1、1第第2 2章章 工程材料的结构工程材料的结构 2材料的结构材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。表明材料的组元及其排列和运动方式。对材料内部结构水平的认识：对材料内部结构水平的认识：宏观、微观宏观、微观。3What?“组织结构组织结构”4相：相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。广义的讲广义的讲组织结构包括了组织结构包括了成分、相、组织、结构成分、相、组织、结构等概念。等概念。组织：组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，用肉眼或显微镜观察到的材料的
2、微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。小和分布方式的多种相组成。52.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织2.2 合金的晶体结构和组织合金的晶体结构和组织2.3 塑性变形和回复、再结晶塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能的影响对金属材料组织、性能的影响62.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织一、理想晶体一、理想晶体 1晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。周期性排列。非晶体非晶体：材料的原子
3、（离子、分子）无规则堆积，和液：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。(a)、是否具有周期性、对称性；、是否具有周期性、对称性；(b)、是否长程有序；、是否长程有序；(c)、是否有确定的熔点；、是否有确定的熔点；(d)、是否各向异性。、是否各向异性。区区 别别72晶体结构的描述晶体结构的描述 a.理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化p 三维空间无限延续，三维空间无限延续，无边界无边界；p 严格按周期性规划排列，是严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷完整的、无缺陷；p 原子在其平衡位置原子在其平衡位置静止
4、不动静止不动。b.理想晶体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象（见下图见下图）空间规则排列的空间规则排列的原子原子刚球刚球模型模型晶格晶格（刚球抽（刚球抽象为象为晶格晶格结点，构成结点，构成空间格架空间格架）晶胞晶胞（具有周期性（具有周期性最小组成单元）最小组成单元）晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。8理想晶体的晶体学抽象示意理想晶体的晶体学抽象示意 93晶胞的描述晶胞的描述 晶体学参数：晶体学参数：a,b,c,晶格常数：晶格常数：a,b,c晶系晶系轴轴(棱边棱边)之间的夹角之间的夹角三斜晶系三斜晶系 单斜晶系单斜晶系 斜方晶系斜方
5、晶系 正方晶系正方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 cXZYOba七个晶系：七个晶系：10布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞11晶向晶向(crystal direction):(crystal direction):在晶格中在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数晶向指数:用密勒用密勒(Miller)(Miller)指数对指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。行标定。n确定方法确定方法:n设置坐标设置坐标;n求投影坐标求投影坐标;n取最小整数。取最小整数。12晶面晶面(crystal face):(cr
6、ystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。一系列原子所构成的平面称为晶面。n确定方法确定方法:n设置坐标设置坐标;n求截距求截距;n取倒数。取倒数。晶面指数晶面指数(indices of crystallographic plane):用密勒用密勒(Miller)(Miller)指数对晶格中指数对晶格中 某一晶某一晶面进行标定。面进行标定。134三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞(图图)属于此类结构的属于此类结构的金属有：碱金属、金属有：碱金属、难溶金属（难溶金属（V V、NbNb、TaTa、CrCr、MoMo、W W）a-a-FeFe等等 属于此类
7、结构的金属于此类结构的金属的有：属的有：Al、贵重金、贵重金属、属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不以及奥氏体不锈钢等锈钢等。属于此类结构的属于此类结构的金属有：金属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。等。体心立方晶胞体心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp14151、体心立方晶胞、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68%43a16晶胞原子数晶胞
8、原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。：是指在一个晶胞中所含的原子数目。8*1/8+1=2 原子半径原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：体心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。有的体积百分数，也称密排系数。致密度致密度=（晶胞中原子所占有的（晶胞中原子所占有的体积体积/晶胞的体积）晶胞的体积）X100%属于此类结构的金属有：属于
9、此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等等配位数配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。BCC为为12172、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC-Face-Centered Cube晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74%42a18FCC刚球模型刚球模型 属于此类结构属于此类结构的金属有：的金属有：Al、贵、贵重金属、重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥以及
10、奥氏体不锈钢等。氏体不锈钢等。193、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP-Hexagonal Close-Packed 晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 HCP a=bc,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o a/2 6 12 74%20 属于此类结属于此类结构的金属有：构的金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。等。HCP刚球模型刚球模型21BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞的重要参数 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o
11、 2 8 68%FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74%HCP a=bc,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o a/2 6 12 74%22密排面与密排方向密排面与密排方向 110,111,底面底面,底面上任底面上任 意相邻原子的连线意相邻原子的连线23二实际晶体二实际晶体 理想晶体理想晶体+晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致各向异性多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各向同性 晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分（破坏）晶
12、格周期性和规则性的部分。a、点缺陷点缺陷 b、线缺陷线缺陷（位错）c、面缺陷面缺陷 单晶体单晶体多晶体多晶体24A、点缺陷点缺陷 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。u空位空位(vacancy)：晶格结点处无原子晶格结点处无原子 u置换原子置换原子(gap atom)：晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据 u间隙原子间隙原子(substitutional atom)：原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 空位、间隙原子、置换原子示意图空位、间隙原子、置换原子示意图 空位空位25点缺陷导致晶格畸变点缺陷导致晶格畸变置换原子置换原子引起的
13、晶格畸变引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变26B B、线缺陷线缺陷(line defect)位错位错(dislocation)：二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。u刃型位错刃型位错(screw dislocation)u螺型位错螺型位错(blade dislocation)27c、面缺陷面缺陷(surface-defect)一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。晶界晶界(grain boundary):晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界亚晶界(sub-boundary
14、):相邻晶粒位向很小相邻晶粒位向很小(一般一般1 12 2)的小角度晶界。的小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面与内部不同。表面与内部不同。区域：区域：大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界2829 Cu-Ni 合金中的亚结构合金中的亚结构30三、晶体中的扩散三、晶体中的扩散 扩散扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。子间距的迁移现象。1、概念、概念扩散热激活过程（以克服晶格约束）312影响扩散的因素影响扩散的因素(1)温度温度 使原子能量提高使原子能量提高（最主要因素）（最主要因素）D=Doexp(-Q/R
15、T）Do扩散系数扩散系数(cm2/s),Q扩散激活能扩散激活能(2)晶体结构晶体结构 致密度小致密度小克服的能垒小克服的能垒小扩散容易扩散容易(3)表面及晶体缺陷表面及晶体缺陷 晶格畸变晶格畸变高能态原子高能态原子激活能小激活能小(体扩散的体扩散的0.6-0.7)扩散快扩散快100-1000倍倍uDo，Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构；u温度提高10-15度，D提高一倍。32四、纯金属的结晶及其组织四、纯金属的结晶及其组织 1结晶与凝固的区别结晶与凝固的区别 凝固凝固：LS S可以是非晶可以是非晶结晶结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一
16、种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：一次结晶：LS晶态晶态 二次结晶：二次结晶：SS晶态晶态LiquidSolid332结晶驱动力结晶驱动力F0，而不是过冷度，而不是过冷度T 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外，其中可以对外做功或向外释放的能量叫做功或向外释放的能量叫自由能自由能F，F=U-TS（熵）（熵）过冷度：过冷度：T=Tm-Tn,F用来克服界面能用来克服界面能Tma 当温度当温度TTm时，时，FsFL,液相稳定液相稳定b
17、 当温度当温度TTm时，时，FsL+初初-L+初初+（c+e)-初初+（c+e)-+II+（+）亚共晶合金组织亚共晶合金组织 6263相组成物相组成物：，室温下室温下：组织相对量组织相对量：在共晶温度时在共晶温度时：室温下室温下：初初-+II 64L=M+fg65合金合金IV：（：（过共晶合金）过共晶合金）-作业作业 组织标注相图组织标注相图 IVIIII(+)相（%）组织（%）66四、合金性能与相图的关系四、合金性能与相图的关系 1、合金的使用性能与相图的关系、合金的使用性能与相图的关系67p 溶质元素溶质元素晶格畸变大晶格畸变大强度、硬度强度、硬度，（，（50%最大）最大）p 复相组织区域
18、内（如共晶转变范围内），合金的强度和复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。均值。HB=HBa a*a a%+HB*%p 对组织较敏感的性能对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高组织组成物越细密，强度越高（共晶点共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达度可达最高值最高值。）。）682、合金的工艺性能、合金的工艺性能 6
19、9na.铸造性能铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小结晶温度范围愈小合合金的流动性好金的流动性好有利于浇注有利于浇注。液固相线距离大液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取所以铸造合金的成分常取共晶成分共晶成分和和接近共晶成分接近共晶成分或或选选择结晶温度间隙最小择结晶温度间隙最小的成分。的成分。n b.锻造、轧制性能锻造、轧制性
20、能u单相固溶体合金单相固溶体合金u单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好702.3 塑性变形和回复、再结晶塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能的影响对金属材料组织、性能的影响71静载单向静拉伸应力应变曲线(低碳钢)简单回顾简单回顾四阶段四阶段 72一一、金属材料的塑性变形、金属材料的塑性变形 变形变形是工程材料在外力作用下会发生的最基本的是工程材料在外力作用下会发生的最基本的失效失效方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两种。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。塑性变形还可改变材
21、料内部组织与结构并影响其宏观性能。不需要塑性变形：不需要塑性变形：抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；需要塑性变形：需要塑性变形：塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。73(一一)、单晶体的塑性变形、单晶体的塑性变形 单晶体变形规律：滑移晶体学单晶体变形规律：滑移晶体学多晶的变形是各个晶粒的变形的总和。多晶的变形是各个晶粒的变形的总和。（A
22、 A）塑性变形方式）塑性变形方式：滑移：滑移.塑性变形方式塑性变形方式滑移滑移和和孪生孪生 在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。74要点要点1：滑移变形的起因外力：滑移变形的起因外力P在滑移面上的分解在滑移面上的分解正应力正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将时，使将晶体拉断；晶体拉断；切应力切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起：使晶格产生弹性歪扭
23、，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生滑移面两侧的晶体发生相对滑动。相对滑动。75滑移就是晶体滑移面两侧部分或滑移就是晶体滑移面两侧部分或整体整体的相对移动（刚性移动）。的相对移动（刚性移动）。在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（晶面（滑移面滑移面）上的一定方向（）上的一定方向（滑移方向滑移方向）发生相对的滑动。）发生相对的滑动。滑移面滑移面最大最大密排面密排面滑移方向滑移方向最大最大密排晶向密排晶向要点要点2：滑移变形如何进行相对移动的位置与方向：滑移变形如何进行相对移动的位置与方向76位错位错滑移滑移塑性变形塑性
24、变形 切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。大量位错（原子距）大量位错（原子距）移出晶体移出晶体滑移线滑移线（1000原原子距）子距）滑移带滑移带要点要点3：滑移变形的本质位错机制：滑移变形的本质位错机制77晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的，而晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的，而勿需使晶体的两部分作整体相对移动。勿需使晶体的两部分作整体相对移动。滑移的实现滑移的实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的借助于位错运动
25、。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值）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自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！78滑移系滑移系：滑移面和该面上的一个滑移方向滑移面和该面上的一个滑移方向 金属三种常见晶格的滑移系金属三种常见晶格的滑移系要点要点4：不同金属的滑移变形特征：不同金属的滑移变形特征79Why?体心立方（体心立方（-Fe）和面心立方金属（
26、）和面心立方金属（Cu、Al）滑移系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能滑移系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能力更好力更好?80滑移系数目滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，材料塑性。（滑移方向的作用大于滑移面的作用滑移方向的作用大于滑移面的作用）FCC和和BCC的滑移系为的滑移系为12个，个，HCP为为3个；个；FCC的滑移方向（的滑移方向（3个）多于个）多于BCC（2个）个）。金属塑性：金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）81晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶晶体的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
27、。向（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部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。分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。部分）称为孪生带或孪晶。（B B）塑性变形方式）塑性变形方式 ：孪生：孪生WhyWhy发生孪生变形？何种情况下发生？发生孪生变形？何种情况下发生？特点：1.1.均匀切变，切变部分位向改变，均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。原子移动的距离是不相等的。2.2.临界分切应力临界分切应力滑移分切应力；滑移分切应力；3.3
28、.形变量很小；形变量很小；4.4.形变速度快，接近声速。形变速度快，接近声速。82孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：.FCC金属一般不发生孪生，少数（金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。在极低温度下发生。.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。金属仅在室温或受冲击时发生。.HCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。83(C(C）滑移和孪生的异同）滑移和孪生的异同1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形；行，产生塑性变形；2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较孪生借助于切变
29、进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生难进行时发生；3.滑移滑移原子移动的相对位移是原子间距的整数值原子移动的相对位移是原子间距的整数值不引起不引起晶格位向的变化；孪生晶格位向的变化；孪生原子移动的相对位移是原子间距原子移动的相对位移是原子间距的分数值的分数值孪生晶格位向改变孪生晶格位向改变促进滑移促进滑移；4.孪生产生的塑性变形量小（孪生产生的塑性变形量小（滑移变形量的滑移变形量的10），），但引但引起的晶格畸变大。起的晶格畸变大。84（二）、实际金属（多晶）的塑性变形（二）、实际金属（多晶）的塑性变形主要影响因素：晶界、晶粒和位向（A）晶界：）晶界：.滑移的主要障碍滑移的主要障碍
30、：原子混乱排列区，较不规则缺陷、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。.协调变形协调变形：晶界自身变形以维持相邻晶粒变形保持连续。位错塞积位错塞积位错运动到晶界附近，位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来。受到晶界阻碍而堆积起来。85（B B）晶粒）晶粒 .Hall-Pitch .Hall-Pitch关系：关系：s=0+Kyd-1/2 .细晶强化：细晶强化：晶粒细化晶粒细化强度、硬度提高、塑性、韧性也强度、硬度提高、塑性、韧性也提高，原因？提高，原因？晶粒小晶粒小晶界面积大晶界面积大变形抗力大变形抗力大强度大强度大 晶粒小晶粒小单位体积晶粒多单位体积晶粒多变形分散变形分散相
31、邻晶粒不同滑相邻晶粒不同滑移系相互协调移系相互协调 晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂纹的传播不利于裂纹的传播断裂前承受较大断裂前承受较大的塑性变形的塑性变形细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！86二、二、塑性变形对金属组织与性能的影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能的影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能的影响87晶粒形貌及结构变化晶粒形貌及结构变化 晶粒拉长，纤维组织晶粒拉长，纤维组织各同异性各同异性a.a.纤维组织（组织）纤维组织（组织）b.b.亚结构形成（晶内结构变化）亚结构形成（晶内结构变化）形变形变位错密度位错密度（-）位错缠结位错缠结胞
32、壁胞壁亚晶亚晶钢的纤维组织（变形度钢的纤维组织（变形度80%88织构织构择优取向（组织）择优取向（组织）择优取向择优取向变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。间位向上会呈现出一定程度的一致。形变织构形变织构金属塑性变形到很大程度（金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。构叫做形变织构。有害：有害：“制耳制耳”现象现象有利：硅钢片：电机、变压器铁芯有利
33、：硅钢片：电机、变压器铁芯89.加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化加工硬化金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。强度、硬度提高，塑性、韧性下降。90加工硬化机理：加工硬化机理：1 1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要；强化的合金尤其重要；2 2）冷加工成形得以顺利进行；）冷加工成形得以顺利进行；3 3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载断裂能力
34、，保证构件安全性；时超载断裂能力，保证构件安全性；4 4）塑性，塑性，切削性能；切削性能；不利：塑性变形困难不利：塑性变形困难中间退火中间退火消除消除塑性变形塑性变形位错移动位错移动位错大量增殖位错大量增殖相互作用相互作用运动阻力运动阻力加大加大变形抗力变形抗力强度强度、硬度、硬度、塑性、塑性、韧性、韧性位错强化：位错密度位错强化：位错密度强度、硬度强度、硬度意义意义914 4残余内应力（性能）残余内应力（性能）第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；微观，晶粒间或晶内不同区
35、域变形不均；第三类内应力第三类内应力超微观，晶粒畸变（超微观，晶粒畸变（90%）。）。去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。921、塑性变形金属在加热时组织性能变化、塑性变形金属在加热时组织性能变化（二）、金属在加热条件下的塑性变形（二）、金属在加热条件下的塑性变形932、回复、再结晶和晶粒长大、回复、再结晶和晶粒长大 1 1）回复）回复 原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低降低，强度和硬度略有降低去应力退火。去应力退火。驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）驱动力：金属变形
36、储存能（晶格畸变能）942 2）再结晶）再结晶1）新的形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能）新的形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化恢复，显微组织发生显著变化等轴晶粒，强度大大下降。等轴晶粒，强度大大下降。再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度：纯金属：再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K)驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）95性能恶化，特别是塑性明显下降。在工艺处理应注意防止产生。性能恶化，特别是塑性
37、明显下降。在工艺处理应注意防止产生。3 3）晶粒长大）晶粒长大96影响再结晶晶粒度的因素影响再结晶晶粒度的因素 温度温度TD晶界迁移晶界迁移晶粒度长大晶粒度长大预变形度预变形度97 TR以上加工，不引起加工硬化以上加工，不引起加工硬化提高金属致密度、提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶、树枝晶、流线分布等。消除枝晶偏析，打碎柱状晶、树枝晶、流线分布等。3 3、热加工对金属组织性能的影响、热加工对金属组织性能的影响98塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 变形类型变形类型 工艺方法工艺方法 组织变化组织变化 性能变化性能变化 冷变形冷变形 加工加工 冷轧、拉拔、冷轧、
38、拉拔、冷挤压、冷挤压、冷冲压、冷冲压、冷镦等冷镦等 晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织纤维组织 趋于各向异性趋于各向异性 晶粒破碎，形成亚结构，晶粒破碎，形成亚结构，位错密度增加位错密度增加 强度提高，塑性下降，强度提高，塑性下降，造成造成 加工硬化，密度下降加工硬化，密度下降 冷拉、冷轧冷拉、冷轧等等 晶粒位向趋于一致，形成晶粒位向趋于一致，形成 形变织构形变织构 趋于各向异性趋于各向异性 热变形热变形 加工加工 自由锻、模自由锻、模锻、锻、热轧、热挤热轧、热挤压等压等 焊合铸造组织中存在的气孔，缩松焊合铸造组织中存在的气孔，缩松等缺陷等缺陷 力学性能提高，
39、密度力学性能提高，密度提高提高 击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析减少，晶粒细化化物，偏析减少，晶粒细化 夹杂物沿变形方向伸长，形成流线夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，缓慢冷却可形成带状组织组织，缓慢冷却可形成带状组织 趋于各向异性，沿流趋于各向异性，沿流线方向力学性能线方向力学性能提高提高 99CH2作业作业术语：术语：相、组织、晶体结构、晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒度、相、组织、晶体结构、晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒度、过冷度、变质处理、合金、固溶体、枝晶偏析、细晶强化、再结晶过冷度、变质处理、合金、固溶体、枝晶偏析、细晶强化、再结晶简答题：
40、简答题：1、试画图分析指出、试画图分析指出BCC、FCC、HCP的原子半径、晶胞原子数、配的原子半径、晶胞原子数、配位数、致密度；位数、致密度；2、晶体缺陷有哪些？它们对材料性能有什么影响？、晶体缺陷有哪些？它们对材料性能有什么影响？3、结晶与凝固的异同点有哪些？纯金属的结晶过程是怎样的？、结晶与凝固的异同点有哪些？纯金属的结晶过程是怎样的？4、实际生产中总希望获得晶粒度较细小的金属或合金，为什么？结晶、实际生产中总希望获得晶粒度较细小的金属或合金，为什么？结晶过程中又如何控制晶粒度？过程中又如何控制晶粒度？5、什么是固溶强化？强化机理是什么？、什么是固溶强化？强化机理是什么？6、计算任意、计
41、算任意X成分的过共晶成分的过共晶Pb-Sn合金的室温相组成和组织组成的相合金的室温相组成和组织组成的相对含量？（要画图示意）对含量？（要画图示意）7、塑性变形有哪些基本方式？各方式的异同点是什么？、塑性变形有哪些基本方式？各方式的异同点是什么？8、在、在BCC、FCC、HCP中，为什么中，为什么FCC金属的塑性变形能力更好？金属的塑性变形能力更好？9、细晶强化的机理是什么？、细晶强化的机理是什么？10、什么是加工硬化？加工硬化的机理是什么？有什么意义？、什么是加工硬化？加工硬化的机理是什么？有什么意义？11、简述塑性变形金属在加热过程中组织和性能的变化特点。、简述塑性变形金属在加热过程中组织和
42、性能的变化特点。100一般要求一般要求u1.晶格的致密度，晶体的各向异性；u2.金属中的扩散;u3.复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标;u4.有关滑移和孪生的理论解释;u5.金属铸锭的组织特征及缺陷；u6.形成稳定化合物的相 图；u7.合金相图与性能的关系。101重点掌握重点掌握 n1.有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶体，三种常见的金属晶格。实际晶体的缺陷；n2.合金相结构的基本类型：固溶体、化合物及混合物，以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。n3.金属的变形及其本质；n4.塑性变形对金属材料的的组织和性能的影响；n5.经冷变形的金属，在加热时的组织和性能的变化；n6.内应力的产生及危害。n7.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素；n8.二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；n9.二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图；n10.杠杆定律及其应用。
