工程材料学—金属组织结构与塑性变形

1、第二章 金属组织结构与塑性变形非晶体: 原子无规则地堆集在一起(无序排列)。如松香、石蜡、玻璃等。2.1 金属的晶体结构2.1.1 晶体与非晶体 晶体: 原子按一定的几何规律作周期性地排列(有序排列)。如石墨、金刚石、固态金属等。 性能区别：晶体有固定的熔点和凝固点，呈各向异性,而非晶体则没有。2.1.2金属键金属键在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积中，所有在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积中，所有的金属离子皆处于相同的环境中。金属键无饱和的金属离子皆处于相同的环境中。金属键无饱和性和方向性性和方向性 金属键决定金属的特性：良好的导电性、导热性；不透明、有金属光泽；良好的塑性、强度韧性好。2.

2、1.3 常见金属的晶体结构晶体晶胞（单位点阵）晶格结点 (1)体心立方晶格-Fe、Cr、W、V等二十余种。(2)面心立方晶格-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等二十余种。(3)密排六方晶格Mg、Zn、Be、Ti、Cd、等近三十种。单晶体晶体中晶格类型与空间位向排列完全一致。具有各向异性晶面：晶格中各方位的原子面。晶向：晶格中各方向的原子列。例如： -Fe弹性模量E对角线上：90，000MPa棱 边 上：13，000MPa晶粒：多晶体中的小晶体（一般尺寸在10-5m10-4m，也有大至几个或十几个毫米的。 )晶界：晶粒与晶粒的交界 。多晶体具有各向同性 (伪各向同性)多晶体由许多晶格位向

3、不同的小晶体构成。2.1.4 实际金属中的晶体缺陷与强化 金属的晶体内部原子的错排称金属的晶体缺陷，与金属性能变化有直接关系。 点缺陷造成金属晶格畸变引起性能变化（一般使强度、硬度提高）(1)点缺陷点缺陷是指三维空间中，三个方向上尺寸都很小的缺陷。间隙原子空位置换原子(2)线缺陷 线缺陷是指在两个方向上尺寸很小，在另一方向上尺寸较大的缺陷。这就是位错位错，由晶体中原子平面的错动引起。 类型: 即刃型位错和螺型位错两种。DBCA位错位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成，位错可以用透射电镜观察到。 位错在晶体中的移动会使金属塑性变形容易进行。当位错密度增加到一定程度时，使位错移动困难又

4、会使金属的强度提高，这种现象称为位错强化。不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线金属的强度与位错密度的关系金属的强度与位错密度的关系实际上应用的金属的位错密度通常为1061012cm-2，且随着位错密度的增加，金属的强度s也增加例：退火状态的Fe,位错密度为为10cm-2， b为MPa;经冷变形后，位错密度 增至 10cm-2 ， b为MPa；继续增加变形量，位错密度达极限值 10cm-2， b可高达MPa 晶界：晶粒与晶粒之间的交界 。 亚晶界：亚晶粒之间的交界（在一个晶粒内部又存在位向差只有几十分到12的小晶块，称为亚晶粒）。 (3)面缺陷面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，在另一方向上尺寸较小的缺

5、陷。常见的是晶界与亚晶界。 晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）通过细化晶粒，增加晶界面积提高金属强度的方法。必须指出，这种强化与位错强化不同，晶界强化不仅使金属强度提高，还使塑性、韧性得到改善。2.2.1 金属结晶的过冷现象 热分析法（测定冷却曲线）平衡结晶平衡结晶温度 (或理论结晶温度) To。 实际结晶温度Tn。过冷现象。过冷度。即T=To-Tn。过冷是结晶的必要条件2.2 金属的结晶与同素异构转变温度时间TnT02132.2.2 金属的结晶过程 不断的形核与核长大晶核形成 自发形核 非自发形核核长大 枝晶长大 平面晶长大 对性能的影响: 一般情况下，晶粒越细小，其强度越高、塑性及韧

6、性越好。 单位体积内的晶粒数目Z取决于结晶时的形核率N(单位时间在单位体积内所生成的晶核数目)与晶核长大速度G两个因素，它们之间存在以下关系： Z N/G2.2.3 晶粒度及其控制 晶粒度即是晶粒大小的等级， 常用单位体积内晶粒数目表示。 Z N/G细化晶粒的主要方法是：(1)增大过冷度 ( N G )(2)变质处理（孕育处理）(3)振动搅拌同素异构转变（重结晶）金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变。如铁、钴、钛、锡等重结晶与结晶相似点： 转变在恒温下进行, 有形核与长大的过程， 必须有一定的过冷度。400600800770 d-Fe g-Fe -Fe 9121538 1394 时间 20

7、01000120014001600温度2.2.4 金属的同素异构转变重结晶与结晶的区别：1.新的晶核往往在原晶界上形成；2.固态转变需要较大的过冷度；3.会产生体积变化，引起较大的内应力。2.2.4 金属的同素异构转变400600800770 d-Fe g-Fe -Fe 9121538 1394 时间 2001000120014001600温度如钢与铸铁 铁和碳的二元合金； 黄铜 铜与锌的二元合金 锡青铜 铜与锡的的二元合金。 硬铝 铝与铜、镁的三元合金。2.3 合金相结构 合金是指两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结等方法制成的具有金属特性的物质 组元组成合金的独立物质。组

8、元通常指纯元素，也可以是稳定的化合物。根据合金的组元数，合金分为二元合金、三元合金等 合金系：给定组元所组成的一系列合金的总和。1. 固溶体 合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。特征：溶剂为含量较多的基体金属，晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素，晶格类型消失。无限固溶体， 如铜镍合金；有限固溶体， 如铜、钼、铝、钨等，与铁形成。溶质原子溶剂原子(1)置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部分位置而形成的固溶体称为置换固溶体。 溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体称间隙固溶体，有限固溶体。均为有限固溶体溶质原子溶剂原子(2)间隙固溶体晶

9、格畸变晶格畸变：溶质元素的溶入使溶剂晶格发生畸变，晶格畸变增加了位错移动的阻力，提高了金属的强度、硬度。固溶强化固溶强化：通过溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称固溶强化。 固溶体有良好的塑性与韧性。特点:1.一般晶格复杂，不同于任一组元，2.组成元素之间有特定的比例；3.与普通化合物不同，除离子键共价键 之外还有金属键；4.较高的熔点，很高的硬度与脆性。铁原子碳原子2. 金属化合物 合金中各组元按一定方式形成的一种新晶体称为金属化合物如渗碳体(Fe3C)。金属化合物以弥散粒子作为第二强化相使金属强度、硬度提高的现象。 弥散度越高，金属强度、硬度越高。由于第二强化相粒子很小，对合金的

10、塑性、韧性影响较小弥散强化弥散强化： 在固态合金中，还存在着机械混合物。 机械混合物是由两种或两种以上的相（固溶体或者金属化合物）混合而成的。组成混合物的各相仍保持原来晶格类型与性能。 机械混合物的整体性能则取决于各组成相的性能以及它们各自的形状、数量、大小及分布情况。机械混合物的特征称组织形态。 aCm纯金属常见三种晶体结构的滑移纯金属常见三种晶体结构的滑移系系金属的塑性加工方法金属的塑性加工方法包括包括锻造锻造、冲压冲压、轧制、拉拔、挤压轧制、拉拔、挤压等。其中等。其中锻造和冲压统称为锻压锻造和冲压统称为锻压 ，主要用于生产毛坯，主要用于生产毛坯或零件，轧制、拉拔、挤压等主要生产型材、或零

11、件，轧制、拉拔、挤压等主要生产型材、板材和线材等。板材和线材等。各类钢和有色金属大都具有一定的塑性，各类钢和有色金属大都具有一定的塑性，均可在冷态或热态下进行变形加工。均可在冷态或热态下进行变形加工。折弯折弯拉延拉延翻边翻边拉延又称拉拉延又称拉深，是采用深，是采用成形工艺使成形工艺使板料成为中板料成为中空形状零件空形状零件的一种冲压的一种冲压方法。方法。使板料内使板料内孔或外缘孔或外缘翻成竖立翻成竖立边缘的成边缘的成形方法。形方法。2.4 塑性变形和再结晶塑性变形和再结晶塑性变形外力去除后不能恢复的永久性变形。2.4.1 金属塑性变形的实质1. 单晶体的塑性变形 在切应力作用下,晶体的一部分相

12、对于另一部分产生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。晶格 弹变 弹塑变 塑变晶格 弹变 断裂单晶体的塑性变形（正应力）单晶体的塑性变形（正应力） 金属晶体的塑性变形，是由于晶体中存在着位错，位错中心的原子位移引起了位错运动，大量的位错运动引起晶体滑移的结果。 滑移是由位错在滑移面上的运动而实现的。且总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。 滑移是塑形变形的基本方式，是由位错在滑移面上的运动来实现的，而不是简单的刚性滑移造成的。134566543212566544321123123456654321123456123456123456123456不同

13、位向的晶粒之间先后进行滑移,相互协调。ssA2. 多晶体的塑性变形晶粒越细，变形抗力就越大。晶粒越细，塑性提高。BC 在常温下金属塑性变形后，内部组织将发生变化。晶粒及晶界杂质沿着变形最大的方向伸长，其显微组织呈纤维状线条，称作纤维组织；组织变化：部分晶粒破碎，亚晶粒数目增多，细化；位错密度增加，晶格畸变严重。3. 塑性变形对金属组织和性能的影响硬化原因：主滑移面减少，亚晶界面积和位错密度增加。从而导致变形阻力增大，变形能力减小。400200600800100020406080100d %sb (MPa)010 20 30 40 50 60 70 sbd冷轧变形度y(%)性能变化：随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高、塑性和韧性不断降低，这种现象称为冷作硬化或加工硬化。金属中出现纤维组织后性能出现各向异性。横纤维抗切横纤维抗切顺顺纤纤维维抗抗拉拉金属中出现纤维组织后性能出现各向异性。性