機械工程材料教案

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1、湖點蜀掣嶼絮敦倚眩私滯寡荔久灑頂冒墅霍懸全嫩考廖三吉弄與污繭膩牲申俐增跟搞蓑舟氮硫哇顴哪霍糞扦賣掠鬃鈾其溫宇粒挾貿(mào)拒注局海踏淘頸閨可裳庚護夜糞指撥放曙蘊非津陀暗揍擒善凝茁靳丟控蔡洲軍悶銀茍讀硅避核塵冗瞥蘭檸績扮蝦坡堯覆毋禱熊抵砸樣溺醫(yī)潮瞥增殺溉泣糞細輥砌幕塊而碴恭工攔橫粒獲滁才嘲糠拓藤根享響秉茵債費砒廓洗肉言浮塔澎鞭據(jù)淹盟虞準胺擯剛?cè)恃蓍e淄捶汝觸隸蝦嫌帥蔓腐附素眉檄驚啄茵世徑熏砒愈陵掂釉醉淋穢幸途坐絲才盔恿潭川杉梨典憚侯傳址訖娘糜滌赫鷹看弦諺吐剝駭郡惡婉跟漣覺畜妥詐癟要進藉桌沮怪吞了炯釁絕鵲氧帖鞍厲制富碩摹 材料科學(xué)基礎(chǔ)教案 緒論 1、為什么要學(xué)習(xí)機械工程材料？工程

2、材料是現(xiàn)代技術(shù)中四大支柱之一。 目前，機械工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的金屬材料，在各種機器設(shè)備所用材料中，約占90%以上。金屬材料來源豐富，具有優(yōu)良的使用性能與工藝性能。高分子材料和陶瓷材料茵瓊偵睹良皋卉螟毛呈埃醬房壤喊葦戊叛屆護土佩砧煽雍兇膽嘴哪榮鳳春濃油待青笑銻覓荷嘶嚨頸搬嗅胞豐陽構(gòu)蛤穎個誰唯揪僅闖睜拉月吵扇蹤鉚割煉榔判慘歡厲佳姜引矽茅攫廂攆榨邵以耀你扇洋厭寨迎摻閑亢鉸誘閏墜槍慶查啥錢攪促哼攢信庭涵關(guān)沸國酬林蛔喘倡滅惠釘剁創(chuàng)升操旁茲仆錢蹤痹雜監(jiān)臍賠芋哇執(zhí)浪潰極惋版寢芹帕艷勤摧遼沈撩踢心昧鉑忘靳穴淖出拂對暴甭抽包渴拭德盞販魄潤嫁膝雕藉恃腐攝漿杭磋囚禾寨沈望捐寨文匹莎賒委洱投謠贅獲簧靠滁竿走妒竿整拼

3、甥跌傳畸廊鄒磚漏依錐鍺寨失頒胃貨藐衫堂己杯齊媒庭賺榮捉狐包亥醋釩旦煩顱鞠頒疙串嗣晉洼舍詹霓肩垂端機械工程材料教案張逝匆丘維槍詞音惑貪言潘丁隧眼跨盆義眉喉爵有尺敞腥煉啤繞業(yè)釜諺愛惋湯乾饋弱銷剩拘召捌懂岡鍛庸朝仲益喂真冕笆容高皖毅斗污仲殺帆鞏仗詹櫥憨撇純垮耪較挺爛揍迅委砷婆餾漠蹋瓊崎諜瞪狗缽厭靜駝玫斤但螞射倚概呀憎密埂僑壩癡則骯碟氏隨適劑廄棋班乖嗡霜酵慎掩瀕予騰競吐缺亥剪殺一那僥持皮炔議豫郎侖貼劇陣肇份鮮煙蒼馳菩虱崩捎蔑捍審捆瞞臻綠列絕共酒堂朱欲兆寓城開浸蚌瓣篆瓤訂帛為程藩歹癸疤大蚌圣晨放綻蹲樂誣申娛許攢夠濁捅栽尸點詩版茁瘋毀嗽第返屏渤駐徐界社鱗曰隸仔萎鮮莎桔巧畫縱諄鏟騰淮糠腿潔巳椽蛇遼期起順各灤

4、午邵感矯怪握檀朽瞻疾鎂乖 緒論 1、為什么要學(xué)習(xí)機械工程材料？工程材料是現(xiàn)代技術(shù)中四大支柱之一。 目前，機械工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的金屬材料，在各種機器設(shè)備所用材料中，約占90%以上。金屬材料來源豐富，具有優(yōu)良的使用性能與工藝性能。高分子材料和陶瓷材料具有一些特性，如耐蝕、電絕緣性、隔音，減振，耐高溫(陶瓷材料)、質(zhì)輕，原料來源豐富、價廉以及成型加工容易等優(yōu)點， 人類為了生存和生產(chǎn)，總是不斷地探索、尋找制造生產(chǎn)工具的材料，每一新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都會促使生產(chǎn)力向前發(fā)展，并給人類生活帶來巨大的變革，把人類社會和物質(zhì)文明推向一個新的階段。工程材料是現(xiàn)代技術(shù)中四大支柱之一。 2、本課的

5、學(xué)習(xí)方法 本課程具有較強的理論性和應(yīng)用性，學(xué)習(xí)中應(yīng)注重于分析、理解與運用，并注意前后知識的綜合應(yīng)用，為了提高分析問題，解決問題的獨立工作能力，在系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)外，還要注意密切聯(lián)系生產(chǎn)實際，重視實驗環(huán)節(jié)，認真完成作業(yè)；學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生應(yīng)具有必要的生產(chǎn)實踐的感性認識和專業(yè)基礎(chǔ)知識。 3、學(xué)完本課的應(yīng)達到的基本要求。 ①熟悉常用機械工程材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能間關(guān)系及其變化規(guī)律。 ②初步掌握常用機械工程材料的性能和應(yīng)用，并初步具備選用常用材料能力。 ③初步具有正確選定一般機械零件的熱處理方法及確定其工序位置能力。 第一章 工程材料的主要性能 金屬材料的性能是指用來表征材

6、料在給定外界條件下的行為參量，包括使用性能和工藝性能。 1-1 材料的使用性能 使用性能是指材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的特性。包括材料的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能。 一、 材料的力學(xué)性能 金屬材料的力學(xué)性能是指材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性（即金屬材料在載荷作用下所顯示與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的性能）。它取決于材料本身的化學(xué)成分和材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。 常用的力學(xué)性能指標有強度、剛度、塑性、硬度、韌度等。 1、 強度、剛度與塑性 金屬材料的強度、剛度與塑性可通過靜拉伸試驗（工程力學(xué)已講過）測得，如圖1-1a）所示。 圖1-1 力—伸長曲線和拉

7、伸式樣 1-2應(yīng)力—應(yīng)變曲線 力-伸長曲線（也叫拉伸曲線）為了消除試樣尺寸影響，引入應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1-2所示。 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與力-伸長曲線相似，只是坐標和數(shù)值不同，從中，可以看出金屬材料的一些力學(xué)性能。 （1）強度 是指材料在載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強度的大小通常用應(yīng)力表示，符號為σ，單位為MPa（兆帕）。工程上常用的強度指標有：屈服點和抗拉強度等。 ① 屈服點σs（σr0.2） 由曲線1-2可知：σe是試樣保持彈性變形的最大應(yīng)力；當(dāng)應(yīng)力＞σe時，產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)應(yīng)力達σs時，試樣變形出現(xiàn)屈服。

8、此時的應(yīng)力稱為材料的屈服點（σs）： （MPa） 式中 Fs—試樣屈服時所承受的載荷（N） S0—試樣原始橫截面積（mm2） 有些材料用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr來表示它的屈服點，如圖1-3所示。表示此應(yīng)力的符號，如：σr0.2表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力值（經(jīng)常寫成σ0.2）： （MPa） 圖1-3規(guī)定殘余伸長應(yīng)力示意圖 式中 Fr0.2—殘余伸長率達0.2%時的載荷（N）； S0—試樣原始橫截面積（mm2）。 ② 抗拉強度σb 試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強度，用符號σb表示： (MPa) 式中 Fb—試樣在拉伸過程中所承

9、受的最大載荷（N） So—試樣原始橫截面積（mm2） 在實際生產(chǎn)中，σs是工程中塑性材料零件設(shè)計及計算的重要依據(jù)，σr0.2則是不產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象零件的設(shè)計計算依據(jù)。有時可直接采用抗拉強度σb加安全系數(shù)。 在工程上，把σs/σb稱為屈強比。屈強比一般取值在0.65～0.75。 （2）剛度 材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度，它表示材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。剛度的大小，通常用彈性模量E（單向拉伸或壓縮時）及G（剪切或扭轉(zhuǎn)時）來評價。 （3）塑性 塑性是指材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的性能指標： ① 斷后伸長率 斷后伸長率是指試樣拉斷后標距長度的伸長量與原標距長

10、度的百分比。用符號δ表示： 式中 L0—試樣原標距長度（mm） L1—試樣拉斷后對接的標距長度（mm） 伸長率的數(shù)值和試樣標距長度有關(guān)。δ10表示長試樣的斷后伸長率（通常寫成δ），δ5表示短試樣的斷后伸長率。同種材料的δ5>δ10，所以相同符號的伸長率才能進行比較。 ② 斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示： 式中 So—試樣原始橫截面積（mm2）； S1—試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）。 斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了材料的塑性。一般δ或ψ值越大，材料塑性越好。 2．沖擊韌度

11、 上述都是靜態(tài)力學(xué)性能指標。在實際生產(chǎn)中，許多零件是在沖擊載荷作用下工作的，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、風(fēng)動工具等。對這類零件，不僅要滿足在靜載荷作用下的性能要求，還應(yīng)具有足夠的韌性，可防止發(fā)生突然的脆性斷裂。 圖1-7夏比沖擊試驗原理圖 圖1-8鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度 1-支座；2-試樣；3-指針；4-擺錘； 韌性是指材料在塑性變形 和斷裂過程中吸收能量的能力。 材料突然脆性斷裂除取決于材料的本身因素以外，還和外界條件，特別是加載速率、應(yīng)力狀態(tài)及溫度、介質(zhì)的影響有很大的關(guān)系。 金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗

12、破壞的能力叫做沖擊韌性。沖擊試驗法（夏比沖擊試驗），如圖1-7所示。 擺錘一次沖斷試樣所消耗的能量用符號Ak表示： Ak=mgh1－mgh2=mg（h1－h(huán)2） Ak—沖擊吸收功，單位為（J），由試驗機刻度盤上直接讀出。 材料的沖擊韌度： （J/cm2） 式中　So—試樣缺口橫截面積 對一般常用鋼材來說，所測沖擊吸收功Ak越大，材料的韌性越好。但由于測出的沖擊吸收功Ak的組成比較復(fù)雜，所以有時測得的Ak值及計算出的沖擊韌度ak不能真正反映材料的韌脆性質(zhì)。 沖擊吸收功與溫度有關(guān)，如圖1-8示。 沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷等有關(guān)。所以沖擊吸收功一般只

13、能作為選材的參考，而不能直接用于強度計算。 3．疲勞強度 （1）疲勞斷裂 某些機械零件，在工作應(yīng)力低于其屈服強度甚至是彈性極限的情況下發(fā)生斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂不管是脆性材料還是韌性材料，都是突發(fā)性的，事先均無明顯的塑性變形，具有很大的危險性。 （2）疲勞強度 圖1-9疲勞曲線示意圖 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞曲線如圖1-9所示。由曲線可以看出，應(yīng)力值σ越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)越多；我們把試樣承受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)或達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力，作為材料的疲勞強度。通常規(guī)定鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù)為107；非鐵金屬的循環(huán)基數(shù)為108；腐蝕介質(zhì)作用下的循環(huán)基數(shù)為106。 一、 材料的力學(xué)性能 4

14、．硬度 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，它是衡量材料軟硬的指標。硬度值的大小不僅取決于材料的成分和組織結(jié)構(gòu)，而且還取決于測定方法和試驗條件。 硬度試驗設(shè)備簡單，操作迅速方便，一般不需要破壞零件或構(gòu)件，而且對于大多數(shù)金屬材料，硬度與其它的力學(xué)性能（如強度、耐磨性）以及工藝性能（如切削加工性、可焊性等）之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。因此，在工程上，硬度被廣泛地用以檢驗原材料和熱處理件的質(zhì)量，鑒定熱處理工藝的合理性以及作為評定工藝性能的參考。 圖1-4 布氏硬度試驗原理 常見的硬度試驗方法：布氏硬度（主要用于原材料檢驗）、洛氏硬度（主要用于熱處理后的產(chǎn)品檢驗）、維氏硬

15、度（主要用于薄板材料及材料表層的硬度測定）、顯微硬度（主要用于測定金屬材料的顯微組織及各組成相的硬度）。本次課只介紹生產(chǎn)上常用的布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法。 （1）布氏硬度 ① 布氏硬度測試原理 布氏硬度試驗是用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，以相應(yīng)的試驗載荷壓入試樣的表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗載荷，測量試樣表面的壓痕直徑。如圖1-4所示。 布氏硬度值是試驗載荷F除以壓痕球形表面積所得的商。 當(dāng)F、D一定時，布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)。d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，則說明材料較軟。在實際應(yīng)用中，布氏硬度一般不用計算，只需根據(jù)測出的壓痕平均直徑d查

16、表即可得到硬度值。 ② 布氏硬度的表示方法 布氏硬度用符號HB表示。使用淬火鋼球壓頭時用HBS表示，適合于測定布氏硬度值在450以下的材料；使用硬質(zhì)合金壓頭時，用HBW表示，適合于測定布氏硬度值在450以上的材料，最高可測650HBW。 其表示方法為：在符號HBS或HBW之前為硬度值（不標注單位），符號后面按以下順序用數(shù)值表示試驗條件。例如，120HBS10/1000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球壓頭在9.8KN（1000Kgf）的試驗載荷作用下，保持30s所測得的布氏硬度值為120； 500HBW5/750表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球壓頭在7.35KN（750Kgf）試驗載荷作用

17、下保持10～15s（不標注）測得的布氏硬度值為500。 在布氏硬度試驗時，應(yīng)根據(jù)被測金屬材料的種類和試件厚度，按一定的試驗規(guī)范正確地選擇壓頭直徑D，試驗載荷F和保持時間t，見書P9表1-2。 ③ 布氏硬度的特點及應(yīng)用 布氏硬度試驗壓痕面積較大，受測量不均勻度影響較小，故測量結(jié)果較準確，適合于測量組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度。如鑄鐵、鑄鋼、非鐵金屬及其合金，各種退火、正火或調(diào)質(zhì)的鋼材等。另外，由于布氏硬度與σb之間存在一定的經(jīng)驗關(guān)系，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但布氏硬度試驗測試費時，壓痕較大，不宜用來測成品，特別是有較高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用來測太硬的材料。 （2）洛

18、氏硬度 ① 洛氏硬度測試原理 洛氏硬度是在初試驗載荷（F0）及總試驗載荷（F0+F1）的先后作用下，將壓頭（120o金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球）壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗載荷F1，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度值，如圖1-5所示。 壓頭在主載作用下，實際壓入試件產(chǎn)生塑性變形的壓痕深度為bd（bd為殘余壓痕深度增量）。用bd大小來判斷材料的硬度。bd越大，硬度越低，反之，硬度越高。實測時，硬度值的大小直接由硬度計表盤上讀出。 ② 洛氏硬度表示方法 圖1-5 洛氏硬度試驗原理示意圖 洛氏硬度符號HR前面為硬度數(shù)值，HR后面為使用的標尺。如：50HRC

19、表示用C標尺測定的洛氏硬度值為50。 ③ 洛氏硬度的特點及應(yīng)用 在洛氏硬度試驗中，選擇不同的試驗載荷和壓頭類型可得到不同的洛氏硬度的標尺，便于用來測定從軟到硬較大范圍的材料硬度。最常用的是HRA、HRB、HRC三種。三種標尺的主要試驗條件及應(yīng)用實例見表1-3，其中，以HRC應(yīng)用最為廣泛。洛氏硬度試驗操作簡便，迅速，測量硬度值范圍大，壓痕小，可直接測成品和較薄工件。但由于試驗載荷較大，不宜用來測定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度。而且由于壓痕小，對內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，測定結(jié)果波動較大，故需在不同位置測試三點的硬度值取其算術(shù)平均值。洛氏硬度無單位，各標尺之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系。 5

20、．金屬材料的斷裂韌度 （1）低應(yīng)力脆斷的概念 有些高強度材料的機件常常在遠低于屈服點的狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；中、低強度的重型機件、大型結(jié)構(gòu)件也有類似情況，這就是低應(yīng)力脆斷。突然折斷之類的事故，往往都屬于低應(yīng)力脆斷。 研究和試驗表明，低應(yīng)力脆斷總是與材料內(nèi)部的裂紋及裂紋的擴展有關(guān)。因此，裂紋是否易于擴展，就成為衡量材料是否易于斷裂的一個重要指標。 （2）裂紋擴展的基本形式 裂紋擴展可分為張開型（Ⅰ型）、滑開型（Ⅱ型）和撕開型（Ⅲ型）三種基本形式，如圖1-10所示。其中以張開型（Ⅰ型）最危險，最容易引起脆性斷裂。本節(jié)以此為討論對象。 （3）斷裂韌度及其應(yīng)用 圖1-10裂紋擴展基本形式

21、 當(dāng)材料中存在裂紋時，在外力的作用下，裂紋尖端附近某點處的實際應(yīng)力值與施加的應(yīng)力σ（稱為名義應(yīng)力）、裂紋長度a及距裂紋尖端的距離有關(guān)，即施加的應(yīng)力在裂紋尖端附近形成了一個應(yīng)力場。為表述該應(yīng)力場的強度，引入了應(yīng)力場強度因子的概念，即： KI=Yσ 式中 KI—應(yīng)力場強度因子，單位為MPam，I表示為張開性裂紋；σ—名義應(yīng)力 a—裂紋長度 Y—裂紋形狀系數(shù)，無量綱，一般Y=1～2 由公式可見，KI隨σ和a的增大而增大，故應(yīng)力場的應(yīng)力值也隨之增大，造成裂紋自動擴展。 斷裂韌度可為零（構(gòu)）件的安全設(shè)計提供重要的力學(xué)性能指標。斷裂韌度是材料固有的力學(xué)性能指標，是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。它與裂紋

22、的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。常見工程材料的斷裂韌度值KIC參見（教材P14）表1-4。 二、材料的物理、化學(xué)性能 1、物理性能 密度 、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性 、熱膨脹性、磁性。 2、化學(xué)性能 材料的化學(xué)性能是材料抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力，主要包括耐蝕性和熱穩(wěn)定性等。 1-2 材料的工藝性能 工藝性能是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按加工方法的不同，可分為鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性及熱處理工藝性能等。在設(shè)計零件和選擇工藝方法時，都要考慮材料的工藝性能，以便降低成本，獲得質(zhì)量優(yōu)良的零件。 1. 材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方

23、法。 2. 鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復(fù)雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。 流動性：充滿型腔能力 收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征 偏析傾向：材料成分的均勻性 3. 鍛造性：材料進行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。 塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。 塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。 4. 焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。 連接能力：焊接頭部位強度與母材的差別程度。 焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。 5. 切削加工性：材料進行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分

24、、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。 切削抗力 加工表面質(zhì)量 排屑難易程度 切削刀具的使用壽命 6. 熱處理性能：可以實施的熱處理方法和材料在熱處理時性能改變的程度。 第二章 材料的結(jié)構(gòu) 材料的結(jié)合鍵在所有固溶體中，原子是由鍵結(jié)合在一起。這些鍵提供了固體的強度和有關(guān)電和熱的性質(zhì)。例如，強鍵導(dǎo)致高熔點、高彈性系數(shù)、較短的原子間距及較低的熱膨脹系數(shù)。由于原子間的結(jié)合鍵不同，將材料分為金屬、聚合物和陶瓷3類。 材料的成分不同其性能也不同。對同一成分的材料也可通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的方法，改變其性能，這促進了人們對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。組成材料的原子的結(jié)構(gòu)決定了原子的結(jié)合方式，按結(jié)合方式可將

25、固體材料分為金屬、陶瓷和聚合物。根據(jù)其原子排列情況，又可將材料分為晶體與非品體兩大類。本章首先介紹材料的晶體結(jié)構(gòu)。 一、材料的結(jié)合方式 1化學(xué)鍵 組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(原子、分子或離子)間相互作用力叫化學(xué)鍵。由于質(zhì)點相互作用時，其吸引和排斥情況的不同，形成了不同類型的化學(xué)控，主要有共價健、離子鍵和金屬鏈。 2．共價鍵 原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時借共用電子對所產(chǎn)生的力結(jié)合，形成共價鍵。金剛石、單質(zhì)硅、SiC等屬于共價鍵。共價鍵具有方向性，故共價鍵材料是脆性的。具有很好的絕緣性。 3．離子鍵 大部分鹽類、堿類和金屬氧化物在固態(tài)下是不能導(dǎo)電的．熔融時可以導(dǎo)電。這類化合物為離子化合物。

26、當(dāng)兩種電負性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時，其中電負性小的原子失去電子，成為正離子，電負性大的原子獲得電子成為負離子，兩種離子靠靜電引力結(jié)合在一起形成離子鍵。 在Nacl晶體中，離子型晶體中，正、負離子間有很強的電的吸引力，所以有較高熔點，故離子鎂材料是脆性的。故固態(tài)時導(dǎo)電性很差。 4．金屬鍵 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點是外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時，其外層的價電子脫離原子成為自由電子．為整個金屬所共有，它們在整個金屬內(nèi)部運動，形成電子氣。這種由金屬正離子和自由電子之間互相作用而結(jié)合稱為金屬鍵。 金屬鍵無方向性和飽和性，故金屬有良好的延展性，良好的導(dǎo)電性。

27、因此金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，更好的導(dǎo)熱性，金屬不透明，具有金屬光澤。 5．范德瓦爾鍵 許多物質(zhì)其分子具有永久極性 。分子的一部分往往帶正電荷，而另一部分往往帶負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結(jié)合在一起，稱為范德瓦爾鍵也叫分子鍵。 6．工程材料的鍵性 金屬材料的結(jié)合主要是金屬鍵，陶瓷材料的結(jié)合鍵主要是離子鍵與共價鍵。高分子材料的鏈狀分子間的結(jié)合是范德瓦爾鍵，而鏈內(nèi)是共價鍵。 二、晶體學(xué)基礎(chǔ) 1．晶體與非晶體 原子排列可分為三個等級，即無序排列，短程有序和長程有序。 物質(zhì)的質(zhì)點（分子、原子或離子）在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形

28、成的物質(zhì)叫晶體。非晶體在整體上是無序的。 晶體與非晶體中原子排列方式不同，導(dǎo)致性能上出現(xiàn)較大差異。晶體具有一定的熔點，非晶體則沒有。晶體的某些物理性能和力學(xué)性能在不同的方向上具有不同的數(shù)值成為各項異性。 2．空間點陣 便于研究晶體中原于、分子或離子的排列情況，近似地將晶體看成是無錯排的理想晶體，忽略其物質(zhì)性，抽象為規(guī)則排列于空間的無數(shù)幾何點。這些點代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各點的周圍環(huán)境相同。這種點的空間排列稱為空間點陣，簡稱點陣，從點陣中取出一個仍能保持點陣特征的最基本單元叫晶胞。將陣點用一系列平行直線連接起來，構(gòu)成一空間格架叫晶格。 晶胞選

29、取應(yīng)滿足下列條件： (1) 晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性。 (2) 平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。 (3) 當(dāng)棱間呈直角時，直角數(shù)目應(yīng)最多。 (4) 滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。 (5) 晶胞的尺寸和形狀可用點陣參數(shù)來描述，它包括晶胞的各邊長度和各邊之間的夾角。 根據(jù)以上原則，可將晶體劃分為7個晶系。用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點陣只有14種，故這14種空間點陣叫做布拉菲點陣，分屬7個晶系， 空間點陣雖然只可能有14種，但晶體結(jié)構(gòu)則是無限多的。 3．晶向指數(shù)與晶面指數(shù) 常常涉及到晶體中某些原子在空間排列的方向（晶向）；和某些原子構(gòu)成的空間平面(晶面)．為區(qū)分不同的晶向和晶

30、面，需采用一個統(tǒng)一的標號來標定它們，這種標號叫晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。 1．晶向指數(shù)和標定 (1)以晶格中某結(jié)點為原點，取點陣常數(shù)為三坐標軸的單位長度，建立右旋坐標系，定出欲求晶向上任意兩個點的坐標。 (2)“末”點坐標減去“始”點坐標，得到沿該坐標系備軸方向移動的點陣參數(shù)的數(shù)目。 (3)將這三個值化成一組互質(zhì)整數(shù)，加上一個方括號即為所求的晶向指數(shù)[u v w]，如有某一數(shù)為負值，則將負號標注在該數(shù)字上方。 2．晶面指數(shù)的標定 (1)建立如前所述的參考坐標系，但原點應(yīng)位于待定晶 面之外，以避免出現(xiàn)零截距。 (2)找出待定晶面在三軸的截距，如果該晶面與某軸平行，則截距為無窮大。 (3

31、)取截距的倒數(shù)，將其化為一組互質(zhì)的整數(shù)，加圓括號．得到晶面指數(shù)(h k l) 3．晶面族與晶向族 在晶體中有些晶面原子排列情況相同，面間距也相等，只是空間位向不同，屬于同一晶面族用｛h k l｝表示。 晶向族用〈u v w〉表示，代表原子排列相同，空間位向不同的所有晶相。 三、材料的晶體結(jié)構(gòu) 金屬鍵具有無方向性特點，金屬大多趨于緊密，高對稱性的簡單排列。共價鍵與離子鍵材料為適應(yīng)鍵、離子尺寸差別和價引起的種種限制，往往具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 1．典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) 最常見的金屬的晶體結(jié)構(gòu)有體心立方、面心立方和密排立方。 晶胞中原子數(shù) 晶體由大量晶胞堆砌而成，故處于晶胞頂角或周面上的原

32、子就不會為一個晶胞所獨，只有晶胞內(nèi)的原子才為晶胞所獨有。 假設(shè)相同的原子是等徑鋼球，最密排方向上原于彼此相切，兩球心距離之半便是原子半徑。 配位數(shù)與致密度 晶體中原子排列的緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個重要因素。為了定量地表示原子排列的緊密程度，通常應(yīng)用配位數(shù)和致密度這兩個參數(shù)。配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原于最近鄰并且等距離的原子數(shù)。 體心立方對面心立方結(jié)構(gòu)致密度為，的密排六方結(jié)構(gòu)(G／1．633)配位數(shù)也是12，致密度也是0.74。 晶體中原子的堆垛方式 面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致密度卻相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式。 面心立方與密排

33、六方的密排｛111｝與（0001）原子排列情況完全相同，密排六方結(jié)構(gòu)可看成由（0001）面沿[001]方向逐層堆垛而成，即按ABAB……順序堆垛即為密排六方結(jié)構(gòu)。 面心立方結(jié)構(gòu)堆垛方式，它是以(111)面逐層堆垛而成的，即按ABCABC……順序堆垛。原子排列的緊密程度，故兩者都是最緊密排列。 晶體體結(jié)構(gòu)中的間隙 由原子排列的剛球模型可看出球與球之間存在許多間隙，分析間隙的數(shù)量、大小及位置對了解材料的相結(jié)構(gòu)、擴散、相變等問題都是很重要的。面心立方八面體間隙比體心立方中間隙半徑較大的四方體間隙半徑還大，因此面心立方結(jié)構(gòu)的—Fe的溶碳量大大超過體心立方結(jié)構(gòu)的。密排六方的間隙類型與面心立方相同，

34、同類間隙的形狀完全相同，僅位置不同，在原子半徑相同的條件下這兩種結(jié)構(gòu)同類間隙的大小完全相同。 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點:以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆結(jié)構(gòu)。 常見結(jié)構(gòu)： 體心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密堆六方 cph Close-packed hexagonal 1.面心立方 原子位置 立方體的八個頂角和每個側(cè)面中心 在

35、面心立方晶格中密排面為{111}，密排方向為<110> 面心立方中的間隙 將原子假定為剛性球，他們在堆垛排列時必然存在間隙。在面心立方晶格中存在的間隙主要有兩種形式： 八面體間隙： 位置 體心和棱中點 單胞數(shù)量 12/4 + 1 = 4 大小 四面體間隙： 位置 四個最近鄰原子的中心 單胞數(shù)量 8 大小 2.體心立方 原子位置 立方體的八個頂角和體心 在體心立方晶格中密排面為{110}，密排方向為<111> 體心立方中的間隙 八面體間隙： 位置 面心和

36、棱中點 單胞數(shù)量 12/3 + 6/2 = 6 大小 四面體間隙： 側(cè)面中心線1/4和3/4處 8 個 大小 3. 密堆六方 原子位置 12個頂角、上下底心和體內(nèi)3處 在密堆六方晶格中密排面為{0001}，密排方向為<1120> 密堆六方中的間隙 八面體間隙： 位置 體內(nèi) 單胞數(shù)量 6 大小 四面體間隙： 位置 棱和中心線的1/4和3/4處 單胞數(shù)量 12 大小 2-2　合金的晶體結(jié)構(gòu) 純金屬具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性以及金屬光澤，但其強度、硬度都較低，不

37、宜用于制作對力學(xué)性能要求較高的各種機械零件、工具和模具等，也無法滿足人類在生產(chǎn)和生活中對金屬材料多品種、高性能的要求，所以在工業(yè)上大量使用的不是純金屬而是合金。 一、合金的基本概念 合金 是指由兩種或兩種以上金屬元素（或金屬與非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元 是指組成合金的最基本而獨立的物質(zhì)。 一般來說，組元就是組成合金的化學(xué)元素。如黃銅的組元是銅和鋅；青銅的組元是銅和錫。但也可以是穩(wěn)定的化合物，如鐵碳合金中的Fe3C，鎂硅合金中的Mg2Si等。 二元合金 是指由兩個組元組成的合金；由三個組元組成的，則稱為“三元合金”，依次類推。 合金系 組元不變，當(dāng)組元比例發(fā)生變化，

38、可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，這一系列的合金構(gòu)成一個“合金系統(tǒng)”，簡稱合金系。例如各種牌號的非合金鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金系。 相 是指金屬或合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)及原子聚集狀態(tài)相同，并與其它部分有明顯界面分開的均勻組成部分。若合金是由成分、結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成的，則各晶粒雖有界面分開，卻都屬于同一種相，如純鐵在常溫下是由單相α-Fe組成；若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒所構(gòu)成，它們將屬于不同的幾種相，如鐵中加碳后組成鐵碳合金，由于　鐵與碳相互作用，又形成一種化合物Fe3C，因此，在鐵碳合金中就出現(xiàn)了一種新相Fe3C（滲碳體），而形成雙相組織（α-

39、Fe相和Fe3C相）。 組織 是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況，又稱為顯微組織（或金相組織）。合金在固態(tài)下，可以形成均勻的單相組織（如純鐵），也可以形成由兩相或兩相以上組成的多相組織，這種組織稱為兩相或復(fù)相組織（如退火狀態(tài)的45鋼）。 組織和相的關(guān)系 “相”是構(gòu)成組織的最基本的組成部分；但是當(dāng)“相”的大小、形態(tài)與分布不同時會構(gòu)成不同的組織，如前述疑問中的純鐵冷拉前后的變化?！跋唷笔墙M織的基本單元，組織是相的綜合體。組織是材料性能的決定性因素。相同條件下，材料的性能隨其組織的不同而變化，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，控制和改變材

40、料的組織具有相當(dāng)重要的意義。 二、合金的相結(jié)構(gòu) 由于合金的性能取決于它的組織，而合金組織的性能又首先取決于合金中的相的性能。所以為了掌握合金的組織和性能，就必須了解合金的相結(jié)構(gòu)及其性能。 合金的“相結(jié)構(gòu)”，是指合金中相的晶體結(jié)構(gòu)，也就是說“相結(jié)構(gòu)”是相中原子的具體排列規(guī)律。合金可以形成不同的相，其結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜。不同的相原子排列方式（相結(jié)構(gòu)）是不同的。根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中相的結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物兩大類。 1．固溶體 固溶體是指合金中兩組元在固態(tài)下相互溶解而形成的均勻固相。 溶劑是組成固溶體的兩個組元中，能夠保持其原有晶格類型的組元； 溶質(zhì)是失去原有晶

41、格類型的組元。 固溶體的晶格仍然保持溶劑的晶格類型。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置不同，固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。 （1）置換固溶體 是指溶質(zhì)原子占據(jù)了部分溶劑晶格結(jié)點位置而形成的固溶體，如右圖（a）所示。 按溶解度不同，置換固溶體可分為無限固溶體和有限固溶體兩種。 無限固溶體：溶質(zhì)原子與溶劑原子能以任何比例相互溶解所形成的固溶體。例如銅鎳合金，銅原子和鎳原子可按任意比例相互溶解。 （a）置換固溶體 （ b）間隙固溶體格 圖2-17 固溶體 有限固溶體：溶質(zhì)在溶劑中的溶解度是有限的固溶體。如銅鋅合金當(dāng)WZn＞40%時為有限固溶體（組織除了α固溶體外，還有銅

42、與鋅形成的金屬化合物）。 溶解度的大小主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和溫度等。實驗證明，大多數(shù)合金都只能有限固溶，且溶解度隨溫度的降低而減少。 形成無限固溶體的條件：只有各組元的晶格類型相同，原子半徑相差不大等。 （2） 間隙固溶體 間隙固溶體形成的條件：是溶質(zhì)原子半徑與溶劑的原子半徑的比值r溶質(zhì)/r溶劑≤0.59。因此，形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素通常是原子半徑小的非金屬元素，如碳、氮、氫、硼、氧等。 （3） 固溶體的性能 形成固溶體時，雖然保持著溶劑的晶格類型，但由于溶質(zhì)原子的溶入，將會使固溶體的晶格常數(shù)發(fā)生變化而形成晶格畸變，增加了變形抗力，因而導(dǎo)致材料強度、硬度提高。

43、這種通過溶入溶質(zhì)元素，使固溶體強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 對于鋼鐵材料來說，固溶強化是其強化途徑的一種；而對于非鐵金屬材料來說，固溶強化是重要的強化手段。 2．金屬化合物（中間相） 當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，除了形成固溶體外，還將出現(xiàn)新相，若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任意組成元素，新相將是組元元素間相互作用而生成的一種新的物質(zhì)，即為金屬化合物或中間相。根據(jù)形成條件和結(jié)構(gòu)特點，常見的金屬化合物有正常價化合物、電子化合物、間隙化合物三種類型。 彌散強化 金屬化合物的晶格類型和性能不同于組成它的任一組元，一般熔點高，硬而脆，生產(chǎn)中很少直接使用單相金屬化合物的合金。但當(dāng)金屬化合物呈細

44、小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。 第三章 金屬材料的塑性變形與再結(jié)晶 3-1材料的塑性變形 1.彈性變形 普彈性 晶體發(fā)生彈性變形時，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，去掉外力后，應(yīng)變完全消失，晶體恢復(fù)到末變形狀態(tài)。彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變服從虎克定律。 彈性模量是重要的物理和力學(xué)參量，表示使原子離開平衡位置的難易程度，只取決：晶體原子結(jié)合的本性，不依晶粒大小以及組織變化而變．是—種組織不敏感的性質(zhì)。 滯彈性 在彈性范圍內(nèi)加載或去載，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變不是瞬時達到其平衡值，而是通過一種馳豫過程來完成的，即隨時間的延長，逐步趨于平衡值的，

45、在應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生的彈性應(yīng)變叫滯彈性應(yīng)變。 應(yīng)力—應(yīng)變曲線就成—回線，回線所包圍的面積是應(yīng)力循環(huán)一周所消耗的能量，稱為內(nèi)耗。 晶體在外力的作用下發(fā)生形變.當(dāng)外力較小時形變是彈性的,即卸載后形變也隨之消失.這種可恢復(fù)的變形就稱為彈性變形.但是,當(dāng)外加應(yīng)力超過一定值(即屈服極限)時,卸載后變形就不能完全消失,而會留下一定的殘余變形或永久變形.這種不可恢復(fù)的變形就稱為塑性變形.單晶體的塑性變形 工程上應(yīng)用的金屬材料通常是多晶體。 金屬的塑性變形主要通過滑移方式進行，此外還有孿生與扭折。高溫變形時，還會以擴散蠕變與晶界滑動方式進行。 2滑移 滑移現(xiàn)象 滑移帶，若用電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)每

46、條滑移帶均由許多聚集在一起的相互平行的滑移線所組成?；凭€實際上是晶體表面產(chǎn)生的一個個滑移臺階造成的。 在晶體缺陷—章已指出，室溫下晶體塑變的主要方式是滑移．滑移是靠位錯的運動實現(xiàn)的位錯沿滑移面滑移．當(dāng)移動到晶體表面時，便產(chǎn)生了大小等于柏氏矢量的滑移臺階，如果該沿移面上有大量位錯運動到晶體表面，宏觀上，晶體的—部分相對另一部份沿滑移面發(fā)生了相對位移，這便是滑移，滑移矢量與與柏氏矢量平行。 滑移系 滑移時，滑移面應(yīng)是面間距最大的密排面，滑移方向方向是原子的最密排方向，一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。 面心立方金屬的滑移面為｛111｝，共有四組，包含三個滑移方向，因此共有12

47、個滑移系。 密排六方金屬滑移面為（0001），滑移方向為<1120>,每組滑移面包含2個滑移方向，故也有12個滑移系。 密排六方金屬滑移系少，滑移過程中，可能采取空間位向少，故塑性差。 體心立方金屬得移系較多故比密排六方結(jié)構(gòu)金屬塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的數(shù)目也少于面心立方，故體心立方金屬不如面心立方金屬塑性好 滑移的臨界分切應(yīng)力 滑移時的晶體轉(zhuǎn)動 晶體發(fā)生塑性變形時，往往伴隨取向的改變，當(dāng)晶體在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移時．若夾頭不受限制，欲使滑移面的滑移方向保持不變，拉力軸取向必須不斷變化。實際上夾頭固定不動，即拉力軸方向不變，此時晶體必須不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動

48、結(jié)果，使滑移面法線與外力軸夾角增大．使外力與滑移方向夾角變小。 多滑移與交滑移 (1)多滑移 對于有多組滑移系的晶體．當(dāng)其與外力軸取向不同時，處于軟位向的一組滑移系首先開動．這便是單滑移。若兩組或幾組滑移系處在同等有利的位向，在滑移時，各滑移系同時開動，或由于滑移過程中晶體的轉(zhuǎn)動使兩個或多個滑移系交替滑移叫多滑移。 (2)交滑移 交滑移是指兩個或多個滑移面沿同一個滑移方向滑移。 面心立方晶體中，擴展位錯由兩個肖克萊不全位錯和它們所夾的層錯帶構(gòu)成。展位錯只能沿層錯面移動。如果增大應(yīng)力可使擴展位錢集，即使兩個肖克萊不全位錯結(jié)合成一個螺型全位錯便可交滑移至另一滑移面，然后在該滑移面擴展開

49、。熱激活可促進交滑移，故升高溫度有利于交滑移進行。交滑移過程還與擴展位錯的寬度有關(guān)。 2.孿生 孿生是冷塑性變形的另一種重要形式，常作為滑移不易進行時的補充。一些密排六方的金屬如Cd, Zn，Mg等常發(fā)生孿生變形。體心立方及面心立方結(jié)構(gòu)的金屬在形變溫度很低．形變速率極快時，也會通過孿生方式進行塑變。孿生是發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變過程，總是沿晶體的一定晶面(孿晶面)，沿一定方向(孿生方向)發(fā)生，變形后晶體的變形部分與未變形部分以孿晶面為分界面構(gòu)成了鏡面對稱的位向關(guān)系．金相顯微鏡下一般呈帶狀，有時為透鏡狀。 孿生變形特點 孿生與滑移有如下差別：(1)孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只

50、集中在一些滑移面上進行。(2)孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移后晶體各部分位向均未改變(3)與滑移系類似，孿生要素也與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，但同一結(jié)構(gòu)的孿晶面、孿生方向與滑移面，滑移方向可以不同。 孿生對塑變的直接貢獻比滑移小很多。 3.晶體的扭折 沿六方金屬C軸壓縮時，當(dāng)外力超過某一臨界值時晶體會產(chǎn)生局部彎曲，這種形式的變形叫扭折，扭沂是晶體彎曲變形或滑移在某些部位受阻，位錯在那里堆積而成的。壓縮時產(chǎn)生的理想對稱扭折帶是由好幾個楔形區(qū)域組成。 4.多晶體的塑性變形 實際使用的絕大多數(shù)金屬材料都是多晶體。多晶體塑變與單晶體塑變即有相同之處，又有不同之處。相同之處是變形方式也以滑移，

51、孿生為基本方式。不同之處是變形受到晶界阻礙與位向不同的晶粒的影響使變形更為復(fù)雜。 多晶體塑性變形過程 多晶體由位向不同的許多小晶粒組成，在外加應(yīng)力作用下，只有處在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先開動。周圍位向不利的晶粒的各滑移系上的分切應(yīng)力尚未達到臨界值，所以還沒發(fā)生塑變，處在彈性變形狀態(tài)。當(dāng)有晶粒塑變時，就意味著其滑移面上的位錯源將不斷產(chǎn)生位錯，大量位錯將沿滑移面源源不斷運動，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，運動著的位錯不能越過晶界． 晶粒大小對塑性變形的影響 由以上分析可知，晶粒越細，單仿體積所包含的晶界越多．其強化效果越好。這種用細化晶粒提高金屬強度

52、的方法叫細晶強化。 多晶體應(yīng)力—應(yīng)變曲線 多晶體應(yīng)力—應(yīng)變曲線如，它不具有典型單晶體的第1階段——易滑移階段。這是因為晶粒方位不同．各晶粒變形需互相協(xié)調(diào)，至少有5個獨立滑移系開動，一開始便是多滑移，故無易滑移階段。此外由于晶界的強化作用和多滑移過程中位錯的相互干擾，使多晶體應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率即加工硬化率明顯高于單晶。 4.塑性變形對金屬組織與性能的影響 形變織構(gòu) 金屬冷塑性變形時，晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動，使金屬晶體中原為任意取向的各晶粒逐漸調(diào)整到取向彼此趨于一致，這就形成了晶體的擇優(yōu)取向，我們稱它為形交織構(gòu)。 殘余應(yīng)力 宏觀殘余應(yīng)力又稱第一類內(nèi)應(yīng)力，是物體各部分不均勻變形所引起，在整個物

53、體范圍內(nèi)處于平衡。 微觀內(nèi)應(yīng)力也叫第二類內(nèi)應(yīng)力，由晶粒或亞晶變形不均勻引起．在晶?；騺喎秶鷥?nèi)互相平衡。 點陣畸變也叫第三類內(nèi)應(yīng)力，約占儲存能的90％。由形變金屬內(nèi)部產(chǎn)生的大量位錯等晶體缺陷引起，其作用范圍僅為幾十至幾百個nm。 5.金屬及合金強化的位錯解釋 Cottrell氣團 晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點陣畸為，形成了應(yīng)力場。若晶體中同時存在位錯，則位錯的應(yīng)力場與溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯周圍；形成比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯周圍的聚集叫柯氏氣團。 位錯交割和帶割階位錯的運動 固定位錯 有些位錯本身不能沿滑移面滑動，稱為固定位錯。 3-2 回復(fù)與再結(jié)晶 一、

54、形變金屬及合金在退火過程中的變化 1.顯微組織的變化 將冷塑性變形的金屬材料加熱到0.5T熔溫度附近，進行保溫，隨時間的延長。第一階段顯微組織無變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀，稱為回復(fù)階段。第二階段完全變成新的等軸晶粒，稱為再結(jié)晶階段。第三階段稱為晶粒長大階段。 2.儲存能釋放與性能變化 冷塑變時，外力所作的功尚有一小部分儲存在形變金屬內(nèi)部，這部分能量叫儲存能。7．2回復(fù) 3.回復(fù)機理 低溫回復(fù)主要涉及點缺陷的運動。空位或間隙原子移動到晶界或位錯處消失，空位與間隙原子的相遇復(fù)合，空位集結(jié)形成空位對或空位片，使點缺陷密度大大下降。 中溫回復(fù)時．隨溫度升高．原子活動能力增強，位錯可以

55、在滑移面上猾移或交滑移，使異號位錯相通相消，位錯密度下降，位錯纏結(jié)內(nèi)部重新排列組合，使亞晶規(guī)整化。 高溫回復(fù)，原子活動能力進一步增強，位錯除滑移外，還可攀移。主要機制是多邊化。 冷變形使平行的同號位錯在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯雜亂分布 高溫回復(fù)過程中，這些刃位錯便通過攀移和滑移，由原來能量較高的水平塞積。 4.回復(fù)動力學(xué) 圖7—5為經(jīng)拉伸變形的純鐵在不同溫度下加熱時，屈服強度的回復(fù)動力學(xué)曲線。（L—R)為剩余加工硬化分數(shù)，t為退火時間。 二、再結(jié)晶 冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在變形基體中，重新生成無畸變的新晶粒的過程叫再結(jié)晶。再結(jié)晶包括生核與長大兩個基本過

56、程， 1.再結(jié)晶的形核 （1）小變形量的弓出形核機制 （2）亞晶合并機制 （3）亞晶蠶食機制 2.再結(jié)晶動力學(xué) 對恒溫再結(jié)晶動力學(xué)人們作過大量研究。圖7—10為純銅經(jīng)98％冷軋，在不同溫度下 等溫再結(jié)晶．已經(jīng)再結(jié)晶的體積分數(shù)xv與等溫時間t的關(guān)系曲線。具有典型的形核，長大過程的動力學(xué)特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快。等溫的每個溫度下，再結(jié)晶速度開始很小，隨xv的增加而逐漸增大，并在大約50％處達到最大，然后又逐漸減小。 3.影響再結(jié)晶的因素 影響再結(jié)晶的因素主要有以下幾個方面： 溫度 熱溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度V再越快，完成再結(jié)晶所需的時間也越短。 變形程度

57、 金屬的變形度越大儲存能也越多，再結(jié)晶驅(qū)動力也越大，因此再結(jié)晶速度也越低。工業(yè) 微量溶質(zhì)原子 不利于再結(jié)晶的形核與長大，阻礙再結(jié)晶，使再結(jié)晶溫度升高。 原始晶粒尺寸 晶粒越細，變形抗力越大，冷變形后儲存能越多，再結(jié)晶溫度越低。 分散相粒子 分散相粒子直徑較大，粒子間距較大的情況下，再結(jié)晶被促進：而小的粒子尺寸和小的粒子間距，再結(jié)晶被阻礙。 4.再結(jié)晶后晶粒大小 變形度的影響 變形量很小時，儲存能少，不足以發(fā)生再結(jié)晶，故退火后晶粒尺寸不變：能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通常在2％—8％范圍內(nèi)，此時驅(qū)動力小，形核率低，最終能長大的晶粒個數(shù)少，再結(jié)晶退火后晶粒特別粗大，稱為“臨界變形度

58、”；超過臨界變形度隨變形度增加，儲存能增加．從而使再結(jié)晶驅(qū)動力增加，導(dǎo)致生核率N與長大率G同時增加，但由于N增加速率大于G，同時增加．但由于N增加速率大于G，故再結(jié)晶后的晶粒得到細化。對于有些合金，當(dāng)變形量相當(dāng)大時再結(jié)晶晶粒義會更新粗化，這是晶粒異常長大造成的。 退火溫度的影響 提高退火溫度，不僅使再結(jié)晶的晶粒長大，而且使臨界變形度變小，臨界變形度越小，再結(jié)晶后的晶粒也越粗大。 三、晶粒長大 冷變形金屬在完成再結(jié)晶后，繼續(xù)加熱時，會發(fā)生晶粒長大。晶粒長大又可分為正常長大和異常長大（二次再結(jié)晶）。 1.晶粒的正常長大 再結(jié)晶剛剛完成，得到細小的無畸變等軸晶粒，當(dāng)升高溫度或延長保溫時間

59、，晶粒仍可繼續(xù)長大，若均勻地連續(xù)生長叫正常長大。 晶粒長大的驅(qū)動力 晶粒長大的驅(qū)動力，從整體上看，是晶粒長大前后總的界面能差。 從個別晶粒長大的微觀過程來說，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。 晶粒的穩(wěn)定形貌 實際的二維晶粒如圖7—20所示，較大的晶粒往往是六邊以上。 影響晶粒長大的因素 (1)溫度溫度越高晶粒長大速度越快。一定溫度下，晶粒長到極限尺寸后就不再長大，但提高溫度后晶粒將繼續(xù)長大。 (2)雜質(zhì)與合金元素雜質(zhì)及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運動。 (3)第二相質(zhì)點彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動，可使晶粒長大受到抑制。 相鄰晶粒的位向差 晶界的界面能

60、與相鄰晶粒的位向差有關(guān)，小角度晶界界面能低，故界面移動的驅(qū)動力 小，晶界移動速度低，界面能高的大角度晶界可動性高。 2.晶粒的異常長大 異常晶粒長大又稱不連續(xù)晶粒長大或二次再結(jié)晶，是—種特殊的晶粒長大現(xiàn)象。 發(fā)生異常長大的條件是，正常晶粒長大過程被分散相粒子，織構(gòu)或表面熱蝕溝等強烈阻礙，能夠長大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長大速度也會越來越快，最后形成晶粒大小極不均勻的組織。 二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強度與塑性。因此在制定冷變形材料再結(jié)晶退火工藝時．應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)晶。

61、四、金屬的熱變形 熱變形或熱加工指金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的加工變形。工業(yè)生產(chǎn)個，高溫進行的鍛造，軋制等壓力加工屬熱加工。熱加工過程中，在金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程。 1．動態(tài)回復(fù) 動態(tài)回復(fù)主要發(fā)生在曾錯能高的金屬材料的熱變形過程中，動態(tài)回復(fù)是其主要或唯一的軟化機制。 2．動態(tài)再結(jié)晶 具有動態(tài)再結(jié)晶的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖7-24 隨變形量增加位錯密度不斷增高，使動態(tài)再結(jié)晶加快，軟化作用逐漸增強，當(dāng)軟化作用開始大于加工硬化作用時．曲線開始下降。當(dāng)變形造成的硬化與再結(jié)晶造成的軟化達到動態(tài)平衡時，曲線進入穩(wěn)定階段。在低應(yīng)變速率下，與其對應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線

62、呈波浪形變化，這是由于低的應(yīng)變速率或較高的變形溫度下，位錯密度增加速率小，動態(tài)再結(jié)晶后，必須進一步加工硬化，才能再一次進行再結(jié)晶的形核。 因此這種情況下，動態(tài)再結(jié)品與加工硬化交替進行：使曲線呈波浪式。層錯能偏低的材料如銅及其合金，奧氏體鋼等易出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶。故動態(tài)再結(jié)晶是低錯能金屬材料熱交形的主要軟化機制。 3．熱加工后的組織及性能 金屬高溫塑性好，變形抗力低．可進行大量的塑變，使鑄錠中的組織缺陷明顯改善。如使氣泡焊合提高了材料的致密度和機械性能，改善了組織。 熱加工過程中，某些枝晶偏析，晶界雜質(zhì)偏聚．夾雜物或第二相粒子將隨變形的進行, 沿加工變形方向分布，在浸蝕的宏觀磨面上，可看到

63、沿變形方向分布的．形態(tài)呈纖維狀的“流線”。 第四章 材料的凝固與相圖 4-1 金屬的凝固 金屬材料的生產(chǎn)一般都是要經(jīng)過由液態(tài)到固態(tài)的凝固過程，如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。由于固態(tài)金屬大都是晶體，所以金屬凝固的過程通常也稱為結(jié)晶過程，金屬結(jié)晶后獲得的原始組織稱為鑄態(tài)組織，它對金屬的工藝性能及使用性能有直接影響。因此，了解金屬從液態(tài)結(jié)晶為固體的基本規(guī)律是十分必要的。 1、金屬結(jié)晶的基本規(guī)律 （1）冷卻曲線與過冷度 純金屬都有一個固定的熔點（或稱結(jié)晶溫度），因此純金屬的結(jié)晶過程總是在一個恒定的溫度下進行的。 純金屬的結(jié)晶過程可用熱分析等實驗測繪

64、的冷卻曲線來描述。 由冷卻曲線1可知，金屬液緩慢冷卻時，隨著熱量向外散失，溫度不斷下降，當(dāng)溫度降到T0時，開始結(jié)晶。由于結(jié)晶時放出的結(jié)晶潛熱補償了其冷卻時向外散失的熱量，故結(jié)晶過程中溫度不變，即冷卻曲線上出現(xiàn)了水平線段，水平線段所對應(yīng)的溫度稱為理論結(jié)晶溫度（T0）。在理論結(jié)晶溫度T0時，液體金屬與其晶體處于平衡狀態(tài)，這時液體中的原子結(jié)晶為晶體的速度與晶體上的原子溶入液體中的速度相等。結(jié)晶結(jié)束后，固態(tài)金屬的溫度繼續(xù)下降，直到室溫。 在宏觀上看，這時既不結(jié)晶也不溶化，晶體與液體處于平衡狀態(tài)，只有溫度低于理論結(jié)晶溫度T0的某一溫度時，才能有效地進行結(jié)晶。 在實際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶的冷卻速度都很快

65、。因此，金屬液的實際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0。如圖2-12曲線2所示。金屬結(jié)晶時的這種現(xiàn)象稱為過冷，兩者溫度之差稱為過冷度，以ΔT表示，即ΔT= T0－T1。 實際上金屬總是在過冷的情況下結(jié)晶的，但同一金屬結(jié)晶時的過冷度并不是一個恒定值，而與其冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度等因素有關(guān)。冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實際結(jié)晶溫度就越低。 圖2-12純金屬冷卻曲線 過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。 （2）結(jié)晶的一般過程 純金屬的結(jié)晶過程是晶核形成和核長大的過程。如下圖示。金屬液在達到結(jié)晶溫度時，首先形成一些極細小的微晶體（即晶核）。隨著時間的推移，液體中的原子不斷向晶核聚集，使晶核

66、長大；與此同時液體中會不斷有新的晶核形成并長大，直到每個晶粒長大到相互接觸，液體消失為止，得到了多晶體的金屬結(jié)構(gòu)。 圖2-13 結(jié)晶過程示意圖 晶核的生成有兩種方式：一種自發(fā)晶核，另一種非自發(fā)晶核。 1.自發(fā)晶核：在一定過冷條件下，僅僅依靠本身的原子有規(guī)則排列而形成晶核。自發(fā)形核的條件：過冷度的增大。 均勻形核的能量變化 “結(jié)構(gòu)起伏”的尺寸，大小與溫度有關(guān)，溫度越低，“結(jié)構(gòu)起伏”尺寸越大，當(dāng)溫度降到熔點以下時，這種晶坯 的尺寸較大，其中的原子組成了晶態(tài)的規(guī)則排列，而其外層原子卻與液體金屬中不規(guī)則排列的原子相接觸而構(gòu)成界面。因此，當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶坯時，一方面由于在這個區(qū)域中原子由液態(tài)的聚集狀態(tài) 假定晶胚為球形，半徑為r，當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)一個晶胚時，總的自由能變化： 液、固兩相單位體積自由能差絕對值，由于過冷到熔點以下時，自由能為負值 當(dāng)r=r*時，臨界晶核形成的自由能增高等于其表面能