02第二章金属的结构与塑性变形 (nxpowerlite)

1、一、晶体结构的基本概念 二、纯金属的晶体结构 三、实际金属的晶体结构 四、纯金属的结晶 五、合金的晶体结构,第二章 金属的结构与结晶,物质由原子组成。 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。,原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称为结构。,C60,金属键,一、晶体结构的基本概念,1、晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,2、晶格与晶胞, 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。,的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空

2、间点的阵列称空间点阵。, 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。, 晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120, 晶格常数：晶胞个边的尺寸 a、b、c. 各棱间的夹角用、表示。, 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。, 配位数: 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目. 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,3、金属中常见的晶格类型,1、纯金属的晶体结构 金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结

3、合的，称为金属键。 金属原子趋向于紧密排列。,具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。, 体心立方晶格,体心立方晶格,体心立方晶格,体心立方晶格的参数,体心立方晶格,原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c), 面心立方晶格,面心立方晶格,面心立方晶格,面心立方晶格的参数,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格, 密排六方晶格,密排六方晶格,

4、密排六方晶格的参数,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格,3、实际金属的晶体结构,变形金属晶粒尺寸约1100m, 铸造金属可达几mm。, 单晶体与多晶体 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。, 晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类, 即点

5、、线、面缺陷。, 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位 间隙原子 置换原子,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,空位和间隙原子引起的晶格畸变, 线缺陷晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未,滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。,刃型位错和螺型位错,刃位错的形成,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某

6、处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,电子显微镜下的位错,电子显微镜下的位错观察, 面缺陷晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,亚晶粒是组成晶粒的尺寸

7、很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。,晶界的特点： 原子排列不规则. 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，,外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。 是相变的优先形核部位.,显微组织的显示,变形诱导铁素体相变组织,二、合金的晶体结构,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金

8、属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。, 固溶体 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固溶体。,用、表示。 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。, 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体. 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。,黄铜置换固溶体组织, 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体

9、的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过,渡族元素。 形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。 间隙固溶体都是无序固溶体。, 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中极限浓度. 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素晶格类型相同、原子半径相近、在元素周期表中相近或相邻的置换固溶体，才可能形成无限固溶体. 间隙固溶体都是有限固溶体。, 固溶体的性能 随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降称作固溶强化。 产生固溶强化的原因：溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用. 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，

10、塑性、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,固溶体合金成分与性能关系, 金属化合物 合金相中，各组元的原子按一定比例相互作用，生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且具有一定金属性质的新相称为金属化合物。 金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,铁碳合金中的Fe3C,合金中出现金属化合物,可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。, 正常价化合物符合正常 原子价规律。如Mg2Si。 电子化合物符合电子浓 度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原 子数的比值。 间隙化合物由过渡族元 素与C、N、B、

11、H 等小原子半径的非金属元素组成。,a. 间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。,间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。,b. 具有复杂结构间隙化合物 当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C 称渗碳体, 是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,第三节 金属的冷变形行为,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及脆性断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,一、单晶体金属

12、的塑性变形,塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 滑移 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滑动位移的现象。,1、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。, 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间,距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,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。 因而

13、金属的塑性，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。,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。 滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带, 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。,当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移方向上切应 力最大，因而 最容易发生滑 移. 滑移后，滑移 面两侧晶体的 位向关系未发 生变化。,A0,铝的杯状和锥状韧性断

14、口,2、滑移的机理 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临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,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，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，这种现象称作位错的易动性。,刃位错的运动, 孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定 晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。 孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,孪晶组织,孪生示意图,与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪

15、生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。,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孪生变形。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，这是由于退火处理中相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的。,二、多晶体金属的塑性变形 （一）变形过程 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45的晶粒。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 批晶粒，当有大量晶粒 发生滑移后，金属便显 示出明显的塑性变形。,（二）晶界及晶粒位向差的影响,

16、单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,2、晶粒位向的影响 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，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹,性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,3、 晶粒大小对金属塑性变形的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越细，晶

17、界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变,形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。,合金的塑性变形与强化,合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。,一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化 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，形成固溶强

18、化，提高塑性变形抗力。,产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用。溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，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,当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。,二、多相合金的塑性变形与 弥散强化,当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利; 当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,珠光体,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，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,下降

19、，这种强化方法称弥散强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,位错切割第二相粒子,一、冷塑性变形对金属性能的影响,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,第四节 塑性变形对性能和组织的影响,冷塑性变形与性能关系,产生加工硬化的原因是: 1、随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。,2. 随变形量增加，亚结构细化 3. 随变形量增加, 空位密度增加 4. 几何硬化：由晶粒转动引起 由于加工硬化, 使已变形部分发生硬化而停止变形, 而未变形部分开始变形。没有加工硬化, 金属就不

20、会发生均匀塑性变形。 加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。,二、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 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。,塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,工业纯铁在塑性变形前后的组织变化,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生,“制耳”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。,轧制铝板的“制耳”现象,三、残余内

21、应力,内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。,金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力). 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 (微观内应力)。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。,曲轴中内应力的模拟,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强度降低。,内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火,处理，以消除或降低内应力。,晶界位错塞积所

22、引起的应力集中,第五节 回复与再结晶,一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可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。, 回复 回复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。如空位与其,他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。 由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。,在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等

23、显著下降。工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳,定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。,80%冷变形Al合金回 复后的TEM明场像, 再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。 这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。,再结晶也是晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。,由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。, 再结晶后的晶粒长大 再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。

24、,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。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低 。,黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片,二、再结晶温度,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，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,T再与的关系,影响再结晶温度的因素为： 1、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: T再（K）0.4T熔（K） 其中T再、T熔为绝对温度. 金属熔点越高, T再也越高.,T再 = (T熔

25、+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451,2、金属的纯度 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，使再结晶温度显著提高.,3、再结晶加热速度和加热时间 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。 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。,三、影响再结晶退火后晶粒度的因素,1、加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大,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,2、预先变形度 预先变形度的影响，实质上是

26、变形均匀程度的影响。 当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。 当变形达到210%时，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,不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。,当超过临界变形度后，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，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。,对于某些金属，当变形量相当大时(90%),再结晶后晶粒又出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。,再结晶图,第六节 金属的热加工,一、冷加工与热加工的区别 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。,如 Fe 的再结晶温度为451，其在400 以下的加工仍为冷加工。而 Pb (熔点为327) 的再结晶温度为-33，则其在室温下的加工为热加工。 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。,巨型自由锻件,自由锻,金属的冷热加工,冷轧与热轧,二、热加工对金属组织和性能的影响,热加工可使铸态金属与合金中的气