工程材料_第2章材料结构与变形

第二章材料结构与变形材料的性能与其组成元素、内部结构密切相关。2.1金属结构与结晶固态的物质按其原子的聚集状态可以分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子按一定的几何规律作周期性地排列，称为有序排列。晶体有固定的熔点和凝固点，晶体的性能呈各向异性。金属材料绝大多数是晶体。2.1.1金属常见晶体结构大多数金属都属于下述三种晶格类型。(1)体心立方晶格属于体心立方晶格的金属有-Fe(912℃以下的纯铁)Cr,W,V等二十余种。体心立方BodyCenteredCubicBCC属于体心立方晶格的金属有-Fe(912℃以下的纯铁)Cr,W,V等二十余种。(2)面心立方晶格FaceCenteredCubicFCC属于面心立方晶格的金属有γ-Fe(912℃～1390℃之间的纯铁)Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等二十余种。(3)密排六方晶格Hexagonal-close-packedHCP属于密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Ti、Cd、等近三十种。不同类型晶格的金属具有不同的性能。如塑性：面心立方晶格最好，密排六方晶格最差，体心立方晶格介于二者中间。单晶体singlecrystal同一晶体中晶格类型与空间位向排列完全一致的称为单晶体。单晶体各向异性。单晶体同一晶体中晶格类型与空间位向排列完全一致的称为单晶体。在单晶体中，由于存在着晶面或晶格上原子密度的不同，因而其各方向的物理、化学、力学性能也不相同。这种单晶体因方向不同而引起性能差异的现象称为各向异性。多晶体实际使用的金属材料大多都是由许多晶格位向不同的小晶体构成的，称为多晶体。每一个小晶体称为一个晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。多晶体金属虽然每个晶粒都是各向异性的，但由于各个晶粒的位向不同，故各个晶粒的各向异性现象互相抵消，多晶体金属显示各向同性(又称伪各向同性)。图2-3多体结构图2-3多晶体2.1.2金属的晶体缺陷及其对性能的影响在金属的实际晶体结构中，由于多种因素的影响而存在各种缺陷。这些缺陷会使金属的物理、化学、力学性能产生变化，其中最重要的是造成金属的强化。1.点缺陷最常见的点缺陷是晶格空位、间隙原子、置换原子。间隙原子的存在会产生膨胀型晶格畸变。置换原子是异类原子替代了正常晶格上的原子，也会引起晶格的畸形变化。扭曲畸变会引起金属晶体性能的变化，一般来讲，会对金属原子的相对移动，金属的塑性变形起阻碍作用，从而引起金属的强度硬度提高。2.线缺陷线缺陷是指在两个方向上尺寸很小，在另一方向上尺寸较大的缺陷。也就是指各种类型的位错。在晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排现象称为位错。3.面缺陷最常见的面缺陷为晶界与亚晶界。晶界实际上是位向不同的晶粒之间的过渡层，晶界处原子排列不规则，晶格处于畸变状态。2.1.3金属的结晶与同素异构转变1．金属的结晶及过冷现象在时间-温度坐标图中，画出金属冷却过程的曲线，称为冷却曲线。图2-7纯金属的冷却曲线T0Tn温度时间由冷却曲线可知，液态金属随时间的增长温度不断下降，当降至某一温度时出现了一个平台，这个温度是金属的实际结晶温度Tn。因为在该温度时，金属液已开始结晶，结晶时放出的结晶潜热与冷却时向外界散失的热量相平衡，所以温度保持不变。结晶完毕后温度仍随时间的增长不断下降。每种纯金属都有一定的平衡结晶温度(或理论结晶温度)T0。实际金属凝固时只有冷却到低于T0的某一温度Tn时，结晶过程才能有效地进行。这种实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象叫过冷现象。过冷是结晶的必要条件。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。即△T=To-Tn。实际结晶温度和过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大。纯金属的结晶是一个恒温过程，但对于大多数合金来说，它们的结晶过程却是一个温度区间。图2-7纯金属的冷却曲线T0Tn温度时间纯金属合金2．金属的结晶过程金属的结晶过程由晶核形成和长大两个基本过程组成。液态金属中总是存在着许多类似于晶体原子有规则排列的小集团，当温度降至理论结晶温度以下时，大于一定尺寸的原子团才会稳定下来，首先在液态金属中形成一些极小的晶体作为结晶核心，称为晶核。晶核形成后即不断吸附周围液体中原子。使它们按一定的排列规律附着在这些晶核上。与此同时，在液态金属中又不断产生新的晶核，新晶核又不断长大。直到液态金属全部消失为止。每个晶核长大后即成为一个晶粒，同时相邻晶粒之间自然形成了晶界。图2-8结晶过程示意图晶核长大初期的外形是比较规则的，但当晶体棱角形成后，因棱角处的散热条件优于其他部位，故得到优先生长。生长方式象树枝一样，先长出枝干(或称一次晶轴)，然后再长出分枝(或称二次晶轴)。依此类推，直至最后把所有晶轴间隙填满，图2-9枝晶长大方式示意图3．晶粒度及其控制晶粒度即是晶粒大小的等级，常用单位体积内晶粒数目表示。晶粒的大小对金属材料的性能有着重要影响。一般情况下，晶粒越细小，其强度越高、塑性及韧性越好。细化晶粒的主要方法(1)增大冷速：快速冷却时形核率N与晶核长大速度G都增大，但形核率N的增长更快。因此可以得到更细的晶粒。金属型铸造的冷却速度比砂型铸造快，所以得到的铸件晶粒更细。(2)变质处理：增加人工晶核。(3)振动搅拌：打碎枝晶，增加晶核数量。定向结晶、单晶叶片4．金属的同素异构转变多数金属结晶后，晶格类型不再发生变化。但有少数金属如铁、钴、钛、锡等，在结晶完成后继续冷却的过程中还会发生晶体结构的转变。这种金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变称为同素异构转变。400600800磁性转变(770℃)-Fe-Fe-Fe912℃1538℃1394℃时间2001000120014001600温度℃400600800磁性转变(770℃)-Fe-Fe-Fe912℃1538℃1394℃时间400600800磁性转变(770℃)-Fe-Fe-Fe912℃1538℃1394℃时间2001000120014001600温度℃2001000120014001600温度℃2.1.4合金的结构合金是指两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结等方法制成的具有金属特性的物质。由于合金在强度、硬度等力学性能方面比纯金属高得多，所以工业中使用的金属材料几乎全部是合金。组成合金的独立物质称为组元。根据合金的组元数，合金分为二元合金、三元合金等。相同的组元所组成的一系列合金称一个合金系。“组织”与“相”合金中具有相同化学成分、相同的晶体结构，并有明显界面分开的均匀部分称为“相”。相的区别并非只限于物质的状态，在固态下由于晶体结构不同也会同时存在几个相。相与相之间的转变称为“相变”。“组织”是指用肉眼或光学显微镜观查到的内部构造的图象，如金属的晶粒。合金中的相按其结构特点可分为固溶体和金属化合物两大类。1.固溶体合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。固溶体的特征是：溶剂为含量较多的基体金属，晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素，晶格类型消失。例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶体(称铁素体)具有-Fe原来的体心立方晶格，而碳失去原来的密排六方结构，以单个原子溶入-Fe的晶格，-Fe是溶剂，碳是溶质。(1)置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部分位置而形成的固溶体称为置换固溶体，如图2-12(a)所示。多数固溶体为置换固溶体，如黄铜中的α相就是锌原子置换铜晶格上的原子而形成的固溶体。由于溶质原子在溶剂中的溶解度不同，置换固溶体中有些是无限固溶体，如铜镍合金；有些是有限固溶体，如铜、钼、铝、钨等，只能与铁形成有限固溶体。溶剂溶质(b)溶质(a)溶剂(2)间隙固溶体溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体称间隙固溶体，如图2-12(b)所示。钢中的铁素体就是碳在ａ-Fe中形成的间隙固溶体。间隙固溶体只能是有限固溶体。溶剂溶质(b)溶质(a)溶剂固溶强化因溶质原子的溶入而导致固溶体原子间作用力发生变化，使晶格发生畸变，增加了位错移动的阻力，提高了合金的强度和硬度。这种通过溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称为固溶强化。原子尺寸相差越大，畸变就越严重。2.金属化合物合金中各组元按一定方式形成的一种新晶体称为金属化合物。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂晶格，如碳钢中的渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的金属化合物，其晶格类型既不同于铁，也不同于碳的复杂结构。铁原子碳原子铁原子碳原子弥散强化复杂的结构使金属化合物具有较高的熔点，很高的硬度与脆性。合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性降低。由于金属化合物硬而脆，通常不能作为合金的基体材料，而是以弥散状态(细粒状、细点状)分布于合金基体上作为强化相。弥散度越高，金属强度、硬度越高。这种以弥散粒子作为第二强化相使金属强度、硬度提高的现象称为弥散强化。2.2金属变形和强化2.2.1金属的塑性变形及其对金属组织性能的影响金属在外力作用下产生变形，当外力去除后不能恢复的永久性变形称为塑性变形。塑性变形不仅使金属获得所需的形状和尺寸，而且能改变金属的组织和性能。金属的结合键是金属键金属键决定金属的特性：导电、导热、良好的塑性+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++相邻金属原子间的相互作用力处于平衡位置的金属原子引力斥力距离1.单晶体的塑性变形1.单晶体的塑性变形当受力较小时，晶体内原子间距发生微小变化，原子稍偏离平衡位置处于不稳定状态，当外力去除后原子则返回平衡位置，晶体变形随之消失，这就是弹性变形阶段；当外力进一步增加达到一定程度，原子就沿着某些晶面滑移，达到新的平衡位置，这时外力去除后，原子不再恢复到原来的位置，晶体产生了永久性的塑性变形。在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分产生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。经过计算，滑移面上的原子同时滑移时所需的剪切力是很大的，约为E/10。对于钢铁：E=214000MPa。屈服强度应为21400MPa，而实际钢铁的强度为300~1700MPa。塑性变形的产生并不是沿着整个滑移面同时进行的简单的刚性滑移造成的，而是由位错在滑移面上的运动来实现的。1’3’4’5’6’6543212’566’5’44’3211’2’3’1234566’5’4’3’2’1’1234561’2’3’4’5’6’金属中的位错位错在晶体中的移动会使金属塑性变形容易进行。106-108位错密度强度加工硬化1010-1011理论强度：E/10金属的强化一般金属产生塑性变形后在变形较大的地方产生裂纹，随着裂纹的扩大最终产生断裂。因此，要想避免金属断裂就要防止金属产生塑性变形。提高金属强度，防止塑性变形和断裂的方法叫作金属的强化。金属的强化方法金属的强化主要是通过各种方法阻止位错移动，从而提高金属的强度。怎样阻止位错移动呢？使滑移面崎岖不平：使晶格变形、扭曲，增加晶界。缠住位错：增加位错密度、形成大量杂质颗粒或第二相。点缺陷造成金属晶格畸变，使金属强化。（合金化）点缺陷使晶格变形点缺陷是指三维空间中，三个方向上尺寸都很小的缺陷。间隙原子空位置换原子2.多晶体的塑性变形晶界处的原子排列比较紊乱，杂质和缺陷较多。当滑移变形时，位错移动到晶界附近便会受到阻碍，增大了滑移阻力。金属的晶粒越细，晶界的总面积就越大，变形抗力就越大。金属的晶粒越细，发生滑移的晶粒数目就越多，随着晶粒之间的滑移和转动，处于不同位向的晶粒才能先后进行滑移。金属的塑性变形分布越均匀，使金属的塑性提高。晶界强化位错与强化当位错密度增加到一定程度时，相互纠缠，使位错移动困难使金属的强度提高。增加位错的方法是通过塑性变形。这种方法又叫做加工硬化。106-108位错密度强度加工硬化1010-1011理论强度：E/103.塑性变形对金属组织和性能的影响1.金属组织的改变在常温下金属塑性变形后，内部