金属材料的结构与性能

第一章材料的性能 第一节 材料的机械性能 一 强度 塑性及其测定 1 强度是指在静载荷作用下 材料抵抗变形和断裂的能力 材料的强度越大 材料所能承 受的外力就越大 常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度 它们是重要的力学性能指标 是设计 选材和评定材料的重要性能指标之一 2 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力 塑性指标用伸长率 和断面 收缩率 表示 二 硬度及其测定 硬度是衡量材料软硬程度的指标 目前 生产中测量硬度常用的方法是压入法 并根据压入的程度来测定硬度值 此时 硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力 因此硬度是一个综合的物理量 它与强 度指标和塑性指标均有一定的关系 硬度试验简单易行 有可直接在零件上试验而不破坏 零件 此外 材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系 三 疲劳 机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳 疲劳强度是指被测材料抵抗 交变载荷的能力 四 冲击韧性及其测定 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性 为评定材料的性能 需在 规定条件下进行一次冲击试验 其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验 或称一次摆锤冲 击试验 五 断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性 它是材料本身的特性 六 磨损 由于相对摩擦 摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑 使接触表面不断发生尺 寸变化与重量损失 称为磨损 引起磨损的原因既有力学作用 也有物理 化学作用 因 此磨损使一个复杂的过程 按磨损的机理和条件的不同 通常将磨损分为粘着磨损 磨料磨损 接触疲劳磨损和 腐蚀磨损四大基本类型 第二节材料的物理化学性能 1 物理性能 材料的物理性能主要是密度 熔点 热膨胀性 导电性和导热性 不同用 途的机械零件对物理性能的要求也各不相同 2 化学性能 材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能 力 第三节材料的工艺性能 一 铸造性能 铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向 二 可锻性能 可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力 三 焊接性能 焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能 四 切削加工性能 切削加工性能是指材料是否易于切削 五 热处理性能 人处理是改变材料性能的主要手段 热处理性能是指材料热处理的难易 程度和产生热处理缺陷的倾向 第二章材料的结构 第一节材料的结合键 各种工程材料是由不同的元素组成 由于物质是由原子 分子或离子结合而成 其结 合键的性质和状态存在的区别 一 化学键 1 共价键 2 离子键 3 金属键 4 范德 瓦尔键 二 工程材料的键性 化学键 组成物质整体的质点 原子 分子 离子 间的相互作用力 成为化学键 1 共价键 有些同类原子 例如周期表 a a a 族中大多元素或电负性相差不大的 原子相互接近时 原子之间不产生电子的转移 此时借共用电子对所产生的力结合 形成 共价键 如金刚石 单质硅 SiC 等属于共价键 2 离子键 大部分盐类 碱类和金属氧化物在固态下是不导电的 熔融时可以导电 这 类化合物为离子化合物 当两种电负性相差大的原子 如碱金属元素与卤素元素的原子 相 互靠近是 其中电负姓小的原子失去电子 成为正离子 电负姓大的原子获得电子成为负 离子 两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键 离子晶体的硬度高 强度大 热膨胀系数小 但脆性大 是良好的绝缘体 是无色透 明的 3 金属键 当金属原子相互靠近时 其外层的价电子脱离原子成为自由电子 为整个金 属所共有 它们在整个金属内部运动形成电子气 这种由金属正离子和自由电子之间相互 作用而结合称为金属键 用金属键可以粗略地解释金属的一般特性 1 良好的导电性和导热性 2 正的电阻温 度系数 3 良好的延展性 4 金属不透明并呈现特有的金属光泽 4 范得 瓦尔键 许多物质其分子具有永久性 分子的一部分往往带正电荷 而另一部分 往往带负电荷 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间 以微弱静电力相吸引 使之结合在一起 称为范德 瓦尔键也叫分子键 分子晶体因其结合键能很低 所以其熔点很低 金属与合金这种键不多 而聚合物通 常链内是共价键 而链与链之间是范得瓦尔键 二 工程材料的键性 在实际的工程材料中 原子 或离子 分子 间相互作用的性质 只有少数是上术四种 键型的极端情况 大多数是这四种键型的过渡 如果以四种键为顶点 作个四面体 就可 把工程材料的结合键范围示意在四面体上 第二节材料的晶体结构 一 晶体与非晶体 1 晶体 2 非晶体 二 金属晶格的基本类型 重点掌握 1 体心立方晶格 2 面心立方晶格 3 密排立方晶格 三 晶格的致密度及晶面与晶向指数 1 晶格的致密度 2 晶面及晶向指数 四 晶体的各向异性 一 晶体与非晶体 1 晶体 物质的质点 分子 原子或离子 在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的 物质叫晶体 如水晶 食盐 黄铜矿等 2 非晶体 非晶体在整体上无序的 当原子间也靠化学键结合在一起 所以在有限的小 范围内观察还有一定规律 可将非晶体的这种结构称为近程有序 二 金属晶格的基本类型 1 体心立方晶格 具有体心立方晶胞的金属有 Fe W Mo V Cr Ti 等 2 面心立方晶格 具有面心立方晶格的金属有 Fe Al Au Pb Co 等 3 密排六方晶格 三 晶格的致密度及晶面和晶面指数 1 晶格的致密度 1 致密度 晶格中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示 致密度是指晶胞中原子 所占体积与该晶胞体积之比 2 配位数 所谓配位数即指晶格中任一原子周围紧邻的最近且等距离的原子数 配位数 越大 原子的排列就越紧密 2 晶面和晶面指数 在金属晶体中 通过一系列原子所构成的平面 称为晶面 通过两 个以上原子中心的直线 表示了晶格空间的各个方向 称为晶向 1 晶面指数 确定晶面指数的方法包括如下三个步骤 1 设晶格中某一原子为原点 通过该点平行于晶胞的三棱边做 OX OY OZ 三坐标 轴 以晶格常数 a b c 分别作出相应的三个坐标轴的量度单位 求出所需确定的晶 面在三坐轴上的截距 2 将所得三截距之值变为倒数 3 再将这三个倒数按比例化为最小整数 并加上圆括号 既为晶面指数 晶面指数 的一般形式用 hkl 表示 2 晶向指数 晶向指数确定的方法是 1 通过坐标原点引一条直线 使其平行于所求的晶向 2 求出该直线上任意一点的三个坐标值 3 将三个坐标值按比例化为最小整数 加上方括号 即为所求的晶面指数 3 晶面及晶向的原子密度 所谓某晶面的原子密度即指单位面积中的原子数 而晶向原 子密度则指其单位长度上的原子数 在各种晶格中 不同晶面和晶向上的原子密度都是不 同的 四 晶面的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同 因此在晶体中不同的晶面和晶向上 原子结合力也就不同 从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能 这就是晶体具有各向晶体具有各向 异性的原因 异性的原因 第三节 实际金属的晶体结构及晶体缺陷 一 多晶体结构与亚结构 1 多晶体的概念 2 亚结构 二 晶体缺陷 1 点缺陷 空位和间隙原子 2 线缺陷 位错 3 面缺陷 晶界和亚晶界 一 多晶体的结构和亚结构 1 单晶体与多晶体 如果一块晶体 其内部的晶格位向完全一致时 我们称这块晶体为 单晶体 2 亚结构 在实际金属晶体中 一个晶粒内部 其晶格位向也并不是像理想晶体那样完全一致 而是存在着许多尺寸更小 位向差也很小 一般为几十分到 1 2 度 的小晶块 它们相互 镶嵌成一颗晶粒 这些小晶块称为亚结构 或称亚晶粒 镶嵌块 二 晶体缺陷 根据缺陷产生的原因 分为热缺陷 杂质缺陷和非化学计量结构缺陷 即电荷缺陷 1 热缺陷 当晶体的温度高于绝对 0K 时 由于晶格内原子热运动 使一部分能量较大 的原子离开平衡位置造成的缺陷 如 Frankel 缺陷 Schttky 缺陷 2 杂质缺陷 杂质原子进入晶体而产生的缺陷 原子进入晶体的数量一般小于 0 1 种类 间隙杂质 置换杂质 特点 杂质缺陷的浓度与温度无关 只决定于溶解度 存在的原因 本身存在或有目的加入 改善晶体的某种性能 3 非化学计量结构缺陷 电荷缺陷 存在于非化学计量化合物中的结构缺陷 化合物 化学组成与周围环境气氛有关 不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示 价带产生空穴 导带存在电子 产生附加电场 周期排列不变 周期势场畸变 产生 电荷缺陷 根据应力集中原理物体内部应力越大 破坏该物体所需的外力就越小 根据应力集中原理物体内部应力越大 破坏该物体所需的外力就越小 1 点缺陷 空位和间隙原子 在实际晶体结构中 晶格的某些结点 往往未被原子所占有 这种空着的位子称为 空位 同时又可能在个别晶格间隙处出现多余的原子 这种不占有正常的晶格位置 而处在 晶格间隙之间的原子称为 间隙原子 这种晶格中原子偏离平衡位置的现象称为晶格畸变 2 线缺陷 位错 线缺陷即晶格中的 位错线 或简称为 位错 所谓位错可视为晶格中一部分晶 体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果 晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线 即为位错线 由于晶体中局部滑移的方式不同 可形成不同类型的位错 3 面缺陷 晶界和亚晶界 面缺陷即晶界和亚晶界 这两种晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的 但在 小角度位向差的亚晶界情况下 则可把它看成是一种位错线的堆积或称 位错壁 通过上述讨论可见 凡晶体缺陷处及其附近 均有明显的晶格畸变 因而会引起晶格 能量的提高 并使金属物理 化学和机械性能发生显著的变化 如晶界和亚晶界愈多 位 错密度愈大 金属的强度愈高 第四节 合金的晶体结构 一 合金的概念 1 合金 2 相 二 合金的相结构 1 固溶体 2 金属化合物 一 合金的概念 1 合金的概念 1 合金 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性 的物质 称为合金 2 组元 组成合金最基本的 独立的物质叫组元 组元通常是元素 但也可以是稳定的 化合物 根据组成合金数目的多少 合金可以分为二元合金 三元合金和多元合金等 2 相 合金中具有一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相 合金中相和相之间有明显 的界面 二 合金的相结构 1 固溶体 当合金有液态结晶为固态时 组成元素间会像合金溶液那样相互溶解 形成 一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相 称为固溶体 1 固溶体的结构与分类 按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同 将固溶体分为 以下两类 置换固溶体 当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中某些结点位置时 所形成的固溶体称为置换固溶体 间隙固溶体 若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点的位置 而是处于各结点间的 空隙中 则这种形式的固溶体称为间隙固溶体 2 固溶体的性能 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度 硬度升高的现象称为固溶强化 固溶强化是材料的一种主要的强化途径 2 金属化合物 金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同 一般 具有复杂的晶格结构 熔点高 硬而脆 当合金中出现金属化合物时 通常能提高合金的 强度 硬度和耐磨性 但会降低塑性和韧性 1 正常价化合物 金属化合物的种类很多 常见的有以下三种类型 组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的 因而其成分固定不变 并可用 化学式表示 正常化合价具有很高的硬度和脆性 在合金中 当它在固溶体基体上合理分布时 将 使合金得到强化 因而起着强化相的作用 2 电子化合物 它们与正常价化合物不同 不遵循原子价规律 而是按照一定的电子浓度组成一定晶 格结构的化合物 电子化合物的熔点和硬度都很高 但塑性很差 因此与正常价化合物一样 一般只能 作为强化相存在与合金中 3 间隙化合物 间隙化合物的晶格结构特点是 直径较大的过渡族元素的原子占据了新 晶格的正常位置 而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的间隙中 因 而称为间隙化合物 间隙相 是具有简单晶格结构的间隙化合物 间隙化合物 是具有复杂晶格结构的间隙化合物 第五节 非金属材料的结构 一 高分子合成材料的聚态结构 1 高聚物的结构 2 高聚物的聚集态结构 二 陶瓷材料的组织结构 1 晶相 2 玻璃相 3 气相 一 高分子合成材料的聚集结构 高分子合成材料是分子量很大的材料 由许多单体 低分子 用共价键连接 聚合 起来的 大分子化合物 所以高分子又称大分子 高分子化合物又称高聚物或聚合物 1 高聚物的结构 高聚物的结构可分为两种类型 均聚物和共聚物 1 均聚物 只含有一个单链节 若干个链节用共价键按一定方式重复连接起来 像一根 又细又长的链子一样 此结构称为线型结构 支链型高聚物好象一根 节上生枝 的枝干 一样 主链较长 支链较短 其性质和线性高聚物结构基本相同 因此线型高聚物易于加 工成型 并可重复使用 一些合成纤维和热塑性塑料 如聚氯乙烯 聚苯乙烯等 就属此 类结构 网状高聚物是在一根根长链之间有若干个支链把它们交连起来 构成一种网状形状 如果这种网状的支链像空间发展的话 变得到体型高聚物结构 这种高聚物结构的特点是 在任何情况下都不熔化也不溶解并且在保持形状稳定 耐热及耐溶剂作用发面有起优越性 热固性塑料 如酚醛 脲醛等塑料 就属于这一类 2 共聚物 共聚物是由两种以上不同的单体链节聚合而成的 由于各种单体的成分不同 共聚的高分子排列形式也多种多样 可归纳为 无规则型 交替型 嵌段型 接支型 例 如将 M1 和 M2 两种结构的单体分别以有斜线的圆圈和空白圆圈表示 共聚物在实际应用上具有十分重要的意义 因为共聚物能把两种或多种自聚的特性综 合到一种聚合物中来 因此有人把共聚物称为非金属的 合金 这是一个很恰当的比喻 例如 ABS 树脂是丙烯腈 丁而烯和苯乙烯三元共聚物具有较好的耐冲击 耐热 耐油 耐 腐蚀及易加工等综合性能 2 高聚物的聚集态结构 高聚物的聚集态结构是指高聚物材料本体内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构 也称为超分子结构 高聚物按照大分子排列是否有序 可分为结晶态和非结晶态两类 结晶态聚合物分子 排列规则有序 非结晶态高聚物分子排列杂乱不规则 高聚物材料的性能不仅与高分子的分子量和大分子链结构有关 而且和高聚物的聚集 状态有直接关系 二 陶瓷材料的聚集状态 金属是以金属键结合 高聚物是以共价键相结合 而陶瓷材料的结合键主要是离子键 和共价键的混合键 1 晶相 晶相是陶瓷材料的主要组成相 它由某些固溶体或化合物所组成 陶瓷材料的 晶相常常不止一个 而是多相多晶体 多相中又可分为主晶相 次晶相 第三晶相等 组 成陶瓷晶相的晶体一般有两类 一类是氧化物 如氧化铝 氧化钛等 另一类是含氧酸 盐 如硅酸盐 钛酸盐等 2 玻璃相 玻璃相是非晶态的低熔点固体相 它的作用是粘结分散的晶相 填充气孔空 隙 降低烧结温度及抑制晶体长大等 但玻璃相的热稳定差 机械强度比晶相低 3 气相 气相是指陶瓷内孔隙中的气体 均匀分布的气孔可是陶瓷材料的绝缘 绝热性 能大大提高 但由于气孔是产生应力集中的地方 固导致机械强度降低 并引起陶瓷材料 的介电损耗增大 抗电击穿能力下降 第三章 材料的凝固与结晶 第一节 凝固的概念 一 晶体的凝固 二 非晶体的凝固 一 晶体的凝固 物质从液态到固态的转变过程统称为 凝固 如果通过凝固能形成晶体结构 则可 称为 晶体 凡纯元素 金属或非金属 的结晶都具有一个严格的 平衡结晶温度 即 理论结晶温度 T0 高于此温度 即实际结晶温度 T1 才能进行结晶 两者之差 T T0 T1 称为过冷度 处于平衡结晶温度时 液体与晶体同时共存 达到可逆平衡 为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢 这是因为它们的液体与 晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故 这一能量叫做 自由能 F 同一物质 的液体与晶体 由于其结构不同 它们在不同温度下的自由能变化是不同的 如图 3 1 所 示 由此可见 要使液体进行结晶 就必须使其温度低于理论温度 造成液体与晶体间的 自由能差 F F 液 F 晶 即具有一定的结晶驱动力才行 二 非晶体的凝固 若凝固后的物质不是晶体 而是非晶体 那就不能称之为结晶 只能称为凝固 非晶体的凝固与晶体的晶体 都是由液体转化为固体 但本质上又有区别 非晶体的 凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成 即非晶体固态可看作粘滞系数很大的 熔体 需在一个温度范围内逐渐完成凝固 第二节金属的结晶和铸锭 一 金属的结晶过程 二 金属结晶后的晶粒大小 1 晶粒大小与性能的关系 2 晶粒大小的控制 三 金属铸锭组织 1 表面细晶粒层 2 柱状晶粒层 3 中心等轴晶 一 金属的结晶过程 纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的 它是不断形成晶 核和晶核不断长大的过程 二 金属结晶后的晶粒大小 1 晶粒大小与性能的关系 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体 而晶粒的大小是金属组织的重要标志之一 一般情况下 晶粒愈细小 金属的强度就愈高 塑性和韧性也愈好 2 晶粒大小的控制 金属结晶后单位体积中晶粒数目 Z 取决于结晶时的形核率 N 晶核形核数目 S m 与 晶核生长速率 G s 它们存在着以下的关系 Z N G 由上可知 当晶粒生长速率 G 一定时 晶核形核率 N 愈大 晶粒数目就愈多 反之则愈细 1 增大过冷度 金属结晶时的冷却速度愈大 其过冷度便愈大 不同过冷度 T 对晶核形核率 N 和生 长速率 G 的影响 2 变质处理 在液态金属结晶前 加入一些细小的变质剂 使金属结晶时的晶核形核率 N 增加或生 长速率 G 降低 这种细化晶粒的方法 称为变质处理 3 附加振动 金属结晶时 如对液态金属附加机械振动 超声波振动 电磁振动等措施 由于振动 能使液态金属在铸模中运动加速 造成枝晶破碎 这就不仅可以使已长成的晶粒因破碎而 细化 而且破碎的枝晶可以作为晶核 增加形核率 N 所以 附加振动也能使晶粒细化 三 金属的铸锭组织 典型的金属的铸锭组织有三个区域组成 表面细晶粒区 柱状晶区 中心等轴晶区 1 表面细晶粒层 表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入铸模后 由于模壁温度较低 表面金属遭到 剧烈的冷却 造成了较大的冷却所致 此外 模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原 因之一 2 柱状晶粒层 柱状晶粒的形成主要是因为铸锭模壁散热的影响 3 中心等轴晶粒 随着柱状晶粒成长到一定程度 铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小 趋于均匀 冷却的状态 同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心 或将柱状晶的枝晶分枝冲断 漂移到 铸锭中心 它们都可以成为剩余液体的晶核 这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同 因而便形成较粗大的等轴晶粒区 第三节合金的结晶过程 一 二元合金相图的建立 1 相图的意义及几个名词的解释 2 二元相图的建立 二 二元匀晶相图 1 相图分析 2 合金的结晶过程 3 二元相图的杠杆定律 三 二元共晶相图 1 相图分析 2 合金结晶过程 3 比重偏析 四 二元包晶相图 1 相图分析 2 合金的结晶过程 五 形成稳定化合物的二元合金相图 六 具有共析反应的二元合金相图 七 合金的性能与相图间的关系 一 二元相图的建立 1 相图的定义及几个名词的解释 1 组元 通常把组成合金的最简单 最基本 能够独立存在的物质称为组元 2 合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金 称为合 金系 3 相图 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图 有城状态图或平 衡图 相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的 都是接近平衡状态的 组织 2 二元相图的建立 以 Pb Sn 合金系为例 说明用热分析实验方法测定相图的过程 图 3 9 42 页 1 配制一系列不同成分的 Pb Sn 合金 配制的合金数目愈多 合金成分的间隔愈小 测绘出来的合金相图就愈精确 2 在非常缓慢冷却条件下 测定这些合金从液态到固态在平衡结晶过程中的冷却曲线 如图 3 10 所示 3 如图 3 10 所示 找出各合金冷却曲线上的临界点 并将它们标注在成分 温度坐标系 4 将各成分线上具有相同意义的点连接成线 并根据已知条件和实际分析结果写上数字 字母和各区所存在的像或组织名称 就得到一个完整的二元合金相图 图 3 10 43 页 二 二元匀晶相图 当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图 称为二元匀晶相图 具有这类相 图的合金系主要有 Cu Ni Cu Au Au Ag Fe Ni 及 W Mo 等 1 相图分析 图 3 11 a 为 Cu Ni 合金相图 45 页 图 3 11 下面就此合金为例进行分析 这类相图很简单 只有两条线 其中 AB 为液相线 AB 为固相线 在液相线以上 称为液相区 在固相线以下称为固相区 在液相线与固相线之间称为液 固两相并存区 固 相线的两个端点 A 和 B 是合金系统的两个组元 Cu 和 Ni 的熔点 2 合金的结晶过程 如图 3 11 a 所示 设有合金 K 其成分垂线 ok 与相图上的相区分界线交于 1 4 两点 分析合金在冷却曲线上的各段所发生的结晶或相变过程 如图 3 11 b 所示 通过分析可知 液 固 相线也表示在无限缓慢的冷却条件下 液 固两相平衡存在时 液 固 相化学成分随 温度的变化情况 理论和实践都已证明了这一结论的正确性 必须着重指出 除了液 固 两相并存时的情况以外 在其他性质相同的两相区中也是这样 即相互处于平衡状态的两 个相的成分 分别沿着两相区的两个边界线改变 3 二元相图的杠杆定律 在两相区结晶过程中 两相的成分和相对量都在不断变化 杠杆定律就是确定状态图 中两相区内两平衡相的成分和相对重量的重要工具 如图 3 12 所示 假设 合金的总重量为 WO 液相的重量为 WL 固相的重量为 WS 若已知液相中的含 Ni 量为 X1 合金的含 Ni 量为 X 则可写出 WL WS WO WL X1 WS X2 W0 X 解方程式 得 WL WS X2 X X X1 bo oa 式 好象力学中的杠杆定律 故称之为杠杆定律 式 可写成 WL WO bo ba 100 WS WO oa ba 100 必须指出 杠杆定律只适用于二元私合金相图中两相区 对其他区域就不适应 自然 就不能在用杠杆定律 固溶体合金中的偏析 在平衡条件下结晶 由于冷速极为缓慢 原子可充分进行扩散 最后仍能得到成分均 匀的固溶体 但在实际生产条件下 由于冷速较快 最后将得到晶体内部化学成分不均匀 的树枝壮晶体 这种现象 称为枝晶偏析或晶内偏析 枝晶偏析的存在 会严重降低合金的机械性能和加工工艺性能 因此在生产上常把有 枝晶偏析的合金加热到高温 并经长时间保温 使原子进行充分扩散 以达到成分均匀的 目的 这种热处理方法称为扩散退火或均匀化退火 用以消除枝晶偏析 三 二元共晶相图 当两组元在液态时无限互溶 在固态时有限互溶 而且发生共晶反应时 所构成的相 图称为二元相图 具有这类相图的合金系主要有 Pb Sn Pb Sb 1 相图分析 图 3 14 48 页 表示 Pb Sb 合金相图及成分线 下面就以此合金相图为例进行分析 图中 A B 分别表示组元 Pb Sn 的熔点 ACB 线为液相线 AECDB 为固相线 L 是该合金系的三个基本相 为 Sb 溶于 Pb 中的固溶体 EF 为溶解度曲线 为 Pb 溶于 Sb 中的固溶体 DG 为溶解度曲线 相图中三个单相区为 L 三个双相 区为 L L ECD 为三相平衡线 在该恒定温度下 c 点成分的液相 LC 同时结晶出两种成分和结 构不同的固相 E 和 D 其反应式为 LC 共晶温度 E D 此反应称为共晶转变 2 合金的结晶过程 共晶合金的结晶过程 合金在共晶温度以上 L 在此共晶温度时发生共晶反应 LC 恒温 E D 其转变产 物称为共晶体 亚共晶合金和过共晶合金的结晶过程 成分在共晶线上的 E 点和 C 点之间的合金称为亚共晶合金 在 C 点和 D 点之间的合金 称为过共晶合金 如图 3 17 49 页 所示 合金 为亚共晶合金 当液相的温度降低至 1 点时开始结晶 出 固溶体 当温度降低至 3 点时 剩余的液相恰好只有共晶成分 因此发生共晶转变 得到共晶体 在 3 点以下由于 和 溶解度曲线的变化分别从 析出 由于共 晶体中的次生相可以不予考虑 因而只需考虑先从先共晶 固溶体中析出的 的数量 合金 的最终组织应为 C 如图 3 18 50 页 所示 过共晶合金的冷却曲线及结晶过程 其分析方法和步骤与上述亚共晶合金基本相同 只是先共晶为 固溶体 所以合金 的最终组织应为 C 含 Sb 量小于 E 点的合金结晶过程 以合金 为例 其冷却曲线及结晶过程如图 3 19 51 页 所示 含量在 1 点以上为液相 1 至 3 点为匀晶转变得到 固溶体 3 点以下 由于 固溶 体溶解度的变化 伴随次生相 的析出 最终组织为 3 比重偏析 亚共晶或过共晶合金结晶时 若初晶的比重与剩余液相的比重相差很大时 则比重小 的初晶将上浮 比重大的初晶将下沉 这种由于比重不同而引起的偏析 称为比重偏析或 区域偏析 比重偏析的存在 也会降低合金的机械性能和加工工艺性能 四 二元包晶相图 两组元在液态无限互溶 在固态有限溶解 并发生包晶反应时 所构成的相图 称为 包晶相图 Pt Ag 相图如图 3 20 52 页 所示 图中 abc 为液相线 abcdb 为固相线 cf 为 Ag 组 元在 固溶体中的溶解度曲线 dg 是 Pt 组元在 固溶体中的溶解度曲线 cde 是包晶线 d 是包晶线 d 是包晶点 包晶线 cde 代表在这个合金系统中发生包晶反应的温度和成分范 围 现已合金 为例 分析其结晶过程 从 0 1 段为液相 此时结晶尚未未开始 1 2 段自液相中不断析出 固溶体 至 2 点时液相成分为 e 相成分为 c 此时合金在恒温条件下发生包晶反应 因此在合金的冷却曲线上出现代表包晶反应的 水平台阶 五 形成稳定化合物二元合金相图 所谓稳定化合物是指 在熔化前 即不分解也不产生任何化学反应的化合物 如 Mg 和 Si 即可形成分子式为 Mg2Si 的稳定化合物 Mg Si 相图就是形成稳定化合物的二元合金 相图 图 3 23 53 页 这类相图的主要特点是在相图中有一个代表稳定化合物的垂直线 以垂直线的垂足代 表稳定化合物的成分 垂直线的顶点代表它的熔点 十分明显 若把稳定化合物 Mg2Si 视 为一个组元 即可认为这个相图是由左 右两个简单共晶相图所组成 Mg Mg2Si 和 Mg2Si Si 因此可以分别对它们进行研究 使问题大大简化 六 具有共析反应的二元合金相图 自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格完全不同的新固相的转变过程 称为共析反应 同共晶反应相似 共析反应也是一个恒温转变过程 有是与共晶线及共晶 点相似的共析线和共析点 共析反应的产物称为共析体 最常见的共析反应是铁碳合金中 的珠光体转变 最简单的具有共析反应的二元合金相图如图 3 24 所示 54 页 图中 A 和 B 代表两组元 c 点为共析点 dce 为共析线 1 2 是共析体 共析反应为 1d 2e 七 二元相图的识别方法 由上述可知 二元合金相图的类型很多 但基本类型还是匀晶 共晶和包晶三大类 在分析二元合金相图时 应掌握以下要点 相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态 此点称为合金的表 象点 在单相区中合金由单相组成 相的成分即等于合金的成分 它由合金的表象点来决 定 在两个单相区之间必存在一个两相区 在此两相区合金处于两相平衡状态 两相的 相对量运用杠杆定律可以计算 在二元合金相图中三相平衡共存表现为一条水平线 三相平衡线 三相平衡线的图 形特征及性质如表 3 2 所示 八 合金的性能与相图间的关系 合金的性能取决于合金的化学成分和组织 合金的化学成分与组织间的关系体现在合 金相图上 因此合金相图与合金的性能之间必然存在着一定的联系 1 合金形成单相固溶体时的情况 当合金形成单相固溶体时 合金的性能显然与组成元素的性质及溶剂元素的溶入量多 少有关 对于一定的溶剂和溶质来说 溶质的溶入量越多 则合金的强度 硬度愈高 电 阻率愈大 电阻温度系数愈小 如图 3 25 所示 单相固溶体合金不宜制做铸件而适于承受 压力加工 在材料选用中应注意固溶体合金的这一特点 2 合金形成两相混合物的情况 合金形成两相混合物时 分成两种情况 一种通过包晶反应形成的普通混合物 另一种 是通过共晶或共析反应形成的机械混合物 当合金形成普通混合物时 合金的性能将随合 金化学成分的改变在两种性能之间按直线变化 当合金形成机械混合物时 合金的性能主 要取决于组织的致密程度 组织愈细密 组织敏感的合金性能如强度 硬度 电阻率等提 高愈多 当合金形成两相混合物时 通常合金的压力加工性能较差 当切削加工性能较好 3 合金形成化合物时的情况 当合金形成化合物时 合金具有较高的硬度 硬度和某些特殊的物理化学性能 但塑 性 韧性及各种加工性能极差 因而不宜用于做结构材料 当它们可以作为烧结合金的原 料用来生产硬质合金 或用以制造其他要求某中特殊物理 化学性能的制品或零件 第四章金属塑性变形与再结晶 第一节 金属的塑性变形 一 单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的方式 1 滑移 2 孪生 二 多晶体的塑性变形 1 晶界和晶粒位向的影响 2 多晶体塑性变形过程 一 单晶体的塑性变形 为了研究金属多晶体的塑性变形过程 应先了解金属单晶体的塑性变形 单晶体塑性 变形的方式有两种 滑移和孪生 1 滑移 滑移是单晶体中最主要的一种塑性变形方式 所谓滑移是晶体中的一部分相对于另一 部分沿一定晶面发生相对的滑动 滑移变形有如下特点 滑移只能在切应力的作用下发生 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生 滑移时晶体的一不能粉相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数 倍 滑移结果在晶体的表面上造成台阶 滑移的同时必然伴随着晶体的转动 2 孪生 在切应力作用下 单晶体有时还可以通过另一种方式发生塑性变形 即晶体的一部分 相对于另一部分沿着一定的晶面 孪生面 产生一定角度的切变 即转动 这种变形方式叫做 孪生 二 多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形与单晶体比较无本质上的差别 但由于晶界的存在 晶粒间位向的 差异 以及变形过程中晶粒之间的相互牵制等等 多晶体的塑性变形过程要比单晶体复杂 得多 1 晶界和晶粒位向的影响 晶界和晶粒位向对塑性变形有显著的阻碍作用 因此 多晶体的塑性变形抗力总是高 于单晶体 2 多晶体塑性变形过程 当金属受力产生塑性变形时 处于软位向与外力成 45 度夹角方向的晶粒首先发生塑 性变形 但它的塑性变形要受到周围不同位向晶粒的阻碍 特别是受到处于硬位向的晶粒 阻碍 这使得塑性变形的抗力增大 即强度 硬度增加 第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一 塑性变形对金属组织结构的影响 1 晶粒形状的变化 2 亚结构的形成 3 形变结构的产生 二 塑性变形对金属性能的影响 三 内应力的产生 1 第一类内应力 2 第二类内应力 3 第三类内应力 一 塑性变形对金属组织结构的影响 1 晶粒形状的变化 塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长形成 纤维 组织 2 亚结构的形成 随着塑性变形的发生 位错之间产生一系列复杂的交互作用 产生了位错缠结现象 随着变形的增加 位错缠结现象进一步发展 便会把各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒 随着 变形的方向被拉长 3 形变织构的产生 在定向变形情况下 当变形量达到一定值 70 90 以上 金属中的每个晶粒的位向 都趋于大体一致 这种现象称为 织构 现象 或称 择优取向 二 塑性变形对金属性能的影响 组织上的变化 必然引起性能上的变化 如纤维组织的形成 使金属的性能具有方向 性 纵向的强度和塑性高于横向 晶粒破碎和位错密度增加 使金属的强度和硬度提高 塑性和韧性下降 产生了所谓加工硬化 或冷作硬化 现象 三 内应力的形成 1 第一类内应力 它是由于金属的表面和心部塑性变形不均匀造成的 存在于宏观范围内 故又称宏观 内应力 2 第二类内应力 它是由于晶粒之间变形不均匀造成的 存在于晶粒间 故称微观内应力或晶间内应力 3 第三类内应力 它是由于晶格畸变 原子偏离平衡位置造成的 存在于原子之间 又称晶格畸变应力 第三类内应力是使金属强化的主要原因 也是变形金属中的主要内应力 第三节 回复与再结晶 一 变形金属在加热时组织和性能的变化 1 回复 2 再结晶 3 晶粒长大 二 金属的再结晶温度 三 再结晶退火后的晶粒度 一 变形金属在加热时组织和性能的变化 1 回复 加热温度较低时 变形金属中的一些点缺陷和位错 在某些晶内发生迁移变化的过程 称为回复 由于回复阶段原子活动能力不大 金属的晶粒大小和形状无明显变化 仍为纤维 组织 故金属的强度和塑性变化不大 而内应力和电阻等理化性能显著降低 因此生产中 要求保留加工硬化性能而需要降低内应力或改善某些理化性能所用的低温退火 就是利用 回复的原理 2 再结晶 变形金属加热到较高温度时 原子具有较强的活动能力 有可能再破碎的亚晶界处重 新形核和长大 使原来破碎拉长的晶粒变成新的 内部缺陷较少的等轴晶粒 这一过程 使晶粒的外形发生了变化 而晶格的类型无任何变化 故称为 再结晶 经过再结晶得 到了新的等轴晶 消除了变形金属的一切组织特征 加工硬化核内应力也被完全消除 各 种性能完全回复到变形前的状态 所以再结晶退火常作为金属进一步加工时的中间退火工 序 3 晶粒长大 再结晶完成后继续升高温度或延长加热时间 晶粒会不断长大 晶粒长大是靠晶界的 迁移 小晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中 晶界本身趋于平直化 晶粒粗大 使金属 的机械性能显著降低 故一般不希望发生 二 金属的再结晶温度 变形金属开始进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度 影响再结晶温度的因素如下 预先的变形程度 变形程度愈大 金属畸变能愈高 向低能状态变化的倾向也愈大 因此再结晶温度愈低 原始晶粒大小 金属原始晶粒越小 则变形的抗力越大 变形后存储的能量较高 再结晶温度则较低 金属的纯度及成分 金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂 当金属中含有 少量元素 特别是高熔点元素时 常会阻碍原子扩散或晶界的迁移 而使再结晶温度 升高 再钢中再加入少量的 W Mo V 等 还会更进一部提高再结晶温度 加热速度核保温时间 再结晶过程需要有一定时间才能完成 故加热速度的增加会 使再结晶推迟到较高温度才发生 而保温时间延长 原子扩散充分 可使再结晶过程在 较低温度下完成 在工业生产中 金属通常以大变形量