《飞机金属结构》-第二章 飞机金属材料微观结构和组织

知识目标

[1]掌握金属材料常见的晶体结构类型；[2]掌握晶体中常见的缺陷类型；[3]掌握晶体塑性变形的方式和特点；[4]了解塑性变形对材料的影响；[5]了解回复与再结晶过程学习目标技能目标

[1]能根据材料的晶体结构类型判断塑性变形方式；[2]能通过纯金属的结晶过程得到细小的晶粒；[3]能对冷变形金属加热时组织变化进行控制。素质目标

[1]具备敬业奉献的职业操守和扎实严谨的职业素养；[2]具备创新精神和主观能动性；[3]具备“航空报国、航空强国”的精神和“大国工匠”作风。学习目标主要内容一、金属的晶体结构二、纯金属的结晶三、纯铁的同素异构转变一、金属的晶体结构1.晶体结构（1）晶体

内部的原子（原子团或离子）在空间按一定的周期性排列形成具有一定规则几何外形的固体成为晶体，如钻石、食盐、大部分金属、水晶等；而内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体称为非晶体，如玻璃、塑料、石蜡、橡胶等。一、金属的晶体结构1.晶体结构（2）晶格与晶胞

金属晶体就是由这些几何小球堆积而成的，把原子简化为一个点，用假想的线把这些点连接起来，就构成了在空间有一定规律的空间格架，这种描绘几何点（原子）排列的空间格架就叫作晶格。而在晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，且能代表原子排列形式特征的最小几何单元，称为晶胞。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）金属的晶格类型在已知的80余种金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格密排六方晶格面心立方晶格一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）金属的晶格类型在已知的80余种金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格①体心立方晶格参数体心立方晶格的晶胞是一个正方体（a=b=c，α=β=γ=90°），其晶胞中含有2个完整原子，8个顶角和立方体的中心各包含1个完整原子，原子半径为3/4a（a为棱边长度），配位数为8，致密度为0.618，铬（Cr）、钨（W）、α-铁（α-Fe）、钼（Mo）、钒（V）等金属都属于这种晶体结构。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）金属的晶格类型在已知的80余种金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。面心立方晶格②面心立方晶格参数面心立方晶格的晶胞是一个正方体（a=b=c，α=β=γ=90°），其晶胞中含有4个完整原子，8个顶角上包含一个完整原子，6个面的中心包含3个完整原子，原子半径为2/4a（a为棱边长度），配位数为12，致密度为0.74，铝（Al）、铜（Cu）、γ-铁（γ-Fe）、金（Au）、镍（Ni）等金属都属于这种晶体结构。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）金属的晶格类型在已知的80余种金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。密排六方晶格③密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱（a=b≠c，α=β=90°，γ=120°），其晶胞中含有6个完整原子，其柱体的每个顶角和上、下底面中心各包含一个原子，剩余3个原子排布在柱体内部。原子半径为1/2a（a为棱边长度），配位数为12，致密度为0.74，镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等金属都属于这种晶体结构。一、金属的晶体结构2.晶体缺陷上述研究是将晶体当作理性晶体来看待，即晶体中原子严格地成完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体，如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体，单晶体是指各部分位向完全一致的晶体。而实际晶体应是内部存在缺陷的多晶体，多晶体是许多位向不同的单晶体的聚合体，将组成多晶体的一个一个单晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。一、金属的晶体结构2.晶体缺陷（1）点缺陷点缺陷是指在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷，如空位、间隙原子、置换原子等。①空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成空着的位置；②间隙原子：在其他晶格间隙处出现多余原子而形成间隙原子；③置换原子：是指占据基体原子平衡位置的异类的原子；一、金属的晶体结构1.晶体结构（2）线缺陷线缺陷是指在两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列导致的缺陷。线缺陷的集中表现形式是位错，它是一列或若干列原子有规律的错排现象，由晶体中原子平面的错动引起。位错从几何结构可分为刃型位错和螺型位错两种。①刃型位错。在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，即为位错线，这种线缺陷称为刃型位错。一、金属的晶体结构1.晶体结构（2）线缺陷线缺陷是指在两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列导致的缺陷。线缺陷的集中表现形式是位错，它是一列或若干列原子有规律的错排现象，由晶体中原子平面的错动引起。位错从几何结构可分为刃型位错和螺型位错两种。②螺型位错。螺型位错是一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）面缺陷面缺陷是两维尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有晶界、亚晶界、相界等。①晶界。多数晶体物质是由许多晶粒所组成，结构相同而位向不同晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面。晶界又可以分为大角度晶界和小角度晶界。大角度晶界是指相邻晶粒的位向差大于10°的晶界。小角度晶界是指相邻晶粒的位向差小于10°的晶界，基本上由位错构成。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）面缺陷面缺陷是两维尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有晶界、亚晶界、相界等。②亚晶界。在实际晶体内，每个晶粒内的原子排列并不是十分齐整的。往往能够观察到直径为10～100μm的晶块，晶块彼此间位向差小于2°，这些晶块之间的界面称为亚晶粒晶界，简称亚晶界。一、金属的晶体结构1.晶体结构（3）面缺陷面缺陷是两维尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有晶界、亚晶界、相界等。③相界。具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。相界的结构有三类：共格界面、半共格界面和非共格界面。“共格”是指界面上的原子同时位于两相晶格的节点上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。形成共格相界必须满足结构和大小一致的原则，即两个晶粒在界面处的晶面应该具有相近的原子排列和原子间距，从而使两个晶粒在界面处保持一定的取向关系。二、纯金属的结晶1.结晶过程物质由液态→固态的过程称为凝固,由于液态金属凝固后一般都为晶体，所以液态金属→固态金属的过程也称为结晶。结晶的过程可从宏观和微观两方面进行分析。二、纯金属的结晶1.结晶过程（1）结晶的宏观过程金属的结晶过程是采用热分析法来进行分析的。将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，用X-Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线。通过热分析法可得到一条热分析曲线，这条曲线就是纯金属的冷却曲线，即温度随时间变化曲线。二、纯金属的结晶1.结晶过程①过冷现象由冷却曲线可知，金属的理论结晶温度T0和实际结晶温度Tn有一定的温度差，将这种实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。过冷现象可用过冷度来进行描述，过冷度是指理论的结晶温度与实际给定的结晶现场温度的差值，即ΔT=T0–Tn。过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之，冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。不同金属的过冷度也不相同。二、纯金属的结晶1.结晶过程②结晶潜热1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着吸收或放出的热量称为相变潜热。金属由固态变为液态,需要吸热；由液态金属结晶现象和条件变为固态需要放热。前者称为融化潜热，后者称为结晶潜热。由冷却曲线可见，液态金属随时间的延长，它所含的热量不断散失，其温度也不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却的时间虽然增加，但温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段的出现是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了金属向外界散失的热量，从而使得结晶过程中体系内保持温度不变。结晶完成后，由于金属继续向周围环境散热，故温度又重新下降。从图中不难发现，结晶开始时间为ts，结晶结束时间为tf，即结晶过程持续时长为t=tf–ts。二、纯金属的结晶1.结晶过程②结晶潜热1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着吸收或放出的热量称为相变潜热。金属由固态变为液态,需要吸热；由液态金属结晶现象和条件变为固态需要放热。前者称为融化潜热，后者称为结晶潜热。二、纯金属的结晶2.结晶的微观过程金属结晶时，首先从液态金属中形成一些极细小的晶体，这些极细小的晶体称为晶核，它不断吸附周围液体中的原子而长大。与此同时，在液体中又不断产生新的晶核并相继长大，直到全部液体凝固为止，最后金属便由许多外形不规则的小晶体（晶粒）组成。因此，液体金属的结晶过程包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程，而且这两个过程是同时进行的。二、纯金属的结晶2.结晶的微观过程（1）晶核的形成当液态金属冷至结晶温度以下时，某些近似晶体原子排列的小原子基团便成为结晶核心，这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。但在实际金属中常有杂质存在，这些杂质固态质点的存在能够促进在其表面上形成晶核。这种依附杂质而形成的晶核称为非自发形核。自发形核和非自发形核在金属结晶时同时进行的，但非自发形核比自发形核更为重要，在金属结晶过程中起优先和主导作用。二、纯金属的结晶2.结晶的微观过程（2）晶核的长大晶核形成后，当过冷度较大或金属液体中存在杂质时，金属晶体常以树枝状的形式生长，在晶核开始长大初期，因其内部原子规则排列的特点，故外形也是比较规则的。但随着晶核的继续长大，形成了晶体的尖角和棱边，由于尖角和棱边处的散热条件优于其他部位，并易于存在晶体缺陷等原因，晶体在顶角和棱边处优先长大，其生长方式像树枝一样，先长出干枝，称为一次晶轴，然后在一次晶轴伸长和变粗的同时，在其侧面棱角和缺陷处又长出分枝，称为二次晶轴。随着时间的延长，二次晶轴长成的同时又长出三次晶轴等，如此不断成长和分枝下去，直至液体全部消失，最后得到的晶体称为树枝状晶体（简称枝晶），每一个枝晶将成长为一个晶粒。二、纯金属的结晶1.增加过冷度形核率和长大速率都随过冷度增大而增大，但在很大的范围内形核率比晶核长大速率增长得更快，故过冷度越大，单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。这种生产方法适用中、小型铸件的生产。2.变质处理为了获得细晶粒组织，通常在浇铸前向液态金属中人为地加入一些细小的变质剂，使其大量增加非自发晶核，从而得到细晶粒组织。这种细化晶粒的方法称为变质处理。例如，向钢液中加入铝、钒、硼；向铸铁中加入Si-Fe；向铝液中加入钛、锆等。3.附加振动采用机械振动、超声波振动、电磁振动的方法，一方面依靠外界输入能量使晶核提前形成；另一方面使枝晶折断、破碎，使晶核数目增多，从而细化晶粒。晶粒大小对金属力学性能的影响三、纯铁的同素异构转变金属结晶之后是晶体，每种金属都有它自己的晶体结构类型。同素异构，即同种金属有不同结构。一些金属，在固态下随温度或压力的改变，发生的晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。有同素异构体的金属才能发生同素异构转变。如纯铁在1538℃，结晶出来的是晶体结构类型为体心立方晶格的δ-Fe，但随着固体金属温度的改变，纯铁的晶体结构类型也发生