金属塑性成形的物理基础

1第二章金属塑性变形的物理基础主要内容金属冷态下的塑性变形金属热态下的塑性变形金属的超塑性变形金属在塑性加工过程中的塑性行为本章穿插了一些补充知识2金属塑性成形原理第二章金属塑性变形的物理基础第一节金属冷态下的塑性变形基本知识(补充知识)金属的晶体结构•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。C603对于晶体,大家并不生疏。人们吃的食盐；冬天河里冻的冰,都是晶体。雾凇4晶体：是指原子（或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。一、晶体概念•金属在固态一般均属于晶体。5非晶体：是指原子（或离子）呈无序排列的物体。例如普通玻璃、松香、树脂等。678晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。晶体与非晶体的根本区别不是在外形．9晶格：用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子，称为“晶格”10晶胞：构成晶格的最小的基本的几何单元称为“晶胞”。即：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。11晶格常数：晶胞的棱边长称为晶格常数。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，单位mA10101A各棱间的夹角用、、表示。12•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。13晶面：晶格中各种方位的原子面。晶向：晶格中由原子（结点）所组成的任一直线，都能代表晶体空间的一个方向，这种方向称为晶向。晶向晶面14晶面指数和晶向指数153、立方晶系晶面、晶向表示方法其确定步骤为16•①确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。•②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。17•例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）•例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（320）•例三.画出（112）晶面取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距18•⑵晶向指数•表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：19•①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。•②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。20•例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。•将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]21•⑶晶面族与晶向族•(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。•指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和uvw表示。22立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、23{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY24立方晶系常见的晶向为：]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、25111[111][111][111][111]XZY26说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]271．晶面指数的确定方法1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、y轴、Z轴)，坐标原点可以选在结点上，但不便选在待标定的晶面上。2)以晶胞的棱长a、b、c为相应坐标轴的度量单位。测量出待标定晶面对坐标轴的截距。例如：某晶面的截距分别为∞、2、-1。3)取各截距的倒数，并按比例化为最小整数。上述的截距倒数是1／∞、1／2、-1／l，化为最小整数为0、1、-2。284)将这三个最小整数依次写在圆括号内，数之间不用标点隔开，负号改写在相应数字的顶部。即(01)。(01)就是这个待定晶面的晶面指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。2229(100)(001)(110)MillerIndices(hk):1111(210)12zinterceptatabcxyxinterceptata/2yinterceptatbUnitcellz(a)Identificationofaplaneinacrystal(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)VariousplanesinthecubiclatticeFig.1.40:LabellingofcrystalplanesandtypicalexamplesinthecubiclatticeFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)(100)(001)(110)MillerIndices(hk):1111(210)12zinterceptatabcxyxinterceptata/2yinterceptatbUnitcellz(a)Identificationofaplaneinacrystal(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)VariousplanesinthecubiclatticeFig.1.40:LabellingofcrystalplanesandtypicalexamplesinthecubiclatticeFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)(100)(001)(110)MillerIndices(hk):1111(210)12zinterceptatabcxyxinterceptata/2yinterceptatbUnitcellz(a)Identificationofaplaneinacrystal(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)VariousplanesinthecubiclatticeFig.1.40:LabellingofcrystalplanesandtypicalexamplesinthecubiclatticeFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)例如，求图中阴影面的晶面指数某晶面的截距分别为1、1、1。晶面指数（111）30例如，求图中阴影面的晶面指数312．晶向指数的确定方法．1)以晶胞的棱边作为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)，原点选在待定晶向的直线上。2)以棱长a、b、c分别为相应坐标轴的度量单位，求出待定晶向上某点(任选)的三维坐标值。如：-2、2、0。323)将坐标值按比例化为最小整数，并依次写在方括号内，数间不用标点隔开，负号改写到数的顶部。则上例为[l0]。[l0]就是这个待定晶向的晶向指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶向。1133对于立方晶系常用晶面是(100)、(110)、(111)，见图2—5。常用晶向是[100]、[110]、[111]，见图2—6。34例如，求图中MN的晶向指数353．晶面族与晶向族凡是晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的，具有相同的原子密度和性质。这些晶面被称之为一个晶面族。如(110)、(101)、(011)、(10)、(10)、(01)六个独立的晶面就组成了一个晶面族。其晶面族指数记为{110}。同样道理，原于排列密度完全相同的晶向也可组成一个晶向族。如：[111]、[11]、[11]、[11]四个晶向组成一个晶向族。这个晶向族指数记为111。11111136注：晶面指数、晶向指数请同学们查阅相关书籍自学另外，在立方晶系中，凡是晶面指数与晶向指数相同的晶面与晶向都保持着垂直关系。例如：(111)[111]、(110)[110]、(100)[100][111](111)37{100}晶面族{111}晶面族{110}晶面族38(100)(001)(110)MillerIndices(hk):1111(210)12zinterceptatabcxyxinterceptata/2yinterceptatbUnitcellz(a)Identificationofaplaneinacrystal(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)VariousplanesinthecubiclatticeFig.1.40:LabellingofcrystalplanesandtypicalexamplesinthecubiclatticeFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)如果晶面指数相同实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。39(100)(001)(110)MillerIndices(hk):1111(210)12zinterceptatabcxyxinterceptata/2yinterceptatbUnitcellz(a)Identificationofaplaneinacrystal(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)VariousplanesinthecubiclatticeFig.1.40:LabellingofcrystalplanesandtypicalexamplesinthecubiclatticeFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)单晶体结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”。单晶体的“各向异性”。在晶体中，由于各晶体和各晶向上的的原子排列密度不同，因而在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同，这种现象称为“各向异性”。单晶体的“各向异性”41一、三种典型的晶胞结构面心立方结构体心立方结构密排六方结构42金属塑性成形原理第二章金属塑性变形的物理基础（一）面心立方：（14个原子）每个角及每个面中心各一个434445一个晶胞中的实际原子数：4621818基本概念晶体:原子按一定的几何规律在空间作周期性排列晶格:用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子空间点阵：在空间由点排列起来的无限