02第二章金属的结构与塑性变形-(nxpowerlite)

1、2021/8/61l一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念l二、纯金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构l三、实际金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构l四、纯金属的结晶四、纯金属的结晶l五、合金的晶体结构五、合金的晶体结构2021/8/62l物质由原子组成。物质由原子组成。l原子的结合方式和排列原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。方式决定了物质的性能。l原子、离子、分原子、离子、分子之间的结合力子之间的结合力称为称为结合键结合键。l它们的具体组合它们的具体组合状态称为结构。状态称为结构。C60金属键金属键2021/8/63金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构l1

2、、晶体与非晶体、晶体与非晶体l晶体晶体是指原子呈规则排是指原子呈规则排列的固体。列的固体。常态下金属常态下金属主要以晶体形式存在。主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性晶体具有各向异性。l非晶体非晶体是指原子呈无序是指原子呈无序排列的固体。排列的固体。在一定条在一定条件下晶体和非晶体可互件下晶体和非晶体可互相转化。相转化。2021/8/64l 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格的三维空间格架。直线的交架。直线的交点（原子中心）点（原子中心）称结点。由结称结点。由结点形成的空间点形成的空间点的阵列称空点的阵列称空间点阵。间点阵。20

3、21/8/65l 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2021/8/66l 晶系：晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶胞个边晶胞个边的尺寸的尺寸 a、b、c.l各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、表示。表示。2021/

4、8/67l 原子半径：原子半径：晶胞中原子晶胞中原子密度最大方向上相邻原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。间距的一半。l 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞一个晶胞内所包含的原子数目。内所包含的原子数目。l 配位数配位数: 晶格中与任一原子晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目距离最近且相等的原子数目.l 致密度：致密度：晶胞中原子本身晶胞中原子本身所占的体积百分数。所占的体积百分数。2021/8/68l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为称为金属键金属键。l金属原子趋向于紧密排列。金

5、属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。2021/8/692021/8/6102021/8/6112021/8/6122021/8/613l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径

6、：原子半径：2021/8/6142021/8/6152021/8/6162021/8/6172021/8/618 a42r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格2021/8/6192021/8/6202021/8/6212021/8/622a21r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高

7、和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格2021/8/6232021/8/624l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m, 铸造金属可达几铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图l 单晶体与多晶体单晶体与多晶体l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l多晶体：多晶体：l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。2021/8/625铅锭宏观组织铅锭宏观组织Nb-Hf-W plate

8、with an electron beam weld2021/8/626l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图2021/8/627l 晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类三类, 即点、线即点、线、面缺陷。面缺陷。2021/8/628l 点缺陷点缺陷 l空间三维尺寸都空间三维

9、尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子2021/8/629la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。lb. 间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙2021/8/630lc. 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来取代原来原子位置的外来原子称置换原子。原子称置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，状态，使晶格发生扭曲，称称晶晶空

10、位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。2021/8/6312021/8/632l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错l位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分。分刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。2021/8/633刃位错的形成刃位错的形成2021/8/634l刃型位错：刃型位错：当一个完整晶

11、体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。l半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。表示。2021/8/635l位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2l位错对性能的影响位错

12、对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。l减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 2021/8/636透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线( (黑线黑线) )2021/8/6372021/8/638l 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界l晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510

13、个个原子间距，位向差一般为原子间距，位向差一般为2040。2021/8/639l亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。l亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚亚晶界晶界，可看作可看作位错壁位错壁。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁2021/8/640l晶界的特点：晶界的特点：l 原子排列不规则原子排列不规则.l 熔点低熔点低。l 耐蚀性差耐蚀性差。l 易产生内吸附易产生内吸附， 外来原子易在晶界偏聚。外来原子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部，是强化部位，因而实际使用的金

14、属力位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。求获得细晶粒。l 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位. 显微组织的显示显微组织的显示2021/8/6412021/8/642l合金合金是指由两种或两种是指由两种或两种以上元素组成的具有金以上元素组成的具有金属特性的物质。属特性的物质。l组成合金的元素可以是组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金全部是金属，也可是金属与非金属。属与非金属。l组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜2021/8/643l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同

15、、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或镜下观察到的金属中各相或各晶粒的各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和和分布分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金2021/8/644l 固溶体固溶体l合金由液态结晶为固态时，组元间相互溶解，形成合金由液态结晶为固态时，组元间相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相称在某一组元晶格中包含有其他组元的新相称固溶体固溶体。 用用

16、、 、 表示。表示。l与固溶体晶体结构相同的元素与固溶体晶体结构相同的元素称称溶剂溶剂。其它元素称其它元素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相, ,实际合金多是实际合金多是单相固溶体合金单相固溶体合金或或以固溶体为基的合金以固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换置换固溶体固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体2021/8/645l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体体.l溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布

17、的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布呈有序分布的称的称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织2021/8/646l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非溶质元素是原子半径较小的非金属元素金属元素，如，如C、N、B等，而等，而溶剂元素一般是过溶剂元素一般是过 渡族元素渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.59时形成复杂结构时形成复杂结构间隙化合物。间隙化合物。如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。lF

18、e3C 称称渗碳体渗碳体, 是钢中重要组是钢中重要组成相，具有复杂成相，具有复杂斜方晶格。斜方晶格。l化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固子，形成以化合物为基的固溶体。溶体。Fe3C的晶格的晶格钢中的钢中的Fe3C2021/8/653l单晶体受力后，外力在单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力正应力和和切应力切应力。正应。正应力只能引起弹性变形及力只能引起弹性变形及脆性断裂。脆性断裂。只有在切应只有在切应力的作用下金属晶体才力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。能产生塑性变形。一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形外力在晶

19、面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片2021/8/654韧性断口韧性断口脆性解理断口脆性解理断口2021/8/655l塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生。滑移和孪生。l金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。 l 滑移滑移l滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的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晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑动位移的现象。2021/8/656l1、滑移变形的特点、滑移变形的特点 ：l 滑移只能在滑移只能在切应力切应力的作的作用下发生。用下发生。产生滑移的最产生滑移

20、的最小切应力称小切应力称临界切应力。临界切应力。2021/8/657l 滑移 常 沿滑移 常 沿晶体中原子密晶体中原子密度最大的晶面度最大的晶面和晶向发生。和晶向发生。因原子密度最因原子密度最大的晶面和晶大的晶面和晶向之间原子间向之间原子间 距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方滑移方向向。通常是晶体中的通常是晶体中的密排面密排面和和密排方向密排方向。 滑移面滑移面滑移方向滑移方向FF2021/8/658l一个滑移面一个滑移面和其上的一和其上的一个滑移方向个

21、滑移方向构成一个构成一个滑滑移系移系。体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格1106111110111晶格晶格滑滑移移面面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系21114362=1243=12六方六方底面底面1底面底面对角线对角线313=3六方底面六方底面底面底面对角线对角线2021/8/659l滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。l因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格因而金属

22、的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格好于密排六方晶格。（面心立方）（面心立方）（密排六方）（密排六方）2021/8/660l滑移时，晶体两部分的相对位滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。移量是原子间距的整数倍。l滑移的结果在晶体表面形成台阶，滑移的结果在晶体表面形成台阶，称称滑移线滑移线，若干条滑移线组成一，若干条滑移线组成一个个滑移带滑移带。 铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带2021/8/661l 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动l转动有两种：转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面滑移面向外力轴方向转

23、动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。上滑移方向向最大切应力方向转动。2021/8/6622021/8/663l转动的原因：转动的原因：晶体滑移后使正应力晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。分量和切应力分量组成了力偶。l当滑移面、滑移方向与外力方向都呈当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑角时，滑移方向上切应移方向上切应 力最大，因而力最大，因而 最容易发生滑最容易发生滑 移移.l滑移后，滑移滑移后，滑移 面两侧晶体的面两侧晶体的 位向关系未发位向关系未发 生变化。生变化。 A0AA1FF滑移面滑移面滑移方向滑移方向最大切应力方向最大切应力方向2021/8/6642021/

24、8/665多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行l2、滑移的机理、滑移的机理l把滑移设想为刚性整体滑动所需把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大临界切应力值大3-4个数量级个数量级。滑滑移是通过滑移面上位错的运动来移是通过滑移面上位错的运动来实现的。实现的。2021/8/666l晶体通过位错运动产生滑移时，只晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种距，因而所需临界切应力小，这种现象称作现象称作位错的易

25、动性位错的易动性。2021/8/6672021/8/668l 孪生孪生l孪生孪生是指晶体的一是指晶体的一部分沿一定部分沿一定 晶面和晶面和晶向相对于另一部晶向相对于另一部分所发生的切变。分所发生的切变。2021/8/669l发生切变的部分称发生切变的部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶，沿其发生孪生的，沿其发生孪生的晶面称晶面称孪生面孪生面。l孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 孪晶组织孪晶组织孪生示意图孪生示意图2021/8/670l与滑移相比：与滑移相比：l孪生使晶格位向发生改变孪生使晶格位向发生改变；l所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多,

26、 变形速度极快变形速度极快, 接近声速接近声速;l孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。2021/8/671l密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于形，但常发现有孪晶存在，这是由于退火处理中退火处理中相相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的。变过程中原子重新排列时发生错排而产生的。奥氏体

27、不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶2021/8/672l二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形l（一）变形过程（一）变形过程l多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于或接近于45的晶粒。的晶粒。当塞积位错前端的应力达到当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一由一批晶粒传递到另一l批晶粒，批晶粒，当有大

28、量晶粒当有大量晶粒l发生滑移后，金属便显发生滑移后，金属便显l示出明显的塑性变形。示出明显的塑性变形。 2021/8/673l单个晶粒变形与单晶体相似单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。多晶体变形比单晶体复杂。l1、晶界的影响、晶界的影响l当位错运动到晶界附近时，当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来受到晶界的阻碍而堆积起来,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继。要使变形继续进行续进行, 则必须增加外力则必须增加外力, 从从而使金属的变形抗力提高。而使金属的变形抗力提高。2021/8/674Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积2021/8/675l2、晶

29、粒位向的影响、晶粒位向的影响l由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹这种弹性变形便成为塑性性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻变形晶粒的变形阻力。力。由于晶粒间的由于晶粒间的这种相互约束，使这种相互约束，使得多晶体金属的塑得多晶体金属的塑性变形抗力提高性变形抗力提高。 2021/8/676l3、 晶粒大小对金属塑晶粒大小对金属塑性变形的影响性变形的影响。l因为因为；，使金属塑，使金

30、属塑性变形的抗力越高。性变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系Cu-Zn合金2021/8/677。l因为因为，使在断裂前发生较使在断裂前发生较大的塑性变形。大的塑性变形。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料2021/8/6782021/8/679l合金可根据组织分为合金可根据组织分为单相固溶体单相固溶体和和多相混合物多相混合物两种。两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。珠光体珠光体奥氏体奥氏体2021/8/680l一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化l单相固溶体

31、合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，形成的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，形成固溶强化，固溶强化，提高塑性变形抗力提高塑性变形抗力。2021/8/681l产生固溶强化的原因产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用。：溶质原子与位错相互作用。溶质原子不仅使晶格发生畸变溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱，位错要脱钉，则必须增

32、加外力，从而使变形抗力提高。钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。 Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系2021/8/682l当合金的组织由多相混合物当合金的组织由多相混合物组成时，组成时，合金的塑性变形除合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。大小、数量和分布有关。 + 钛合金中的固溶体第二相钛合金中的固溶体第二相DD398高温合金中的化合物第二相高温合金中的化合物第二相2021/8/683l当在晶界呈网状分布时当在晶界呈网状分布时，对，对合金的强度和塑性不利合金的强度和塑性不利;l当在

33、晶内呈片状分布时当在晶内呈片状分布时，可，可提高强度、硬度，但会降低提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；塑性和韧性；珠光体珠光体2021/8/684l当在晶内呈颗粒状弥散分布时，当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有 下降，这种强化方法称下降，这种强化方法称弥散强弥散强化化。l弥散强化的原因弥散强化的原因是由于硬的颗是由于硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的粒不易被切变，阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。运动，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片2021/8

34、/685位错切割第二相粒子位错切割第二相粒子电镜观察电镜观察切割进入第二相粒子的位错切割进入第二相粒子的位错示意图示意图2021/8/686l随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称塑性、韧性下降的现象称加工硬化加工硬化。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜2021/8/6872021/8/688l产生加工硬化的原因是产生加工硬化的原因是:l1、随变形量增加、随变形量增加, 位错位错密度增加密度增加，由于位错之，由于位错之间的交互作用间的交互作用(

35、堆积堆积、缠缠结结)，使变形抗力增加。，使变形抗力增加。 位错密度与强度关系位错密度与强度关系2021/8/689l2. 随变形量增加，亚结构细化随变形量增加，亚结构细化l3. 随变形量增加随变形量增加, 空位密度增加空位密度增加l4. 几何硬化几何硬化：由晶粒转动引起：由晶粒转动引起l由于加工硬化由于加工硬化, 使已变形部分发使已变形部分发生硬化而停止变形生硬化而停止变形, 而未变形部而未变形部分开始变形。分开始变形。没有加工硬化没有加工硬化, 金金属就不会发生均匀塑性变形。属就不会发生均匀塑性变形。l加工硬化是强化金属的重要手加工硬化是强化金属的重要手段之一，段之一，对于不能热处理强化对于

36、不能热处理强化的金属和合金尤为重要。的金属和合金尤为重要。变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁2021/8/690l二、塑性变形对组织结构的影响二、塑性变形对组织结构的影响 l金属发生塑性变形时，不仅外形金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其发生变化，而且其内部的晶粒也内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。相应地被拉长或压扁。l当变形量很大时，晶粒将被拉长当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。为纤维状，晶界变得模糊不清。l塑性变形还使晶粒塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。破碎为亚晶粒。变形前变形前变形后变形后2021/8/6915%冷变形纯铝中的位错网冷变形

37、纯铝中的位错网(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%2021/8/692l由于晶粒的转动，由于晶粒的转动，当当塑性塑性变变形达到一定程度时，会使绝形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象形方向趋于一致，这种现象称称织构织构或或择优取向择优取向。l形变织构使金属呈形变织构使金属呈现各向异性现各向异性，在深，在深冲零件时，易产生冲零件时，易产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。构可提高硅钢片的导磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织

38、构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无2021/8/6932021/8/694l内应力内应力是指平衡于金属内部是指平衡于金属内部的应力。的应力。是由于金属受力时是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。内部变形不均匀而引起的。l金属发生塑性变形时，外力所做的功只有金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为转化为内应力残留于金属中内应力残留于金属中。内应力分为三类：内应力分为三类：l第一类内应力第一类内应力平衡于表面与心部之间平衡于表面与心部之间 (宏观内应力宏观内应力).l第二类内应力第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域

39、之间 (微观内应力微观内应力)。l第三类内应力第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。是由晶格缺陷引起的畸变应力。 曲轴中内应力的模拟曲轴中内应力的模拟2021/8/695l第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。强度降低。l内应力的存在，内应力的存在，使金使金属耐蚀性下降，属耐蚀性下降，引起引起零件加工、淬火过程零件加工、淬火过程中的变形和开裂中的变形和开裂。因。因此，金属在塑性变形此，金属在塑性变形后，通常要进行退火后，通常要进行退火处理，以消除

40、或降低内应力。处理，以消除或降低内应力。晶界位错塞积所晶界位错塞积所引起的应力集中引起的应力集中2021/8/696l一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 l金属经冷变形后金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, 有自发恢复有自发恢复到稳定状态的倾向到稳定状态的倾向。但但在常温下在常温下，原子扩散能力小原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生增加，金属将依次发生回复、再结晶回复、再结晶和和晶粒长大。晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜2021/8/697l

41、 回复回复l回复回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如如空位与其空位与其 他缺陷合并、同一滑移面他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并上的异号位错相遇合并而而使缺陷数量减少等。使缺陷数量减少等。l由于位错运动使其由冷塑由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，垂直分布，形成亚晶界，这一过程称这一过程称多边形化多边形化。2021/8/698l在回复阶段在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下，组织变化不明显，其强度、硬

42、度略有下降，塑性略有提高，但降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降内应力、电阻率等显著下降。工业上常利用回复现象工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳将冷变形金属低温加热，既稳 定组织又保留加工硬化，这定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称种热处理方法称去应力退火去应力退火。80%冷变形冷变形Al合金回合金回复后的复后的TEM明场像明场像2021/8/699l 再结晶再结晶l当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，状开始发生变化，由破由破碎拉长的晶粒变为完整碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶

43、粒的等轴晶粒。l这种这种冷变形组织在加热冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程时重新彻底改组的过程称称再结晶再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热2021/8/6100l再结晶也是晶核形成和长再结晶也是晶核形成和长大的过程，大的过程，但但不是相变过不是相变过程程，再结晶前后晶粒的晶，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。格类型和成分完全相同。Al合金再结晶晶粒在原合金再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢加加热时再结晶晶粒形核于热时再结晶晶粒形核于高密度位错基体上高密度位错基体上2021/8/6101l由于再结晶后组织的复

44、由于再结晶后组织的复原，因而原，因而金属的强度、金属的强度、硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织2021/8/6102l 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大l再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，将发生晶粒长大，这是这是一个自发的过程。一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织

45、580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织2021/8/6103l晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低其是塑性和韧性降低 。原子穿过原子穿过晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向2021/8/6104冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分

46、后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织2021/8/6105l再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的发生再结晶的最低温度称最低温度称再结晶温度再结晶温度。580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶2021/8/6106T再再与与的关系的关系l影响再结晶温度的因素为：影响再结晶温度的因素为：l1、金属的预先变形程度：、金属的预先

47、变形程度：金属预先变形程度越大金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度最低再结晶温度。l纯金属的最低再结晶温度纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系与其熔点之间的近似关系: T再再（K）0.4T熔熔（K） 其中其中T再再、T熔熔为绝对温度为绝对温度.l金属熔点越高金属熔点越高, T再再也越高也越高.T再再 = (T熔熔+273)0.4273，如，如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=4512021/8/6107l2、金属的纯度、金属的纯度l金属中

48、的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高使再结晶温度显著提高.合金元素对工业纯铁再结晶温度的影响合金元素对工业纯铁再结晶温度的影响纯度对铝再结晶温度的影响纯度对铝再结晶温度的影响2021/8/6108l3、再结晶加热速度和加热时间、再结晶加热速度和加热时间l提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。l生产中，把生产中，把消除加工硬化的热处理称为消除加工硬化

49、的热处理称为再结晶退火再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高再结晶退火温度比再结晶温度高100200。 黄铜黄铜580C保温保温8秒后的组织秒后的组织黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织2021/8/6109l1、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间l加热温度越高，保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大越长，金属的晶粒越粗大,加热温度的影响尤为显著加热温度的影响尤为显著.再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响2021/8/6110l2、预先变形度、预先变形度l预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影

50、响。l当变形度很小时当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。，晶格畸变小，不足以引起再结晶。l当变形达到当变形达到210%时时，只有部分晶粒变形，变形极，只有部分晶粒变形，变形极预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响不均匀，再结晶晶不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度粗大，这个变形度称称临界变形度临界变形度。2021/8/6111l当超过临界变形度后当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶来越均匀，再结晶时

51、形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。基本不变。 l对于某些金属，当变对于某些金属，当变形量相当大时形量相当大时( 90%),再结晶后晶粒又出现再结晶后晶粒又出现粗化现象，一般认为粗化现象，一般认为这与形成织构有关。这与形成织构有关。2021/8/61122021/8/6113l一、冷加工与热加工的区别一、冷加工与热加工的区别l在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。分的。低于再结晶温度的加工称为低于再结晶温度的加工称为冷加工，冷加工，而高于而高于再结晶温度的加工称为再结晶温度的加工称为热加工热加工。轧制轧制模锻模锻拉拔拉