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影不断变化的。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响，特别对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过响，特别对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过程都起者重要的作用。程都起者重要的作用。第23页，共79页，编辑于2022年，星期一工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。工程材料的力学性能工程材料的力学性能工程材料的物理性能工程材料的物理性能 工程材料的化学性能工程材料的化学性能 工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能 强度、塑性、硬度、冲击韧性断裂韧性、耐磨性、粘弹性1.3

16、1.3工程材料的性能工程材料的性能下一节下一节载荷的形式第24页，共79页，编辑于2022年，星期一载荷的形式载荷的形式第25页，共79页，编辑于2022年，星期一 是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。不产生永久变形的性能称为弹性。不产生永久变形的性能称为弹性。e e称为弹性极限。称为弹性极限。在在弹弹性性变变形形范范围围内内，=E=E，常常数数E E称称为为弹弹性性模模量量，在在工工程程上上亦亦叫叫刚刚度度，它它主主要要决决定定于于材材料料本本身身，与与合合金金化化、热热处处理理、冷冷热热加工等关系不大。加工等关系不大。s s(0.2 0.2)

17、是表示材料抵是表示材料抵 抗微量塑性变形的能力。抗微量塑性变形的能力。b b s s与与b b的比值叫做屈强比的比值叫做屈强比 (1)(1)静载时的强度静载时的强度1)1)弹性和刚度弹性和刚度 2)2)屈服点屈服点 3)3)抗拉强度抗拉强度第26页，共79页，编辑于2022年，星期一拉伸试验机拉伸试验机第27页，共79页，编辑于2022年，星期一最最常常用用的的是是疲疲劳劳强强度度，它它是是指指在在大大小小和和方方向向重重复复循循环环变变化化的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。材材料料在在无无数数次次交交变变载载荷荷作作用用下下不不致致断断裂裂的的最最大大应应力力就

18、就是是疲疲劳强度，用劳强度，用-1表示，单位为表示，单位为MPa。在在交交变变载载荷荷作作用用下下，即即使使交交变变应应力力小小于于s，材材料料经经较较长长时时间间的的工作也会发生失效工作也会发生失效(断裂断裂)，通常是突然断裂，这种通常是突然断裂，这种 现象称为疲劳。现象称为疲劳。图图:几种材料实测疲劳曲线几种材料实测疲劳曲线(2)(2)变载时的强度变载时的强度第28页，共79页，编辑于2022年，星期一1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂第29页，共79页，编辑于2022年，星期一金属材料在高于一定温度长时间的工作，承受的应金属材料在高于一定温度长时间的工作，承受的应力即使低

19、于屈服点力即使低于屈服点s，也会出现缓慢塑性变形，也会出现缓慢塑性变形，这就是所谓的这就是所谓的“蠕变蠕变”。材料的高温强度要用蠕变。材料的高温强度要用蠕变极限和持久强度来表示。极限和持久强度来表示。蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内产蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内产生一定变形量的应力。例如生一定变形量的应力。例如 持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内，使持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内，使材料发生断裂的应力。例如材料发生断裂的应力。例如 (3)(3)高温强度高温强度第30页，共79页，编辑于2022年，星期一视频视频:世界贸易中心大楼倒塌世界贸易中心大楼倒塌 在9

20、.11恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不何会垂直塌落而不是倾倒？倒？这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。第31页，共79页，编辑于2022年，星期一材材料料在在外外力力作作用用下下，产产生生塑塑性性变变形形而而不不断断裂裂的的性性能能称称为为塑塑性性。塑塑性性大大小小用用伸伸长长率率和和断断面面收收缩缩率率来来表表示示。、愈愈大大，表示材料的塑性愈好。表示材料的塑性愈好。第32页，共79页，编辑于2022年，星期一练习题练习题拉力试样

21、的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm，直径为，直径为10mm，经拉，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为距长度为71mm，颈缩区的最小直径为，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？材料的伸长率和断面收缩率的值？解：解：=（71-50）/50 x100%=42%A0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)A1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(A0-A1)/A0 x100%=24%第33页，共79页，编辑于2022年，星期一练习题练习题练习题练习题某工厂买回

22、一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；23%；50%）做短试样（）做短试样（L0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？解：解：根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下：sFsA(19x1000)/(3.14x52)=242230MPa b FbA(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5410MPa L L0 x100%(63.1-50)/50 x100%=26.2%23%AA0 x100%60.31%50

23、%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。第34页，共79页，编辑于2022年，星期一硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力，常硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力，常用的硬度有布氏硬度用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度HR和维氏硬度和维氏硬度HV。图图1.23布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 图图1.24洛氏硬度测定洛氏硬度测定 图图1.25维氏硬度测试原理维氏硬度测试原理第35页，共79页，编辑于2022年，星期一布氏硬度计布氏硬度计 洛氏硬度测洛氏硬度测计计计计维氏硬度测维氏硬度测计计计计第36页，共79页，编辑于20

24、22年，星期一材料抵抗冲击载荷的能力，即材料的冲击性能。通常多用材料抵抗冲击载荷的能力，即材料的冲击性能。通常多用冲击韧度冲击韧度K或冲击功或冲击功AK来表示。来表示。可用一次性摆锤弯曲冲击试验来测定可用一次性摆锤弯曲冲击试验来测定。AK=G(Hh)J J/cm2 第37页，共79页，编辑于2022年，星期一第38页，共79页，编辑于2022年，星期一当温度下降至某一个温度当温度下降至某一个温度TK 时，时，AK值会急剧减小，使材料呈值会急剧减小，使材料呈脆性状态，出现冷脆。材料由韧性状态转变为脆性状态的脆性状态，出现冷脆。材料由韧性状态转变为脆性状态的温度温度TK为冷脆转化温度。为冷脆转化温

25、度。抵抗次数很少的大能量冲击载荷作用，其冲击抗力主要决定于K值。而冲击能量不大时，材料承受多次冲击的能力，主要取决于强度。图1.27 两种钢的温度一冲击功关系曲线 第39页，共79页，编辑于2022年，星期一实际使用的材料中不可避免地存在着裂纹。断裂是由裂实际使用的材料中不可避免地存在着裂纹。断裂是由裂纹的形成和扩展引起的。纹的形成和扩展引起的。断裂力学的观点，只要裂纹很尖锐，尖端前沿各点的断裂力学的观点，只要裂纹很尖锐，尖端前沿各点的应力随外加应力的增大而按相应比例增大，这个比例应力随外加应力的增大而按相应比例增大，这个比例系数称为应力强度因子系数称为应力强度因子K1，其表达式为：，其表达式

26、为：当当K1达到某临界值时，裂纹突然失稳而快速扩展，发达到某临界值时，裂纹突然失稳而快速扩展，发生瞬间脆断。这一临界值称为材料的断裂韧性，用生瞬间脆断。这一临界值称为材料的断裂韧性，用K1C表示，它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。表示，它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。MPam1/2 断裂韧性断裂韧性第40页，共79页，编辑于2022年，星期一第41页，共79页，编辑于2022年，星期一耐磨性是在一定工作条件下材料抵抗磨损的能耐磨性是在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力。耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。力。耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。相对耐磨性是指两种材料相对耐磨性是指两种材料A与与

27、B在相同的磨损条件在相同的磨损条件下磨损量的比值。下磨损量的比值。绝对耐磨性绝对耐磨性(或简称耐磨性或简称耐磨性)通常用磨损量或磨损率通常用磨损量或磨损率的倒数表示。的倒数表示。耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响。在大多数情况下，材料的硬度愈大则耐的影响。在大多数情况下，材料的硬度愈大则耐磨性就愈好。磨性就愈好。第42页，共79页，编辑于2022年，星期一粘弹性系指材料在外力作用下，产生的变形随时间呈线性增加，粘弹性系指材料在外力作用下，产生的变形随时间呈线性增加，而当外力去除后，剩余应变随时间不断松弛的特性，如图而当外力去除后，剩余应变

28、随时间不断松弛的特性，如图1.31所所示。粘弹性的具体表现有蠕变、应力松弛、滞后与内耗等。示。粘弹性的具体表现有蠕变、应力松弛、滞后与内耗等。图1.3l应变随时间的变化第43页，共79页，编辑于2022年，星期一1.41.4金属的结晶金属的结晶 晶体的结晶晶体的结晶 1、结晶概念结晶概念 非晶体的凝固非晶体的凝固 2、金属的结晶过程、金属的结晶过程3、影响形核和长大的因素、影响形核和长大的因素4、晶粒大小及控制晶粒大小及控制 5、金属铸锭和焊缝的组织、金属铸锭和焊缝的组织下一节下一节第44页，共79页，编辑于2022年，星期一 概念：结晶、过冷度概念：结晶、过冷度图图2.1液态金属结构的示意图

29、液态金属结构的示意图第45页，共79页，编辑于2022年，星期一图图1.13 金属在聚集状态时自由金属在聚集状态时自由 能与温度的关系示意图能与温度的关系示意图图图1.14 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线过冷度不是恒定值，其大小取决于液态金属的冷却速度、金属的性质和纯度。同一液态金属，冷却速度愈大，过冷度也愈大。第46页，共79页，编辑于2022年，星期一非晶固态可以看作粘滞系数很大的非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体熔体”。所以，非晶体的凝固是在一个温度范围内逐所以，非晶体的凝固是在一个温度范围内逐渐完成的。渐完成的。非晶体处于亚稳状态。非晶体处于亚稳状态。图图 熔体、晶体、非晶体的能量

30、关系熔体、晶体、非晶体的能量关系非晶体的凝固非晶体的凝固第47页，共79页，编辑于2022年，星期一形核与长大的过程。形核与长大的过程。形核包括自发形核和非自发形核。形核包括自发形核和非自发形核。图图1.15 纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图第48页，共79页，编辑于2022年，星期一晶核的长大方式：枝晶成长。冷却度越大，晶体的枝晶成长越明显。图图1.16枝晶示意图枝晶示意图 图图:锑金属铸锭表面的树枝状晶体锑金属铸锭表面的树枝状晶体第49页，共79页，编辑于2022年，星期一晶粒大小与形核率晶粒大小与形核率N（晶核数（晶核数/(scm3)）和长）和长大速度大速度G（cms）有关）有关

31、。影响形核率和长大速影响形核率和长大速 度的重要因素是冷却度的重要因素是冷却速度速度(或过冷度或过冷度)和难熔和难熔杂质杂质。图图1.17 过冷度与晶体形核率、过冷度与晶体形核率、长大速度的关系长大速度的关系第50页，共79页，编辑于2022年，星期一(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)影响晶粒度的主要因素是形核率影响晶粒度的主要因素是形核率 N 和长大速度和长大速度G。晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。(2)晶粒大小的控制晶粒大小的控制1)增大过冷度增大过冷度过冷度愈大，比值过冷度愈大，比值NG也愈大，晶粒就愈细。也愈大

32、，晶粒就愈细。2）变质处理）变质处理向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善组向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。织，达到提高材料性能的目的。第51页，共79页，编辑于2022年，星期一同同种种晶晶体体材材料料中中，不不同同类类型型晶晶体体结结构构之之间间的的转转变变称称为为同同素素异构转变。异构转变。遵循生核与长大的基本规律。遵循生核与长大的基本规律。图图1.18纯铁的冷却曲线和晶格变化纯铁的冷却曲线和晶格变化第52页，共79页，编辑于2022年，星期一把化学成分相同，而组成原子排列成不把化学成分相同，而组成原子排列成不同的分子结构的现象称为同分异构

33、。同的分子结构的现象称为同分异构。同分异构分为两种，一种是结构异构体，同分异构分为两种，一种是结构异构体，另一种是立体异构体。另一种是立体异构体。第53页，共79页，编辑于2022年，星期一(1)表层细晶粒层表层细晶粒层(2)柱状晶粒层柱状晶粒层(3)心部等轴晶区心部等轴晶区(4)低熔点杂质区低熔点杂质区 图图1.19 钢锭钢锭(件件)典型组织的示意图典型组织的示意图l一表面细晶粒层；一表面细晶粒层；2一柱状晶粒层；一柱状晶粒层；3一心部等轴晶粒区一心部等轴晶粒区4低熔点杂质区低熔点杂质区1 1铸锭铸锭(件件)结晶组织结晶组织4第54页，共79页，编辑于2022年，星期一柱状晶区结晶后显微缩孔

34、少，组织较致密。柱状晶区结晶后显微缩孔少，组织较致密。两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂质两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂质聚集而形成弱面。聚集而形成弱面。柱状晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶柱状晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的性能较高。晶轴方向的性能较高。等轴晶由于各个晶粒在长大时彼此交叉，不存在明等轴晶由于各个晶粒在长大时彼此交叉，不存在明显的脆弱区，铸件的性能没有方向性。显的脆弱区，铸件的性能没有方向性。铸锭铸锭(件件)结晶组织的特性结晶组织的特性第55页，共79页，编辑于2022年，星期一2焊缝的组织 焊缝中熔合金属冷却速度快，传热方向不同，其冷却结晶的

35、组织与铸锭的结晶组织焊缝中熔合金属冷却速度快，传热方向不同，其冷却结晶的组织与铸锭的结晶组织不同。焊缝金属冷却结晶后，包括下述组织。不同。焊缝金属冷却结晶后，包括下述组织。(1)柱状晶粒区柱状晶粒区 焊缝熔合金属冷却时散热很快，金属晶粒来不及向旁边长大，形成了柱焊缝熔合金属冷却时散热很快，金属晶粒来不及向旁边长大，形成了柱状粒。状粒。(2)低熔点杂质区低熔点杂质区 对于成型系数对于成型系数(B/H)小的焊缝，散热方向基本与母材金属相平行小的焊缝，散热方向基本与母材金属相平行(散热方向散热方向实际与焊缝金属熔合线相垂直实际与焊缝金属熔合线相垂直)，故焊缝熔合金属的晶粒与母材平行成长，最，故焊缝熔

36、合金属的晶粒与母材平行成长，最后结晶的低熔点杂质处于焊缝中心处，这样会减弱焊接接头的强度。对成型系后结晶的低熔点杂质处于焊缝中心处，这样会减弱焊接接头的强度。对成型系数较大的焊缝，由于散热方向不同，焊缝金属的晶柱成长方向与水平方向有倾数较大的焊缝，由于散热方向不同，焊缝金属的晶柱成长方向与水平方向有倾斜，见图斜，见图1.20(b)。低熔点杂质最后结晶，处于焊缝上部，这样可以改善由于。低熔点杂质最后结晶，处于焊缝上部，这样可以改善由于低熔点杂质最后结晶对焊接接头性能的影响。低熔点杂质最后结晶对焊接接头性能的影响。第56页，共79页，编辑于2022年，星期一一、金属的变形与断裂一、金属的变形与断裂

37、二、单晶体金属的变形二、单晶体金属的变形三、多晶体金属的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形四、金属的恢复与再结晶四、金属的恢复与再结晶下一章下一章1.5 1.5 金属的变形与再结晶金属的变形与再结晶掌握塑性变形的机理、规律及其影响因素掌握塑性变形的机理、规律及其影响因素掌握塑性变形的机理、规律及其影响因素掌握塑性变形的机理、规律及其影响因素 第57页，共79页，编辑于2022年，星期一金属的断裂有两种：金属的断裂有两种：断裂时有明显塑性变形，断裂时有明显塑性变形，断裂的晶粒被拉长成细条，断裂的晶粒被拉长成细条，断口呈纤维状，灰暗无光，断口呈纤维状，灰暗无光，-韧性断裂韧性断裂。断裂时无明显塑性变

38、形，断裂时无明显塑性变形，断口比较平坦，闪耀光断口比较平坦，闪耀光泽，泽，-脆性断裂脆性断裂。脆性。脆性断裂可沿晶界发生（晶断裂可沿晶界发生（晶间断裂），也可穿过晶间断裂），也可穿过晶界发生（穿晶断裂），界发生（穿晶断裂），第58页，共79页，编辑于2022年，星期一金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。性加工获得优质零件的难易程度。常用金属的常用金属的塑性塑性和和变形抗力变形抗力来综合衡量。来综合衡量。金属的塑性常用截面收缩率金属的塑性常用截面收缩率、延伸率、延伸率和冲击韧度和冲击韧度 A k等指标来表示。等指标来表示。

39、变形抗力系指在变形过程中金属抵抗外力的能力。变形抗力系指在变形过程中金属抵抗外力的能力。第59页，共79页，编辑于2022年，星期一滑移滑移孪生孪生第60页，共79页，编辑于2022年，星期一第61页，共79页，编辑于2022年，星期一单晶体受剪应力作用单晶体受剪应力作用第62页，共79页，编辑于2022年，星期一第63页，共79页，编辑于2022年，星期一滑移时晶体的转动滑移面转向与拉伸轴平行；滑移面转向与拉伸轴平行；滑移方向趋于与最大切应力方向一致。滑移方向趋于与最大切应力方向一致。第64页，共79页，编辑于2022年，星期一金属晶体的滑移遵循一定的规律 表表1.2 1.2 常见金属晶格中

40、的主要滑移系常见金属晶格中的主要滑移系图图1.21 1.21 晶面间距示意图晶面间距示意图（1）只能在剪应力的作用下才能发生。）只能在剪应力的作用下才能发生。（2）滑移总在晶格中最密的晶面或晶向发生。）滑移总在晶格中最密的晶面或晶向发生。（3）位移为原子间距的整数倍。）位移为原子间距的整数倍。（4）滑移的同时伴有晶体的转动。）滑移的同时伴有晶体的转动。第65页，共79页，编辑于2022年，星期一孪生变形是在切应力孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面分对应于一定的晶面(孪晶面孪晶面)沿一定方向沿一定方向进行的相对移动。进行的相对移动。第66页，共79页，编辑于

41、2022年，星期一孪生变形与滑移变形的区别如下：孪生变形与滑移变形的区别如下：(1)滑移仅在晶体表面形成滑滑移仅在晶体表面形成滑移台阶，晶体的内部晶格不发生移台阶，晶体的内部晶格不发生变化。孪生使晶体的一部分发生变化。孪生使晶体的一部分发生切变，切变处的晶格方位发生变切变，切变处的晶格方位发生变化，与未变形部分形成对称。化，与未变形部分形成对称。(2)孪生变形所需要的临界应力比孪生变形所需要的临界应力比滑移变形所需要的临界应力大得多，滑移变形所需要的临界应力大得多，且变形的速度极快且变形的速度极快(接近声速接近声速)。(3)孪生变形时，每层原子沿孪生方孪生变形时，每层原子沿孪生方向的位移都是原

42、子间距的分数倍；而向的位移都是原子间距的分数倍；而滑移变形时，一部分晶体相对另一部滑移变形时，一部分晶体相对另一部分晶体沿滑移方向的位移为原子间距分晶体沿滑移方向的位移为原子间距的整数倍。的整数倍。第67页，共79页，编辑于2022年，星期一多晶体金属的塑性变形晶粒取向对塑性变形的影响晶粒取向对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响1.1.加工硬化加工硬化 2.2.织构现象织构现象3.3.塑性变形产生的残余应力塑性变形产生的残余应力第68页，共79页，编辑于2022年，星期一“软位向软位向”、“硬位向硬位向”由于各个晶粒取向不同，一方面使塑性变形表现出很大的由于各个晶粒取向不同

43、，一方面使塑性变形表现出很大的不均匀性，另一方面也会产生强化作用。不均匀性，另一方面也会产生强化作用。图：多晶体塑性变形示意图图：多晶体塑性变形示意图第69页，共79页，编辑于2022年，星期一在相同的外力作用下，多晶体金属的塑性变形量在相同的外力作用下，多晶体金属的塑性变形量一般比相同成分单晶体金属的塑性变形量小。一般比相同成分单晶体金属的塑性变形量小。图：图：多晶体和单晶体锌的拉伸曲线多晶体和单晶体锌的拉伸曲线 A多晶体锌；多晶体锌；B单晶体锌单晶体锌第70页，共79页，编辑于2022年，星期一细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料的韧性。细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料

44、的韧性。图：图：纯铁的强度与其晶粒直径的关系纯铁的强度与其晶粒直径的关系晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响第71页，共79页，编辑于2022年，星期一加工硬化，也称为形变强化加工硬化，也称为形变强化或冷作硬化。或冷作硬化。利用形变强化现象来提利用形变强化现象来提高金属材料的强度高金属材料的强度。冷态压力加工使电阻有所增冷态压力加工使电阻有所增大；抗蚀性降低大；抗蚀性降低；尺寸精；尺寸精度高及表面质量好度高及表面质量好。增加中间退火工序增加中间退火工序。图图：含含碳碳量量0.3碳碳钢钢冷冷轧轧后后力力学学性性 能能的变化的变化1.1.加工硬化加工硬化第72页，共79页，编辑于2022年，星

45、期一(1)晶粒碎化，亚结构增多晶粒碎化，亚结构增多(2)晶粒拉长，出现纤维状组织晶粒拉长，出现纤维状组织 “织构织构”各向异性各向异性 2.2.织构现象织构现象第73页，共79页，编辑于2022年，星期一内应力的形成是由于在外力的作用下，金属内部变内应力的形成是由于在外力的作用下，金属内部变形不均匀而产生的。形不均匀而产生的。按照内应力作用的范围，可将其分为按照内应力作用的范围，可将其分为宏观内应力宏观内应力(第一种内应力第一种内应力)、微观内应力微观内应力(第二种内应力第二种内应力)和和晶格晶格畸变内应力畸变内应力(第三种内应力第三种内应力)三种。三种。残余应力的危害主要有：残余应力的危害主

46、要有：(1)降低工件的承载能力降低工件的承载能力 (2)使工件尺寸及形状发生变化使工件尺寸及形状发生变化 (3)降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性 消除残余应力主要采用热处理的方法。消除残余应力主要采用热处理的方法。3.3.残余应力残余应力第74页，共79页，编辑于2022年，星期一图图1-26 形变强化金属的回复和再结晶示意图形变强化金属的回复和再结晶示意图1.1.回复回复 T T回回=(0.250.3)T=(0.250.3)T熔熔2.2.再结晶再结晶 T T再再0.4T0.4T熔熔内应力1.1.预先变形程度越大，其预先变形程度越大，其再结晶温度越低再结晶温度越低2.2.金属纯度减低，可提高金

47、属纯度减低，可提高再结晶温度。再结晶温度。3.3.加热时间快，可使再结加热时间快，可使再结晶温度升高；保温时间晶温度升高；保温时间长，可降低金属的再结长，可降低金属的再结晶温度晶温度第75页，共79页，编辑于2022年，星期一 3.3.晶粒长大晶粒长大a)b)c)图图3.10 晶粒长大示意图晶粒长大示意图第76页，共79页，编辑于2022年，星期一影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预变形度；次要因素是加热时间、变形前的原是加热温度和预变形度；次要因素是加热时间、变形前的原始晶粒度、合金元素及杂质。始晶粒度、合金元素及杂质。1）加热温度）加热温度加热温度加热温度原子扩散能力原子扩散能力晶界易迁移晶界易迁移晶粒晶粒图图1.27再结晶退火温度对晶粒尺寸的影响再结晶退火温度对晶粒尺寸的影响第77页，共79页，编辑于2022年，星期一2 2）预先变形度）预先变形度图图1.28预先变形度与再结晶晶粒度的关系预先变形度与再结晶晶粒度的关系第78页，共79页，编辑于2022年，星期一 冷变形和热变形冷变形和热变形在再结晶温度以下的变形叫冷变形。在再结晶温度以下的变形叫冷变形。在再结晶温度以上的变形叫热变形。在再结晶温度以上的变形叫热变形。第79页，共79页，编辑于2022年，星期一