1、工程材料工程材料设计制造教研室设计制造教研室:丁海民丁海民金属及金属学金属及金属学金属学成分成分组织组织性能性能 引言：引言：1 1、金属材料的性能、金属材料的性能使用性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。工和热处理的性能。2 2、金属材料金属材料力学性能力学性能 包括包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性
2、能、切削加工性能和热处理工艺性能加工性能和热处理工艺性能等。等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、强度、塑性、硬度、冲击韧度硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。第一节 金属材料的性能金属材料的工艺性能 金属的金属的工艺性能工艺性能（一）铸造性能 铸造：液态金属浇入铸型型腔凝固后得到所需形状的毛坯或零件的成形工艺 铸造性能：获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力 1、合金的流动性 2、收缩率 3、成分偏析（二）锻造性能n锻造成形：固态金属在外力作用下所产生的塑性变形来获得所需毛坯或零件的工艺n可锻性：材料承受锻压成形的能力（塑性、变形抗
3、力）n 材料本身：晶体结构、成分、组织n加工条件：温度、变形速度等(三)焊接性能n可焊性：金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，获得优质焊接接头的能力n影响因素：焊接方法、焊接材料、工艺参数、结构形式等。(四)切削性能n金属承受切削加工的难易程度n表面光洁度、表面质量等n一、金属的变形和断裂一、金属的变形和断裂n金属的力学性能金属的力学性能：材料在材料在外力作用下表现出来的特外力作用下表现出来的特性，如性，如弹性、塑性、强度、弹性、塑性、强度、硬度和韧性硬度和韧性等。等。表征和判定金属力学性能表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。属力学性
4、能的判据。金属的金属的机械性能机械性能1、强度n 金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力：力：抗拉强度抗拉强度、抗压强度、扭转强度、疲、抗压强度、扭转强度、疲劳强度等。劳强度等。n拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法，该试验依据国家标准（目前通用的标准为该试验依据国家标准（目前通用的标准为GB/T 2282002）进行，将材料制作成标）进行，将材料制作成标准试样或比例试样，在万能实验机上沿试准试样或比例试样，在万能实验机上沿试样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增加而变形，直至断裂。测得材
5、料的加而变形，直至断裂。测得材料的弹性极弹性极限、屈服极限、强度极限及塑性限、屈服极限、强度极限及塑性等主要力等主要力学性能指标。学性能指标。n拉伸试验拉伸试验：即静拉伸力对试样轴向拉伸即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相测量力和相应的伸长应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。能的试验。拉伸试验机低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线随所受外力的增加，金属相继产生三种行为：弹性随所受外力的增加，金属相继产生三种行为：弹性变形、塑性变形、断裂变形、塑性变形、断裂（1）弹性变形）弹性变形 即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸即物体在外力作用下改变其形状
6、和尺寸，当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。弹性的除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过拉伸试验来测定。判据可通过拉伸试验来测定。弹性变形阶段有两个弹性变形阶段有两个重要的力学性能指标：重要的力学性能指标：弹性极限和材料刚度。弹性极限和材料刚度。弹性和刚度弹性和刚度n弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材料承受最大弹材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。n刚度：刚度：材料受力时抵抗材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性变形的能力。指标指标为弹性模量为弹性模量E E。（MPa）tgE e弹性极限n弹性的指标为弹性的指标为弹性极限弹性极限 e e，
7、是，是材料承受材料承受最最大弹性变形大弹性变形时的应力。即金属材料不产生时的应力。即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线线e e点对应的应力点对应的应力 e e为弹性极限：为弹性极限：e=Fe/S0 式中式中 e 弹性极限（弹性极限（MPa）；）；F e 试样产生完全弹性变形时的最大试样产生完全弹性变形时的最大外（外（N）；）；S0 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm 2）。）。刚度n即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。刚度的大小（指标）以刚度的大小（指标）以弹性模量弹性模量来衡量，弹性模来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现
8、为量在拉伸曲线上表现为oeoe段的斜率，即：段的斜率，即：E=/E=/式中式中 E E弹性模量（弹性模量（MPMPa a）；）；应力（应力（MPMPa a）；）；应变。应变。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。状来提高零件的刚度。（2 2）塑性变形）塑性变形1.1.屈服强度屈服强度n屈服点屈
9、服点：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上上s s点对应的应力为屈服点。点对应的应力为屈服点。s s=F=Fs s/S/S0 0 式中式中 s s屈服点（屈服点（MPa MPa）；）；F Fs s试样开始产生屈服现象时的力（试样开始产生屈服现象时的力（N N）；）；S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm mm 2 2）。）。n即试样拉断前承受的最大标称拉应力。即试样拉断前承受的最大标称拉应力。如图如图2-12-1所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b b点对
10、应的应力为抗点对应的应力为抗拉强度。拉强度。b b=F=Fb b/S/S0 0 式中式中 b b抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）；）；F Fb b试样断裂前所能承受的最大拉力（试样断裂前所能承受的最大拉力（N N）；）；S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。2.2.抗拉强度抗拉强度3.3.塑性塑性n即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。n常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。l伸长率伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L=(L1
11、1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%式中式中 伸长率（伸长率（%）；）；L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)；L L0 0 试样原始标距（试样原始标距（mm)mm)。l 断面收缩率n 即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。与原始的横截面积的百分比。=（S S0 0-S-S1 1）/S/S0 0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（%）；）；S S1 1试样的原始截面积（试样的原始截面积（mmmm2 2）S S0 0试样拉断后缩颈处的最小横截面积试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mm
12、mm2 2）2、疲劳强度、疲劳强度n材料在低于屈服极限材料在低于屈服极限 s的重复交变应力长期作用下的重复交变应力长期作用下发生断裂的现象。发生断裂的现象。n疲劳失效的测定疲劳失效的测定n金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的值称为材料的疲劳极限（强度）疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲。它反映材料抗疲劳断裂的能力在一定条件下，当应力的最大值低于劳断裂的能力在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲生疲劳断裂。这个
13、最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号-1表示。表示。n钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图影响金属材料疲劳强度的因素影响金属材料疲劳强度的因素材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁度和工作环境等有关。度和工作环境等有关。由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产
14、生和发展由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产生和发展的，因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。的，因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。3 3、硬度、硬度n 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。标。n材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102.022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计1）布氏硬度）布氏硬度 n压头为钢球时压头为钢球时
15、，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。n压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值,符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度
16、值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕n布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。n适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球
17、墨铸铁2）洛氏硬度）洛氏硬度n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为标尺为A、B、C。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计符号符号压头类型压头类型总载荷总载荷（kgf）适用范围适用范围HRC120金刚石圆金刚石圆锥锥150一般淬火钢等硬度较大材料一般淬火钢等硬度较大材料HRB1.588mm钢球钢球100退火钢和有色金属等软材料退火钢和有色金属等软材料HRA120金刚石圆金刚石圆锥锥60硬而薄的硬质合金或表面淬硬而薄的硬质合金
18、或表面淬火钢火钢试验规范试验规范n符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛
19、氏硬度压痕洛氏硬度压痕3 3）维氏硬度）维氏硬度（HV）维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136的正四棱的正四棱锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线的长度，计算压试样表面就留下压痕，测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷痕表面积，载荷F除以压痕面积除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。所得值即为维氏硬度。维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下：表示，计算公式如下：)(kgf/m
20、mdF1.8544SFHV22n维氏硬度维氏硬度用符号用符号HV表示，表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。n根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。n维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度试验示意图维氏硬度试验示意图维氏硬度也可按对角维氏硬度也可按
21、对角线的线的d值从表中查出，值从表中查出，d值为两对角线的算术平值为两对角线的算术平均值。维氏硬度的结果均值。维氏硬度的结果表示方法为：表示方法为：硬度值硬度值+HV+试验载荷试验载荷+载荷保持时间载荷保持时间（1015秒不标注）。秒不标注）。例如，例如，640HV3020表示在试验力表示在试验力30kgf作作用下保持载荷用下保持载荷20秒测秒测定的维氏硬度值为定的维氏硬度值为640。n冲击韧性冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用常用冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单位面积所消冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单位面积所消耗
22、的冲击功。耗的冲击功。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。4 4、韧性、韧性n即金属在断裂前吸收变形能量的能力。即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。(h1-h2)/A 式中式中 冲击韧度（冲击韧度（J/cmJ/cm2 2）试样的冲击吸收功（试样的冲击吸收功（J)J)缺口底部横截面积缺口底部横截面积(mm(mm2 2)摆锤重量摆锤重量(Kg)(Kg)h h1 1摆锤举起高度摆锤举起高度(m)(m)h h2 2击断试样后升起高度击断试样后升起高度(m)(m)夏比冲击试验夏比冲击试验韧脆转变
23、温度韧脆转变温度n材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变。韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度。温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属体心立方金属具有韧脆转具有韧脆转变温度，而大多数变温度，而大多数面心立面心立方金属方金属没有。没有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左
24、图）（左图）和和近代船用钢板（右图）近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板影响冲击韧性值大小的因素影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成份、冶金有材料的化学成份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。另外，金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。另外，金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降。属材料的冲击韧性随温度的降低而下降。5、断裂韧性n材料阻止裂纹扩展的能力aYkcIc金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能 金属材料的物理、金属材料的物理、化学性能包括密度、化学性能包括密度、熔点、导电性、导熔点、导电性、导热性、磁性、热膨热性、磁
25、性、热膨胀性、耐热性和耐胀性、耐热性和耐蚀性等。蚀性等。机械零件的用途不机械零件的用途不同，对材料的物理、同，对材料的物理、化学性能要求也不化学性能要求也不同同 。第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构 材料结构的层次材料结构的层次 晶体:金刚石、NaCl、冰 等。非晶体:蜂蜡、玻璃 等。液体晶体的特性n组成晶体的基本原子在三维空间上周期性排列n晶体具有确定的熔点n晶体性能具有各向异性原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置 晶体结构晶体结构结点结点晶胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型晶胞晶胞:每个晶胞有六个晶格常数每个晶胞有六个晶格常数(a,b,c;,）X
26、YZabc晶格常数晶格常数a，b，c cmAAoo81011（埃）a=b=c且且=90o简单立方晶胞简单立方晶胞具有简单立方晶胞的晶格具有简单立方晶胞的晶格简单立方晶格简单立方晶格（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc-Fe-Fe、W W、V V、MoMo 等等二、三种常见的金属晶体结构二、三种常见的金属晶体结构 晶胞中原子位于正方体的八个顶角和立方体中心，由于每个顶角上的原子同时属于周围八个晶胞共有，所以体心立方晶胞中含有的原子数为2体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.68
27、0.68致密度致密度=Va/Vc=Va/Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a a3 3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3体心立方晶格：体心立方晶格：最大原子密度晶面是最大原子密度晶面是110110晶面晶面最大原子密度晶向是最大原子密度晶向是晶向晶向XYZabc2r2raa2 2（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfcc-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74面
28、心立方晶格：面心立方晶格：最大原子密度晶面是：最大原子密度晶面是：111111晶面晶面最大原子密度晶向是：最大原子密度晶向是：晶向晶向XYZabc密排方向密排方向4 4（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcpMgMg、Zn Zn 等等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0.0.7474 晶向指数的求法晶向指数的求法 a a、以晶胞的晶轴为坐标轴，以晶胞的边长为坐标轴的、以晶胞的晶轴为坐标轴，以晶胞的边长为坐标轴的 长度单位
29、长度单位 b b、使待定晶向的直线通过坐标原点或通过原点作一直线平行于待、使待定晶向的直线通过坐标原点或通过原点作一直线平行于待 定晶向定晶向 c c、在通过原点的直线上选出距原点最近的一个结点，确定该结、在通过原点的直线上选出距原点最近的一个结点，确定该结 点的坐标值点的坐标值 d d、将三个坐标值化为互质整数，再加上方括号，即为该待定晶向、将三个坐标值化为互质整数，再加上方括号，即为该待定晶向 的晶向指数。如果其中某一数值为负，则将负号标注在该数值的晶向指数。如果其中某一数值为负，则将负号标注在该数值 上方。上方。晶面指数的求法：晶面指数的求法：1 1、在晶格中设置坐标轴、在晶格中设置坐标
30、轴X X、Y Y、Z Z，坐标原点应位于待定指数的晶面，坐标原点应位于待定指数的晶面之外之外 2 2、求出待定晶面在各个坐标轴上的截距，并用晶轴的单位长度（晶、求出待定晶面在各个坐标轴上的截距，并用晶轴的单位长度（晶胞的晶格常数）作为截距的单位，胞的晶格常数）作为截距的单位，2 2-2-2，3b-33b-3，1c-11c-1 3 3、取截距的倒数，然后化为最小的简单整数，加上小括号，即得、取截距的倒数，然后化为最小的简单整数，加上小括号，即得晶面指数。若晶面与晶轴相截于负方向，则将负号标于该数的上方。晶面指数。若晶面与晶轴相截于负方向，则将负号标于该数的上方。三、金属晶格的基本类型三、金属晶格
31、的基本类型晶格类型体心立方晶格 bcc面心立方晶格 fcc密排六方晶格 hcp晶胞结构晶胞常数abc 90abc 90ab c/a1.633 90 120晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74典型金属-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性晶面晶面100110111bccfcc晶向晶向 bccfcc由于晶体中不同由于晶体中不同晶面、晶向上的晶面、晶向上的原子密度不同，原子密度不同，故晶体在不同方故晶体在不同方向上的性能也不向上的性能也不同，呈现
32、各向异同，呈现各向异性，这是晶体区性，这是晶体区别于非晶体的重别于非晶体的重要标志之一。要标志之一。如：体心立方的如：体心立方的铁晶体铁晶体:在在晶向上晶向上,E=290000MN/mE=290000MN/m2 2；在在晶向上晶向上,E=1350000MN/mE=1350000MN/m2 2一一.单晶体与多晶体的基本概念单晶体与多晶体的基本概念 1.1.单晶体的特征单晶体的特征:晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。*晶体具有各向异性晶体具有各向异性 例如例如:单晶硅、单晶锗等。单晶硅、单晶锗等。2.2.多晶体的特征多晶体的特征 晶体是由许多颗晶格
33、排列方位不相同的晶粒组成。晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。*晶体具有各向同性晶体具有各向同性 例如例如:常用的金属等。常用的金属等。3.3.晶粒晶粒 组成金属晶体的小晶体，因其外型呈不规格的颗粒状故称晶粒组成金属晶体的小晶体，因其外型呈不规格的颗粒状故称晶粒 4.4.晶界晶界 晶粒之间的界面。晶粒之间的界面。实际晶体的结构实际晶体的结构 晶界的特性晶界的特性：a.a.晶界处能量高，杂质多。晶界处能量高，杂质多。b.b.晶界易被腐蚀。晶界易被腐蚀。c.c.晶界熔点比晶内低。晶界熔点比晶内低。d.d.相变首先在晶界处发生。相变首先在晶界处发生。e.e.晶界阻碍位错的运动，因此晶界不易发
34、晶界阻碍位错的运动，因此晶界不易发 生塑性变形。生塑性变形。亚晶：亚晶：每个晶粒内部，存在晶格位向有微小差异的小每个晶粒内部，存在晶格位向有微小差异的小区域，位向差很小区域，位向差很小,最多最多 1-21-2，这些小区域称为亚晶。，这些小区域称为亚晶。1 1、点缺陷（零维缺陷）、点缺陷（零维缺陷）晶格空位：晶格中的原子脱离晶格结点，形成空位。晶格空位：晶格中的原子脱离晶格结点，形成空位。间隙原子：从晶格结点上脱离的原子转移到晶格间隙。间隙原子：从晶格结点上脱离的原子转移到晶格间隙。置换原子：晶格中晶格空位，间隙原子的存在，会改变其周围置换原子：晶格中晶格空位，间隙原子的存在，会改变其周围 原子
35、的平衡，造成晶格畸变。原子的平衡，造成晶格畸变。二二.晶体缺陷晶体缺陷 2.2.线缺陷线缺陷-位错位错n位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。位错包括：位错包括：n刃型位错刃型位错n螺旋型位错螺旋型位错n混合位错混合位错n位错线周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围的位错线周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围的晶格发生了畸变。晶格发生了畸变。位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑位错：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。移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。
36、刃型位错刃型位错 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，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。是刃型位错。n半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”“”表示。表示。正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错n位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V=S/V(cm/cm(cm/cm3 3或
37、或1/cm1/cm2 2)n金属的位错密度为金属的位错密度为10104-4-10101212/cm/cm2 2n位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，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。因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。n减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。3.3.面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5-105-10个原子间距，位向差一个原子间距，位向差一般为般为20-4020-40。亚晶粒亚晶粒大角度和小角
38、度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁n亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小也很小(1(1 -2 -2 )的小晶块。的小晶块。n亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。也可看作位错壁。晶界与亚晶界结构示意图晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界第三节第三节 金属的结晶金属的结晶一、一、凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.1.凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。2.2.结晶结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。物质中的原子由近程有晶体物质由
39、液态转变成固态的过程。物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。序排列向远程有序排列的过程。金属的结晶过程金属的结晶过程形核与长大过程形核与长大过程二、二、结晶的现象与规律结晶的现象与规律金属液形成晶核晶核长大形成晶体 形核、长大。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，形核、长大。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在结晶温度经一段时间后称为晶坯。在结晶温度经一段时间后(即孕育期即孕育期),),一些大尺寸的晶坯将会长大，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。称为晶核。三、结晶的过冷现象三、结晶的过冷现象n冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷n1 1、冷却
40、曲线、冷却曲线n金属结晶时温度与时间的关系曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度应的温度称实际结晶温度T T1 1。n曲线上水平阶段是由于结晶时放出曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的结晶潜热引起的.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线n2 2、过冷与过冷度、过冷与过冷度n纯金属都有一个理论结晶温度纯金属都有一个理论结晶温度T T0 0(熔点或平衡结晶温度熔点或平衡结晶温度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。液体和晶体处于动平衡状态。n结晶只有在结晶只有在T T0 0以下的实际结晶温度下才能进行
41、。以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇雾凇n液态金属在理论结晶温度以液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温理论结晶温度与实际结晶温度的差度的差 T称过冷度称过冷度 T=T0 T1n过冷度大小与冷却速度有关，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。冷速越大，过冷度越大。三三、结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件1.1.金属结晶的能量条件金属结晶的能量条件:G=U S T G=U S T G G 物体的自由能物体的自由能 U U 物体的内能物体的内能 S S 熵熵 T T 温度温度 K KT0T1T液体和晶体自由能随温度变
42、化液体和晶体自由能随温度变化2.2.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构平面生长平面生长树枝状生长树枝状生长晶体的长大晶体的长大树枝晶树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶 不同过冷度不同过冷度TT对晶核形成率对晶核形成率N N和晶核成长率和晶核成长率G G 的影响为抛物线。当过冷度较的影响为抛物线。当过冷度较低时，晶核的形成率和成长率均很小，随着过冷度的增大，二者都增大，并在一低时，晶核的形成率和成长率均很小，随着过冷度的增大，二者都增大，并在一定的过冷度时达到
43、最大值；当过冷度进一步增大，二者又逐渐减小，直至过冷度定的过冷度时达到最大值；当过冷度进一步增大，二者又逐渐减小，直至过冷度很大时，又先后趋于零。很大时，又先后趋于零。1 1）过冷度的影响）过冷度的影响影响晶粒大小的因素影响晶粒大小的因素过冷度越大过冷度越大,晶粒越细晶粒越细自发形核自发形核 T=200T=200 金属中的高熔点杂质，呈固态质点悬浮在金属液体中，这些未熔金属中的高熔点杂质，呈固态质点悬浮在金属液体中，这些未熔 杂质在金属结晶过程中能够起到天然晶核的作用，可显著提高晶核的杂质在金属结晶过程中能够起到天然晶核的作用，可显著提高晶核的 形成率，使金属晶粒细化，且这种作用远大于通过提高过冷度产生的形成率，使金属晶粒细化，且这种作用远大于通过提高过冷度产生的 影响。影响。非自发形核非自发形核 T=20T=20 工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。做变质处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。3).3).金属流动与振动金属流动与振动细化晶粒的途径细化晶粒的途径提高冷却速度提高冷却速度变质处理变质处理机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。2)2)、未熔杂质的影响、未熔杂质的影响
