工程材料的结构第讲工程材料教学课件市公开课一等奖百校联赛特等奖课件

第2章工程材料结构1第1页材料结构——表明材料组元及其排列和运动方式。对材料内部结构水平认识：宏观、微观。2第2页What?“组织结构”3第3页相：凡是化学成份相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开均匀组成部分。元素不一定单一。广义讲——组织结构包含了成份、相、组织、结构等概念。组织：用肉眼或显微镜观察到材料微观形貌，它能够是单相，也能够是由一定数量、形态、大小和分布方式各种相组成。4第4页2.1金属晶体结构和组织2.2合金晶体结构和组织2.3塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能影响5第5页2.1金属晶体结构和组织一、理想晶体1．晶体与非晶体晶体：材料原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。非晶体：材料原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相同，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。(a)、是否含有周期性、对称性；(b)、是否长程有序；(c)、是否有确定熔点；(d)、是否各向异性。区别6第6页2．晶体结构描述a.理想晶体——实际晶体理想化·三维空间无限延续，无边界；·严格按周期性规划排列，是完整、无缺点；·原子在其平衡位置静止不动。b.理想晶体晶体学抽象（见下列图）空间规则排列原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，组成空间格架）→晶胞（含有周期性最小组成单元）晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）排列方式。7第7页理想晶体晶体学抽象示意8第8页3．晶胞描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c晶系轴(棱边)之间夹角三斜晶系

单斜晶系

斜方晶系

正方晶系

菱方晶系

六方晶系

立方晶系

cXZYOαβγba七个晶系：9第9页布拉菲空间点阵晶胞10第10页晶向(crystaldirection):

在晶格中,任意两原子之间连线所指方向。晶向指数:

用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间位向进行标定。确定方法:设置坐标;求投影坐标;取最小整数。11第11页晶面(crystalface):在晶格中由

一系列原子所组成平面称为晶面。

确定方法:设置坐标;求截距;取倒数。晶面指数(indicesofcrystallographicplane):用密勒(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。

12第12页4．三种经典金属晶体晶胞(图)

属于这类结构金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等

属于这类结构金属有：Al、珍贵金属、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。

属于这类结构金属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。体心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp13第13页14第14页1、体心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube晶胞晶体学参数原子半径

晶胞原子数

配位数

致密度

BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%15第15页晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含原子数目。8*1/8+1=2原子半径：是指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子间平衡距离二分之一，或晶胞中相距最近两个原子间距二分之一。体心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度：是指晶胞中原子本身所占有体积百分数，也称密排系数。致密度=（晶胞中原子所占有体积/晶胞体积）X100%属于这类结构金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离原子数目。BCC为1216第16页2、面心立方晶胞FCC-----Face-CenteredCube晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%17第17页FCC刚球模型属于这类结构金属有：Al、珍贵金属、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。18第18页3、密排六方晶胞HCP----HexagonalClose-Packed晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%19第19页属于这类结构金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。HCP刚球模型20第20页BCC、FCC、HCP晶胞主要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%21第21页密排面与密排方向

{110},<111>{

111},<110>底面,底面上任意相邻原子连线22第22页二．实际晶体

理想晶体+晶体缺点——实际晶体

实际晶体——单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致——各向异性多晶体：由许多位向各不相同单晶体块组成——各向同性晶体缺点：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性部分。

a、点缺点

b、线缺点（位错）c、面缺点

单晶体多晶体23第23页A、点缺点

——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体改变。

空位(vacancy)

：

晶格结点处无原子

置换原子(gapatom)

：

晶格结点处为其它原子占据

间隙原子(substitutionalatom)

：

原子占据晶格间隙空位、间隙原子、置换原子示意图空位24第24页点缺点造成晶格畸变置换原子引发晶格畸变空位引发晶格畸变25第25页B、线缺点(linedefect)－位错(dislocation)

：

——二维尺度很小，另一维尺度很大原子错排。

刃型位错(screwdislocation)

螺型位错(bladedislocation)26第26页c、面缺点(surface-defect)

——一维尺度很小，而二维尺度较大原子错排区域。

晶界(grainboundary):晶粒与晶粒之间界面。亚晶界(sub-boundary):相邻晶粒位向很小(普通1～2°)小角度晶界。表面（surface）：表面与内部不一样。区域：大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界27第27页28第28页Cu-Ni合金中亚结构29第29页三、晶体中扩散扩散——原子在晶体中移动距离超出其平均原子间距迁移现象。1、概念扩散→热激活过程（以克服晶格约束）30第30页2．影响扩散原因(1)温度使原子能量提升（最主要原因）D=Doexp(-Q/RT）Do——扩散系数(cm2/s),

Q——扩散激活能(2)晶体结构致密度小→克服能垒小→扩散轻易(3)表面及晶体缺点晶格畸变→高能态原子→激活能小(体扩散0.6-0.7)→扩散快100-1000倍Do，Q与温度无关，决定于晶体成份和结构；温度提升10-15度，D提升一倍。31第31页四、纯金属结晶及其组织1．结晶与凝固区分凝固：L→S

S能够是非晶结晶：一个原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一个原子规则排列状态（晶态）转变过程。一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态LiquidSolid32第32页2．结晶驱动力——ΔF≤0，而不是过冷度ΔT自然界自发过程进行热力学条件都是ΔF≤0体系中各种能量总和叫做内能→U，其中能够对外做功或向外释放能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）过冷度：△T=Tm-Tn,△F用来克服界面能Tma

当温度T>Tm时，Fs>FL,

液相稳定b

当温度T<Tm时，Fs<FL,

固相稳定c

当温度T=Tm时，Fs=FL,

平衡状态Tm：理论结晶温度Tn：实际结晶温度33第33页过冷度：△T=Tm-Tn,△F用来克服界面能3、过冷度与冷却曲线冷速越快，过冷度越大试验证实，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，不论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度显著低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷(Undercooled)条件下才能结晶。结论：结晶热力学条件就是必须有一定过冷度。34第34页4、结晶过程结晶过程:孕育－形核－长大形核长大35第35页结晶动力学密集面非密集面树枝状长大平面长大a.形核：自发形核、非自发形核b.长大：平面长大、树枝状长大

36第36页结晶热力学液、固两相自由能随温度改变示意图

在恒温、恒压条件下，单位体积液体与固体自由能之差为：

式中，负号表示由液态转变为固态自由能降低；Lm为熔化潜热;ΔT=Tm-T,称为过冷度(Undercooling)。可见，过冷度越大，结晶驱动力也就越大；过冷度等于0，ΔGv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。

结论：结晶热力学条件就是必须有一定过冷度。37第37页5、晶粒尺寸控制（1）晶粒度---指晶粒大小单位面积上晶粒数目或晶粒平均线长度（或直径）表示。形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。（2）过冷度对形核一长大影响过冷度△T提升，N提升、G提升过冷度△T太高，D降低——N降低、G降低38第38页（3）控制晶粒度原因①提升过冷度过冷度△T适当↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化。②变质处理

在液态金属中加入高熔点或难熔孕育剂或变质剂作为非自发晶核形核关键，以细化晶粒和改进组织方法。③振动、搅拌等捣碎已形成大晶粒，以增加晶核数目。39第39页2.2合金晶体结构和组织一、合金相结构合金：一个元素同另一个元素或几个其它元素，经过熔化或其它方法结合在一起所形成含有金属特征物质叫做合金。相：凡是化学成份相同、晶体结构相同，与其它部分有显著分界均匀组成部分。1、固溶体

组元经过溶解形成一个成份和性能均匀，且结构与组元之一相同固相当为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质合金中有两类基本相结构，固溶体和金属间化合物。40第40页

溶剂A+溶质B=C

bccfccbcc比如:

α–Fe+C=F(铁素体))

体心

六方体心

铁素体晶体结构41第41页①固溶体分类溶质原子位置置换固溶体晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近间隙固溶体原子半径较小溶解度有限固溶体——无限固溶体——分布有序度有序固溶体——无序固溶体——42第42页②固溶强化

因为溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料强度、硬度升高，而塑性和韧性没有显著降低方法。溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。形成固溶体时晶格畸变43第43页2、金属间化合物

金属间化合物是合金组元相互作用而形成含有金属特征、而晶格类型和特征又完全不一样于任一组元化合物，是一个中间相。溶剂A+

溶质B=C

bccfcc

cph

比如:3Fe+C=Fe3C体心六方

复杂结构渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图44第44页

3Fe+C=Fe3C

体心

六方

复杂结构800HB

80

3

50%

0%含有一定程度金属性质。含有较高熔点。硬度较高。脆性高。金属化合物主要性能0%45第45页3、机械混合物

单一固溶体：强度、硬度较低单一化合物：硬而脆机械混合物——不是一个单一相机械混合物结构特点含有重量百分比关系;溶剂A

+

溶质B=C

bccfcc

bcc+fcc比如88.5％F+11.5％Fe3C=100％P体心复杂结构

体心+复杂

取决于组元相对数量。取决于组成相大小和形状。详细数值介于组元性能之间。机械混合物性能特点46第46页相：凡是化学成份相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开均匀组成部分。元素不一定单一。组织：用肉眼或显微镜观察到材料微观形貌，它能够是单相，也能够是由一定数量、形态、大小和分布方式各种相组成。主要回顾退火珠光体组织

珠光体组织回火索氏体铁素体组织金相图渗碳体组织针状马氏体组织47第47页二、合金相图概述1、相图：描述平衡条件下，相和相变与温度、成份、压力之间关系图称为相图——平衡图。

48第48页2、相图建立Ⅰ：纯铜Ⅱ：75%Cu+25%Ni

Ⅲ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：纯Ni49第49页三、二元合金相图（重点）1、匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变合金系→匀晶相图（L→α），如：Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等。50第50页（1）相图分析

线：液相线、固相线

单相区：L、α

两相区：L+α（2）匀晶转变结晶过程

L→L+α→α

51第51页(3)匀晶转变特点a.形核、长大，树枝状长大；b.变温过程；c.两相区内，温度一定，成份确定；d.两相区内，温度一定，两相相对量一定（杠杆定律）；e.枝晶偏析（见下页）。αLLα52第52页e.枝晶偏析冷速快→原子扩散不充分→成份不均。用扩散退火消除53第53页杠杆定律证实：Q合金，其Ni含量b%，T1温度时：L相中Ni%=a%，α相中Ni%=c%；Q合金%×b%=QL%×a%+Qa%×c%又因为：Q合金=QL+Qa

所以：（QL+Qa）%×b%=QL%×a%+Qa%×c%QL%×ab=Qa%×bcacb自学54第54页2、共晶转变：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶结晶转变。共晶转变合金系组成共晶相图，如：Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。55第55页（1）相图分析液相线:

adb固相线

:

acdeb三个单相区：L、α、β(α、β是有限固溶体)三个两相区：

L+α、L+β、α+β共晶点：d共晶成份合金冷却到此点所对应温度（共晶温度），共同结晶出αC、βe。

(在共晶反应线上)溶解度线：cf，egT↓→过饱和固溶体析出另一相→脱溶转变fadbceL+

L+

+

fg56第56页（2）经典合金结晶过程合金I：

相组成物：α,β组织组成物：α,β相相对量：

组织相对量：

57第57页fgαβ58第58页合金II：（共晶合金）Ld(αc+βe)LL+(αc+βe)αc+βe

αf+βII+βg+αII室温下：相组成物α，β

组织组成物：（α+β）共晶体（α+β）%=100%59第59页fgαβ60第60页合金III：（亚共晶合金）L--->L+α初--->L’+α初+（αc+β

e)--->

α初+（αc+β

e)--->α+β

II+（α+β）亚共晶合金组织61第61页62第62页相组成物：α，β

室温下：组织相对量：

在共晶温度时：室温下：α初--->α+β

II63第63页Lα=Mα+βfgαβ64第64页合金IV：（过共晶合金）---作业组织标注相图IVβααββIIαII(α+β)相（%）组织（%）65第65页四、合金性能与相图关系1、合金使用性能与相图关系66第66页溶质元素→晶格畸变大→强度、硬度↑，（50%↑最大）复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金强度和硬度随成份改变呈直线关系，大致是两相性能算术平均值。HB=HB

*

%+HBβ*β%对组织较敏感性能—强度，与组成相或组织组成物形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密复相组织，强度可达最高值。）67第67页2、合金工艺性能68第68页a.铸造性能—液态合金流动性以及产生缩孔，裂纹倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金流动性好→有利于浇注。液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成份散缩孔倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金成份常取共晶成份和靠近共晶成份或选择结晶温度间隙最小成份。b.铸造、轧制性能单相固溶体合金单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好69第69页2.3塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能影响70第70页静载单向静拉伸应力――应变曲线(低碳钢)简单回顾四阶段71第71页一、金属材料塑性变形

变形是工程材料在外力作用下会发生最基本‘失效’方式，变形通常包含弹性变形与塑性变形两种。塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。不需要塑性变形：抵抗塑性变形是普通工程构件基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复塑性变形；需要塑性变形：塑性变形是金属材料一个主要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。

72第72页(一)、单晶体塑性变形单晶体变形规律：滑移晶体学多晶变形是各个晶粒变形总和。（A）塑性变形方式Ⅰ：滑移１.塑性变形方式——滑移和孪生在外加切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上一定方向（滑移方向）发生相正确滑动。73第73页关键点1：滑移变形起因－外力P在滑移面上分解正应力σ：仅使晶格产生弹性伸长，当超出原子间结协力时，使将晶体拉断；切应力τ：使晶格产生弹性歪扭，在超出滑移抗力时引发滑移面两侧晶体发生相对滑动。74第74页滑移就是晶体滑移面两侧部分或整体相对移动（刚性移动）。在外加切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上一定方向（滑移方向）发生相正确滑动。滑移面——最大密排面滑移方向——最大密排晶向关键点2：滑移变形怎样进行－相对移动位置与方向75第75页位错→滑移→塑性变形

切应力作用下，晶体中位错沿着滑移面逐步移动，最终移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模台阶。大量位错（原子距）→→移出晶体→→滑移线（1000原子距）→→滑移带关键点3：滑移变形本质－位错机制76第76页晶体滑移是经过位错在滑移面上运动来实现，而勿需使晶体两部分作整体相对移动。滑移实现→借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出临界切应力值＞＞实测值）金属计算值(MN/m2)实测值(MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然过程发生总是沿着阻力最小方式进行！77第77页滑移系：滑移面和该面上一个滑移方向

金属三种常见晶格滑移系关键点4：不一样金属滑移变形特征78第78页Why?

体心立方（α-Fe）和面心立方金属（Cu、Al）滑移系数目相同，但面心立方金属塑性变形能力更加好?79第79页滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。（滑移方向作用大于滑移面作用）FCC和BCC滑移系为12个，HCP为3个；FCC滑移方向（3个）多于BCC（2个）。金属塑性：Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）80第80页

晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。（B）塑性变形方式Ⅱ：孪生Why发生孪生变形？何种情况下发生？特点：均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动距离是不相等。临界分切应力>>滑移分切应力；形变量很小；形变速度快，靠近声速。81第81页孪生仅会在滑移不易产生情况下发生：ⅰ.FCC金属普通不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。ⅱ.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。ⅲ.HCP金属较轻易发生孪生。82第82页(C）滑移和孪生异同滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面一定晶向进行，产生塑性变形；孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生；滑移→原子移动相对位移是原子间距整数值→不引发晶格位向改变；孪生→原子移动相对位移是原子间距分数值→孪生晶格位向改变→促进滑移；孪生产生塑性变形量小（≤滑移变形量10％），但引发晶格畸变大。83第83页（二）、实际金属（多晶）塑性变形主要影响原因：晶界、晶粒和位向（A）晶界：

ⅰ.滑移主要障碍：原子混乱排列区，较不规则→缺点、杂质集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。ⅱ.协调变形：晶界本身变形→以维持相邻晶粒变形保持连续。位错塞积——位错运动到晶界附近，受到晶界妨碍而堆积起来。84第84页（B）晶粒ⅰ.Hall-Pitch关系：σs=σ0+Kyd-1/2ⅱ.细晶强化：晶粒细化→强度、硬度提升、塑性、韧性也提升，原因？晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不一样滑移系相互协调晶粒小→晶界多→不利于裂纹传输→断裂前承受较大塑性变形细晶强化是金属一个非常主要强韧化伎俩！85第85页二、塑性变形对金属组织与性能影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能影响86第86页１．晶粒形貌及结构改变

晶粒拉长，纤维组织→各同异性a.纤维组织（组织）b.亚结构形成（晶内结构改变）形变↑→位错密度↑（１０６→１０１１-１２）→位错缠结→胞壁→亚晶钢纤维组织（变形度80%87第87页２．织构——择优取向（组织）择优取向——变形量足够大时，原来处于不一样位向晶粒在空间位向上会展现出一定程度一致。

形变织构——金属塑性变形到很大程度（70%）时，因为晶粒发生转动，使各晶粒位向趋于一致，形成特殊择优取向，这种有序化结构叫做形变织构。有害：“制耳”现象有利：硅钢片：电机、变压器铁芯88第88页３.加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化——金属在冷态下进行塑性变形时，伴随变形度增加，其强度、硬度提升，塑性、韧性下降。89第89页加工硬化机理：1）一个主要强化伎俩，对不能用热处理方法强化合金尤其主要；2）冷加工成形得以顺利进行；3）金属含有很好变形强化能力，含有预防短时超载断裂能力，确保构件安全性；4）↓塑性，↑切削性能；不利：塑性变形困难→中间退火→消除塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性↓、韧性↓位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑意义90第90页4．残余内应力（性能）第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不一样区域变形不均；第三类内应力——超微观，晶粒畸变（>90%）。——去除外力后残留于且平衡于金属内部应力。91第91页1、塑性变形金属在加热时组织性能改变

（二）、金属在加热条件下塑性变形92第92页2、回复、再结晶和晶粒长大1）．回复原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退火。驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）93第93页2）．再结晶

1）新形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著改变→等轴晶粒，强度大大下降。再结晶退火：消除加工硬化热处理工艺再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0