第一章金属学基础-1

1、工程材料及金属工艺学罗建东2008年9月课程的性质课程的性质工程材料及金属工艺学是材控及安工专业一门十分重要的技术基础课。它主要研究工程材料的性能及强化工艺,各种成形工艺方法本身的规律及其相互联系与比较,各种加工方法的特点和应用。本课程涉及的基本内容本课程涉及的基本内容 本课程主要涉及以下内容：第一部分：工程材料金属学基础；铁碳合金；钢的热处理；黑色金属；有色金属；材料选用及应用第二部分：金属工艺学铸造成形；锻压成形；焊接成形；金属切削基础；常用加工方法；典型表面加工方法分析。 本课程计划学时为56学时。其中工程材料部分和金属工艺学部分各学时。第一部分第一部分工程材料工程材料第一章第一章 金属

2、学基础金属学基础本章主要内容：金属的晶体结构，金属的结晶，金属的塑性变形与再结晶。（本章学时：学时）学习本章的具体要求：掌握常见晶体结构及实际晶体的缺陷。了解晶粒细化措施，再结晶、加工硬化等概念。第一章第一章 金属学基础金属学基础 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。硅表面原子排列 碳表面原子排列 一、晶体与非晶体晶体与非晶体的主要区别在于原子内部排列方式的不同。1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不

3、规则排列。长程无序，各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。 金属晶体模型 非晶体晶体与非晶体的性能区别 有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。 晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。晶体与非晶体的转变 晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变w 玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；w 金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；w 非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。二、常见金属的晶体结构二、常见金属的晶体结构晶格与晶胞

4、各种晶体物质的内部原子按一定的规律在空间有规则地紧密堆积在一起，为了便于分析各种晶体原子中原子排列的规律，用假想的几何线条将各原子的中心连接起来，使之构成一个空间格子。这种用以描述原子在晶体中排列形式的空间格子叫做“晶格”。晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。 选取原则： 能够充分反映空间点阵的对称性； 相等的棱和角的数目最多； 具有尽可能多的直角； 体积最小。 晶格常数 三个棱边的长度a,b,c及其夹角,表示。晶体晶格晶胞典型晶体结构及其几何特征 在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大

5、多属于三种典型的晶体结构。它们分别是： 1、体心立方晶格 2、面心立方晶格 3、密排六方晶格 体心立方晶格原子排列方式： 体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：晶格常数：a=b=c, =90 常见金属：具有体心立方晶格的金属有：钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 -铁(-Fe, 912)等。 原子个数：在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。 面心

6、立方晶格原子排列方式：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征面心立方晶胞的特征： 晶格常数：a=b=c, =90 常见金属：具有这种晶格的金属有： 铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、- 铁( -Fe, 9121394)等。 原子个数：在面心立方晶格的晶胞中，八个顶角上各有一个原子，在立方体的每个面的中心还各有一个原子，这个原子也同时属于与该面相邻的两个晶胞，因此，面心立方晶体的晶胞中原子数为4个。 密排六方晶格原子排列方式：十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下

7、底面之间均匀分布三个原子。密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。 常见金属：具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。 原子个数：晶胞原子数：6 三、金属的同素异晶转变 某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。 下面以铁为例子来说明同素异晶转变：-Fe-Fe-Fe-L 体心立方 （912） 面心立方 （1492）体心立方 金属的同素异晶转变为其热处理提供基

8、础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构 1、单晶体与多晶体 如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。 单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。 多晶体示意图 多晶体示意图多晶体示意图 2 2、实际金属的晶体缺陷、实际金属的晶体缺陷在晶体中，晶格的每一个结点上都有一个原子，其它间隙处都没有原子，原子排列规则整齐，这种晶体称为理想

9、晶体。但实际金属晶体中的原子排列未必完全规则，在某些局部区域，原子排列甚至很不规则。这些原子排列的规律性受到严重破坏的区域，称之为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响，材料的烧结和固相的反应以及金属的塑性变形等等都和晶体中缺陷的存在有关。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类： 点缺陷、点缺陷、线缺陷、面缺陷线缺陷、面缺陷 。1）点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。主要有晶格空位、间隙原子和异类原子。纯金属晶体中的点缺陷包括空位和自间隙原子，以及由它们组合而成的复杂形式。空位是晶体内部原子迁移到界面后，在体内留下的

10、原子尺度的空洞；自间隙原子是进入自身晶格间隙位置的原子。异类原子是指杂质原子或合金元素的原子。异类原子占据晶格结点时称为置换原子。当异类原子直径很小时，常存在于晶格间隙中，这也称为间隙原子。 点缺陷与材料行为： （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。） （2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。） 力学性能（屈服强度提高。）2）线缺陷 线缺陷是在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散

11、、相变过程有较大影响。） 位错的基本类型（A）刃型位错分类：正刃型位错（）；负刃型位错（）。（B）螺型位错分类：左螺型位错；右螺型位错。不锈钢中的位错线位错的运动 位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。 位错运动的方式 a 滑移：位错沿着滑移面的移动。 b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面 方向上的运动。 3）面缺陷面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、亚晶界。（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。 其结构为几个原子范围内的原的混 乱排列，可视为一个过渡区。小

12、角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。亚晶界亚晶界第二节第二节 金属的结晶金属的结晶熔化 凝固与结晶 物质从液态到固态的转变过程称为凝固。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。 一、一、 结晶的基本规律结晶的基本规律1 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原

13、子排列较混乱。 2 、过冷现象 （1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。 （2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际结晶温度To之差 T=Tm-To 注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。 3、结晶过程 （1）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图） （2）描述结晶进程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。二、晶核的形成和长大二、晶核的形成和长大1、晶核的形成、晶核的形成1 1）自发形核）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长

14、出结晶核心的过程叫做自从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。晶核心叫做非自发晶核。 2 2、晶核的长大、晶核的长大1 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。平行推移的方式长大。2 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界）树枝状

15、长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。以树枝状的形状长大。 金属结晶示意图金属结晶示意图三、铸锭组织三、铸锭组织 最典型的铸造结构，最典型的铸造结构，整个铸锭明显地分为三整个铸锭明显地分为三个各具特征的晶区。个各具特征的晶区。1 1、表面细晶粒层、表面细晶粒层2 2、中间柱状晶粒层、中间柱状晶粒层3 3、中心等轴晶粒层、中心等轴晶粒层（粗晶层）（粗晶层）表面细晶粒层比较致密，表面细晶粒层比较致密，力学性能好，但这一层力学性能好，但这一层

16、很薄，只对某些薄壁铸很薄，只对某些薄壁铸件起一定作用。柱状晶件起一定作用。柱状晶粒区，在两排相对生长粒区，在两排相对生长的柱状晶粒相遇的结合的柱状晶粒相遇的结合面上存在脆弱区。在此面上存在脆弱区。在此区常有低熔点杂质和非区常有低熔点杂质和非金属夹杂物聚集，锻压金属夹杂物聚集，锻压轧制时容易沿结合面裂轧制时容易沿结合面裂开。开。四、晶粒细化及措施四、晶粒细化及措施 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。 在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为

17、细晶强化。 细化铸态金属晶粒有以下措施。 1、增加过冷度 一定体积的液态金属中,若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大, 则结晶后的晶粒越多, 晶粒就越细小; 晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度, m/s)越快, 则晶粒越粗。 随着过冷度的增加, 形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度, 采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。 2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和

18、改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。 3. 振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 4. 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。第三节、金属的塑性变形与再结晶第三节、金属的塑性变形与再结晶 一、金属的塑性变形 1单晶体金属的塑性变形 工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。 将一个表面经过抛

19、光的纯锌单晶体进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条的痕迹，称为滑移带。 锌单晶体拉伸试验示意图（a）变形前试样 （b）变形后试样 滑移带和滑移系的示意图金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。滑移变形具有以下特点：（1）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍 晶体滑移后，在其表面上出现滑移痕迹，通常称为滑移带，如图5-2所示。在电子显微镜下观察还会发现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成的。（4）滑移的同时伴随着晶体的转

20、动。 晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图在图中图示了一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动造成一个原子间距滑移的过程。从图5-3可以看出，当一条位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。 2滑移的机理 大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。 3多晶体金属的塑性变形 多晶体金属的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变形仍然以滑移等方式进行。但由于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故多晶体的塑性变形要比单晶体复

21、杂得多。 4合金的塑性变形与强化 合金中由于含有合金元素而使其晶格发生了畸变，因而也使它的性能发生显著变化。根据合金的组织可将其分为单相固溶体和多相混合物两大类。在这两种不同情况下，合金元素对塑性变形的影响也不相同。 二、塑性变形对组织和性能的影响1塑性变形对金属显微组织的影响 当变形量很大时，晶粒将被拉长成纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金属的性能将会有明显的各向异性，如纵向的性能明显优于横向。塑性变形也会使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒。2形变织构的产生 当出现织构以后，多晶体金属就表现出一定程度的各向异性，这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。3塑性变形对金属性能的影响 在

22、塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化，金属的性能也将产生变化。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这一现象称为“加工硬化”或“形变强化”。4残余内应力 内应力分为三类：第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心部变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间；第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。 三、加工硬化的意义 1、加工硬化可使金属零件具有一定的抗偶然过载的能力，保证机械零件的安全。 2、加工硬化是冷变形工件成型的重

23、要因素。通过加工硬化，使材料发生均匀的塑性变形，从而获得冷变形加工的金属制品，如冲压件等。 3、加工硬化是强化金属的重要手段。四、变形金属在加热过程中组织和性能的变化四、变形金属在加热过程中组织和性能的变化金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀，但却给进一步的冷成形加工（例如深冲）带来困难，所以常常需要将金属加热进行退火处理，以使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图1回复 回复是指冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。2再结晶冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。纯金属：T再结晶（最低）=0.4T熔点，合金： T再结晶（最低）=