1、1第第2 2章章 工程材料的結構工程材料的結構 2材料的結構材料的結構表明材料的組元及其排列和運動方式。表明材料的組元及其排列和運動方式。對材料內部結構水平的認識：對材料內部結構水平的認識：宏觀、微觀宏觀、微觀。3what? “組織結構組織結構”4相：相：凡是化學成分相同、晶體結構相同并有界面與凡是化學成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。元素不一定單一。其它部分分開的均勻組成部分。元素不一定單一。廣義的講廣義的講組織結構包括了組織結構包括了成分、相、組織、結構成分、相、組織、結構等概念。等概念。組織：組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌，用肉眼或顯微鏡觀察到的材料

2、的微觀形貌，它可以是單相的，也可以是由一定數量、形態、大它可以是單相的，也可以是由一定數量、形態、大小和分布方式的多種相組成。小和分布方式的多種相組成。52.1 金屬的晶體結構和組織金屬的晶體結構和組織2.2 合金的晶體結構和組織合金的晶體結構和組織2.3 塑性變形和回復、再結晶塑性變形和回復、再結晶對金屬材料組織、性能的影響對金屬材料組織、性能的影響62.1 金屬的晶體結構和組織金屬的晶體結構和組織一、理想晶體一、理想晶體 1晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規則、：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規則、 周期性排列。周期性排列。非晶體非晶體：材料的

3、原子（離子、分子）無規則堆積，和液：材料的原子（離子、分子）無規則堆積，和液 體相似，亦稱為體相似，亦稱為“過冷液體過冷液體”或或“無定形體無定形體”。(a)、是否具有周期性、對稱性；、是否具有周期性、對稱性；(b)、是否長程有序；、是否長程有序；(c)、是否有確定的熔點；、是否有確定的熔點；(d)、是否各向異性。、是否各向異性。區區 別別72晶體結構的描述晶體結構的描述 a.理想晶體理想晶體實際晶體的理想化實際晶體的理想化p 三維空間無限延續，三維空間無限延續，無邊界無邊界；p 嚴格按周期性規劃排列，是嚴格按周期性規劃排列，是完整的、無缺陷完整的、無缺陷；p 原子在其平衡位置原子在其平衡位置

4、靜止不動靜止不動。 b. 理想晶體的晶體學抽象理想晶體的晶體學抽象（見下圖見下圖） 空間規則排列的空間規則排列的原子原子剛球剛球模型模型晶格晶格（剛球抽（剛球抽象為象為晶格晶格結點，構成結點，構成空間格架空間格架）晶胞晶胞（具有周期性（具有周期性最小組成單元）最小組成單元）晶體結構描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。晶體結構描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。8理想晶體的晶體學抽象示意理想晶體的晶體學抽象示意 93晶胞的描述晶胞的描述 晶體學參數：晶體學參數：a, b, c,晶格常數：晶格常數：a, b, c晶系晶系軸軸( (棱邊棱邊) )之間的夾角之間的夾角三斜晶系三斜晶系 單斜

5、晶系單斜晶系 斜方晶系斜方晶系 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七個晶系：七個晶系：10布拉菲空間點陣晶胞布拉菲空間點陣晶胞11晶向晶向(crystal direction):(crystal direction): 在晶格中在晶格中, ,任意兩原子之間的連線所指的方向。任意兩原子之間的連線所指的方向。晶向指數晶向指數: : 用密勒用密勒(miller)(miller)指數對指數對晶格中某一原子排列在空間的位向進晶格中某一原子排列在空間的位向進行標定。行標定。n確定方法確定方法:n設置坐標設置坐標; ;n求投影坐標求投影坐標; ;n取最小整數。取最小整數。1

6、2晶面晶面(crystal face):(crystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所構成的平面稱為晶面。一系列原子所構成的平面稱為晶面。n確定方法確定方法: n設置坐標設置坐標; ;n求截距求截距; ;n取倒數。取倒數。晶面指數晶面指數(indices of crystallographic plane ):用密勒用密勒(miller)(miller)指數對晶格中指數對晶格中 某一晶某一晶面進行標定。面進行標定。 134三種典型的金屬晶體晶胞三種典型的金屬晶體晶胞(圖圖) 屬于此類結構的屬于此類結構的金屬有：堿金屬、金屬有：堿金屬、難溶金屬（難溶金屬（v v、nbnb、tat

7、a、crcr、momo、w w）a-a-fefe等等 屬于此類結構的金屬于此類結構的金屬的有：屬的有：al、貴重金、貴重金屬、屬、-fe、ni、pb、pd、pt以及奧氏體不以及奧氏體不銹鋼等銹鋼等。 屬于此類結構的屬于此類結構的金屬有：金屬有： mg、zn、 a-be、a-ti、a-zr、a-hf、a-co等。等。體心立方晶胞體心立方晶胞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、體心立方晶胞、體心立方晶胞bcc body-centered cube 晶胞晶胞 晶體學參數晶體學參數 原子半徑原子半徑 晶胞原子數晶胞原子數 配位數配位數 致密度致密度 bcc a

8、=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% 43a16晶胞原子數晶胞原子數：是指在一個晶胞中所含的原子數目。：是指在一個晶胞中所含的原子數目。8*1/8+1=2 原子半徑原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個原子間距的一半。平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個原子間距的一半。體心立方晶胞：體心立方晶胞：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體積百分數，也稱密排系數。有的體積百分數，也稱密排系數。 致密度致密度=（晶胞中原子所占有的（晶胞中原子所占有

9、的體積體積/晶胞的體積）晶胞的體積）x100% 屬于此類結構的金屬有：屬于此類結構的金屬有：堿金屬、難溶金屬（堿金屬、難溶金屬（v、nb、ta、cr、mo、w）a-fe等等配位數配位數：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數目。：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數目。bcc為為12172、面心立方晶胞、面心立方晶胞fcc- face-centered cube晶胞晶胞 晶體學參數晶體學參數 原子半徑原子半徑 晶胞原子數晶胞原子數 配位數配位數 致密度致密度 fcc a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 42a18fcc剛球模型剛球模型 屬于此類結構屬于此類結構的金屬有：

10、的金屬有：al、貴、貴重金屬、重金屬、-fe、ni、pb、pd、pt以及奧以及奧氏體不銹鋼等。氏體不銹鋼等。193、密排六方晶胞、密排六方晶胞hcp -hexagonal close-packed 晶胞晶胞 晶體學參數晶體學參數 原子半徑原子半徑 晶胞原子數晶胞原子數 配位數配位數 致密度致密度 hcp a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 20 屬于此類結屬于此類結構的金屬有：構的金屬有：a-be、a-ti、a-zr、a-hf、a-co、mg、zn等。等。hcp剛球模型剛球模型21bcc、fcc、hcp晶胞的重要參數晶胞的重要參數 晶胞 晶

11、體學參數 原子半徑 晶胞原子數 配位數 致密度 bcc a=b=c,a=b=g=90o 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密排面與密排方向密排面與密排方向 110, 111, 底面底面, 底面上任底面上任 意相鄰原子的連線意相鄰原子的連線23二實際晶體二實際晶體 理想晶體理想晶體+晶體缺陷晶體缺陷實際晶體實際晶體 實際晶體實際晶體單晶體和多晶體單晶體和多晶體單晶體單晶體：內部晶格位向完全一致各向異性多晶體多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成各向同性

12、晶體缺陷：晶體缺陷：實際晶體中存在著偏離實際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規則性的部分（破壞）晶格周期性和規則性的部分 。 a、 點缺陷點缺陷 b、 線缺陷線缺陷（位錯） c、 面缺陷面缺陷 單晶體單晶體多晶體多晶體24a、 點缺陷點缺陷 晶格結點處或間隙處，產生偏離理想晶體的變化。晶格結點處或間隙處，產生偏離理想晶體的變化。 u空位空位 (vacancy ) ： 晶格結點處無原子晶格結點處無原子 u置換原子置換原子(gap atom ) ： 晶格結點處為其它原子占據晶格結點處為其它原子占據 u間隙原子間隙原子(substitutional atom ) ： 原子占據晶格間隙原子占據晶格

13、間隙 空位、間隙原子、置換原子示意圖空位、間隙原子、置換原子示意圖 空位空位25點缺陷導致晶格畸變點缺陷導致晶格畸變置換原子置換原子引起的晶格畸變引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變26b b、 線缺陷線缺陷( line defect ) 位錯位錯( dislocation ) ： 二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排。二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排。 u刃型位錯刃型位錯( screw dislocation ) u螺型位錯螺型位錯 ( blade dislocation )27c、 面缺陷面缺陷( surface-defect ) 一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯

14、排區域。一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區域。 晶界晶界( grain boundary ) :晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界亞晶界( sub-boundary ):相鄰晶粒位向很小相鄰晶粒位向很小( (一般一般1 12 2) )的小角度晶界。的小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面與內部不同。表面與內部不同。 區域：區域：大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界2829 cu-ni 合金中的亞結構合金中的亞結構30三、晶體中的擴散三、晶體中的擴散 擴散擴散原子在晶體中移動距離超過其平均原原子在晶體中移動距離超過其平均原子間距的遷移現

15、象。子間距的遷移現象。 1、概念、概念擴散熱激活過程（以克服晶格約束）312影響擴散的因素影響擴散的因素(1) 溫度溫度 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/rt） do擴散系數擴散系數(cm2/s), q擴散激活能擴散激活能(2) 晶體結構晶體結構 致密度小致密度小克服的能壘小克服的能壘小擴散容易擴散容易(3) 表面及晶體缺陷表面及晶體缺陷 晶格畸變晶格畸變高能態原子高能態原子激活能小激活能小(體擴散的體擴散的0.6-0.7)擴散快擴散快100-1000倍倍udo，q與溫度無關，決定于晶體的成分和結構；u溫度提高10-15度，d提高一倍。32四、

16、純金屬的結晶及其組織四、純金屬的結晶及其組織 1結晶與凝固的區別結晶與凝固的區別 凝固凝固：ls s可以是非晶可以是非晶結晶結晶：一種原子排列狀態（晶態或非晶態）過渡為另：一種原子排列狀態（晶態或非晶態）過渡為另一種原子規則排列狀態（晶態）的轉變過程。一種原子規則排列狀態（晶態）的轉變過程。 一次結晶：一次結晶：ls晶態晶態 二次結晶：二次結晶：ss晶態晶態liquidsolid332結晶驅動力結晶驅動力f0，而不是過冷度，而不是過冷度t 自然界的自發過程進行的熱力學條件都是自然界的自發過程進行的熱力學條件都是f0 體系中各種能量的總和叫做內能體系中各種能量的總和叫做內能u，其中可以對外，其中

17、可以對外做功或向外釋放的能量叫做功或向外釋放的能量叫自由能自由能f，f=u-ts（熵）（熵）過冷度：過冷度： t=tm-tn , f用來克服界面能用來克服界面能tma 當溫度當溫度ttm時，時，fsfl, 液相穩定液相穩定b 當溫度當溫度ttm時，時，fsl+初初-l+初初+（ c+ e)- 初初+（ c+ e)- + ii+（ +） 亞共晶合金組織亞共晶合金組織 6263相組成物相組成物：， 室溫下室溫下：組織相對量組織相對量： 在共晶溫度時在共晶溫度時： 室溫下室溫下： 初初-+ ii 64l=m+fg65合金合金iv：（：（ 過共晶合金）過共晶合金）-作業作業 組織標注相圖組織標注相圖

18、iviiii(+ )相（%）組織（%）66四、合金性能與相圖的關系四、合金性能與相圖的關系 1、合金的使用性能與相圖的關系、合金的使用性能與相圖的關系67p 溶質元素溶質元素晶格畸變大晶格畸變大強度、硬度強度、硬度，（，（50%最大）最大）p 復相組織區域內（如共晶轉變范圍內），合金的強度和復相組織區域內（如共晶轉變范圍內），合金的強度和硬度隨成分的變化呈直線關系，大致是兩相性能的算術平硬度隨成分的變化呈直線關系，大致是兩相性能的算術平均值。均值。hb=hba a * a a% + hb*%p 對組織較敏感的性能對組織較敏感的性能強度，與組成相或組織組成物的強度，與組成相或組織組成物的形態有很

19、大關系。組成相或形態有很大關系。組成相或組織組成物越細密，強度越高組織組成物越細密，強度越高（共晶點共晶點處，共晶組織呈細小、均勻細密的復相組織，強處，共晶組織呈細小、均勻細密的復相組織，強度可達度可達最高值最高值。）。）682、合金的工藝性能、合金的工藝性能 69na. 鑄造性能鑄造性能液態合金的流動性以及產生縮孔，裂紋的液態合金的流動性以及產生縮孔，裂紋的傾向性等。液固相線距離愈小，傾向性等。液固相線距離愈小，結晶溫度范圍愈小結晶溫度范圍愈小合合金的流動性好金的流動性好有利于澆注有利于澆注。 液固相線距離大液固相線距離大枝晶偏析傾向愈大，合金流動性枝晶偏析傾向愈大，合金流動性也愈差，形成分

20、散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，也愈差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，所以鑄造合金的成分常取所以鑄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選選擇結晶溫度間隙最小擇結晶溫度間隙最小的成分。的成分。n b.鍛造、軋制性能鍛造、軋制性能u單相固溶體合金單相固溶體合金u單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好702.3 塑性變形和回復、再結晶塑性變形和回復、再結晶對金屬材料組織、性能的影響對金屬材料組織、性能的影響71靜載單向靜拉伸應力應變曲線(低碳鋼 )簡單回顧簡單回顧四階段四階段 72一一 、金屬材料的塑性

21、變形、金屬材料的塑性變形 變形變形是工程材料在外力作用下會發生的最基本的是工程材料在外力作用下會發生的最基本的失效失效方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種。種。塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。不需要塑性變形：不需要塑性變形：抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在承載時產生不可恢復的塑性變形；不希望結構件在承載時產生不可恢復的塑性變形；需要塑性變形：需要塑性變形：塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方塑性變形是金屬材料的一種重要加工

22、成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。 73(一一)、單晶體的塑性變形、單晶體的塑性變形 單晶體變形規律：滑移晶體學單晶體變形規律：滑移晶體學多晶的變形是各個晶粒的變形的總和。多晶的變形是各個晶粒的變形的總和。（a a）塑性變形方式）塑性變形方式：滑移：滑移. 塑性變形方式塑性變形方式滑移滑移和和孿生孿生 在外加切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定在外加切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）發生相對的滑動。晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）發生相對的滑動。74要點要點1：滑移

23、變形的起因外力：滑移變形的起因外力p在滑移面上的分解在滑移面上的分解正應力正應力：僅使晶格產生彈性伸長，當超過原子間結合力：僅使晶格產生彈性伸長，當超過原子間結合力時，使將時，使將晶體拉斷；晶體拉斷；切應力切應力 ：使晶格產生彈性歪扭，在超過滑移抗力時引起：使晶格產生彈性歪扭，在超過滑移抗力時引起滑移面兩側的晶體發生滑移面兩側的晶體發生相對滑動。相對滑動。75滑移就是晶體滑移面兩側部分或滑移就是晶體滑移面兩側部分或整體整體的相對移動（剛性移動）。的相對移動（剛性移動）。 在外加切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定在外加切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（晶面（滑移面滑

24、移面）上的一定方向（）上的一定方向（滑移方向滑移方向）發生相對的滑動。）發生相對的滑動。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點要點2：滑移變形如何進行相對移動的位置與方向：滑移變形如何進行相對移動的位置與方向76位錯位錯滑移滑移塑性變形塑性變形 切應力作用下，晶體中的位錯沿著滑移面逐步移動，最切應力作用下，晶體中的位錯沿著滑移面逐步移動，最后移出表面，留下一個大小等于該位錯矢量模的臺階。后移出表面，留下一個大小等于該位錯矢量模的臺階。 大量位錯（原子距）大量位錯（原子距）移出晶體移出晶體滑移線滑移線（1000原原子距）子距）滑移帶滑移帶要點要點3：滑移變形

25、的本質位錯機制：滑移變形的本質位錯機制77晶體的滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現的，而晶體的滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對移動。勿需使晶體的兩部分作整體相對移動。 滑移的實現滑移的實現 借助于位錯運動。（剛性滑移模型計算出的借助于位錯運動。（剛性滑移模型計算出的臨界切應力值實測值）臨界切應力值實測值）金屬計算值 (mn/m2)實測值 (mn/m2)計算值與實測值之比銅銀金鎳鎂鋅64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然過程的發生總是沿著阻力最小的方式

26、進行！自然過程的發生總是沿著阻力最小的方式進行！78滑移系滑移系：滑移面和該面上的一個滑移方向滑移面和該面上的一個滑移方向 金屬三種常見晶格的滑移系金屬三種常見晶格的滑移系要點要點4：不同金屬的滑移變形特征：不同金屬的滑移變形特征79why? 體心立方（體心立方（-fe）和面心立方金屬（）和面心立方金屬（cu、al）滑移系數目相同，但面心立方金屬的塑性變形能滑移系數目相同，但面心立方金屬的塑性變形能力更好力更好?80滑移系數目滑移系數目，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的滑移系為的滑移系

27、為12個，個，hcp為為3個；個；fcc的滑移方向（的滑移方向（3個）多于個）多于bcc （2個）個） 。金屬塑性：金屬塑性：cu（fcc）fe（bcc）zn（hcp） 81晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發生切變。向（孿生方向）發生切變。金屬晶體中變形部分與未變形部金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側形成鏡面對稱關系。分在孿生面兩側形成鏡面對稱關系。發生孿生的部分（切變發生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或孿晶。部分）稱為孿生帶或孿晶。（b b）塑性變形方式）塑性變形方式 ：孿生：孿生whywhy發生孿生

28、變形？何種情況下發生？發生孿生變形？何種情況下發生？特點：1.1. 均勻切變，切變部分位向改變，均勻切變，切變部分位向改變，但點陣結構不變；發生孿生時各但點陣結構不變；發生孿生時各原子移動的距離是不相等的。原子移動的距離是不相等的。2.2. 臨界分切應力臨界分切應力滑移分切應力；滑移分切應力；3.3. 形變量很小；形變量很小；4.4. 形變速度快，接近聲速。形變速度快，接近聲速。82孿生僅會在滑移不易產生的情況下發生：. fcc金屬一般不發生孿生，少數（金屬一般不發生孿生，少數（cu、ag、au）在極低溫度下發生。在極低溫度下發生。. bcc金屬僅在室溫或受沖擊時發生。金屬僅在室溫或受沖擊時發

29、生。. hcp金屬較容易發生孿生。金屬較容易發生孿生。83(c(c）滑移和孿生的異同）滑移和孿生的異同1. 滑移和孿生均在切應力作用下，沿一定晶面的一定晶向進滑移和孿生均在切應力作用下，沿一定晶面的一定晶向進行，產生塑性變形；行，產生塑性變形；2. 孿生借助于切變進行，所需切應力大，速度快，在滑移較孿生借助于切變進行，所需切應力大，速度快，在滑移較難進行時發生難進行時發生 ；3. 滑移滑移原子移動的相對位移是原子間距的整數值原子移動的相對位移是原子間距的整數值不引起不引起晶格位向的變化；孿生晶格位向的變化；孿生原子移動的相對位移是原子間距原子移動的相對位移是原子間距的分數值的分數值孿生晶格位向

30、改變孿生晶格位向改變促進滑移促進滑移 ；4. 孿生產生的塑性變形量小（孿生產生的塑性變形量小（滑移變形量的滑移變形量的10），）， 但引但引起的晶格畸變大。起的晶格畸變大。84（二）、實際金屬（多晶）的塑性變形（二）、實際金屬（多晶）的塑性變形主要影響因素：晶界、晶粒和位向（a）晶界：）晶界： .滑移的主要障礙滑移的主要障礙：原子混亂排列區，較不規則缺陷、雜質集中。滑移不能從一個晶粒直接延續到另一個晶粒中去。.協調變形協調變形：晶界自身變形以維持相鄰晶粒變形保持連續。位錯塞積位錯塞積位錯運動到晶界附近，位錯運動到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。受到晶界阻礙而堆積起來。85（b b）晶粒）晶粒

31、 . hall-pitch . hall-pitch關系：關系：s=0+kyd-1/2 . .細晶強化：細晶強化：晶粒細化晶粒細化強度、硬度提高、塑性、韌性也強度、硬度提高、塑性、韌性也提高，原因？提高，原因？ 晶粒小晶粒小晶界面積大晶界面積大變形抗力大變形抗力大強度大強度大 晶粒小晶粒小單位體積晶粒多單位體積晶粒多變形分散變形分散相鄰晶粒不同滑相鄰晶粒不同滑移系相互協調移系相互協調 晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂紋的傳播不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大斷裂前承受較大的塑性變形的塑性變形細晶強化是金屬的一種非常重要的強韌化手段！細晶強化是金屬的一種非常重要的強韌化手段！86二、二、塑性變形對金

32、屬組織與性能的影響（一）、冷塑性變形對金屬組織性能的影響（一）、冷塑性變形對金屬組織性能的影響87晶粒形貌及結構變化晶粒形貌及結構變化 晶粒拉長，纖維組織晶粒拉長，纖維組織各同異性各同異性a.a.纖維組織（組織）纖維組織（組織）b. b. 亞結構形成（晶內結構變化）亞結構形成（晶內結構變化） 形變形變位錯密度位錯密度（ - -）位錯纏結位錯纏結胞壁胞壁亞晶亞晶鋼的纖維組織（變形度鋼的纖維組織（變形度80%88織構織構擇優取向（組織）擇優取向（組織）擇優取向擇優取向變形量足夠大時，原來處于不同位向的晶粒在空變形量足夠大時，原來處于不同位向的晶粒在空間位向上會呈現出一定程度的一致。間位向上會呈現出

33、一定程度的一致。 形變織構形變織構金屬塑性變形到很大程度（金屬塑性變形到很大程度（70%）時，由于晶粒發生轉）時，由于晶粒發生轉動，使各晶粒的位向趨于一致，形成特殊的擇優取向，這種有序化的結動，使各晶粒的位向趨于一致，形成特殊的擇優取向，這種有序化的結構叫做形變織構。構叫做形變織構。有害：有害：“制耳制耳”現象現象有利：硅鋼片：電機、變壓器鐵芯有利：硅鋼片：電機、變壓器鐵芯89. . 加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化加工硬化金屬在冷態下進行塑性變形時，隨著變形度的增加，其金屬在冷態下進行塑性變形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌

34、性下降。強度、硬度提高，塑性、韌性下降。90加工硬化機理：加工硬化機理：1 1）一種重要的強化手段，對不能用熱處理方法）一種重要的強化手段，對不能用熱處理方法強化的合金尤其重要；強化的合金尤其重要；2 2）冷加工成形得以順利進行；）冷加工成形得以順利進行；3 3）金屬具有較好的變形強化能力，具有防止短）金屬具有較好的變形強化能力，具有防止短時超載斷裂能力，保證構件安全性；時超載斷裂能力，保證構件安全性；4 4）塑性，塑性，切削性能；切削性能；不利：塑性變形困難不利：塑性變形困難中間退火中間退火消除消除塑性變形塑性變形位錯移動位錯移動位錯大量增殖位錯大量增殖相互作用相互作用運動阻力運動阻力加大加

35、大變形抗力變形抗力強度強度、硬度、硬度、塑性、塑性 、韌性、韌性位錯強化：位錯密度位錯強化：位錯密度強度、硬度強度、硬度意義意義914 4殘余內應力（性能）殘余內應力（性能）第一類內應力第一類內應力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內應力第二類內應力微觀，晶粒間或晶內不同區域變形不均；微觀，晶粒間或晶內不同區域變形不均；第三類內應力第三類內應力超微觀，晶粒畸變（超微觀，晶粒畸變（90%）。）。去除外力后殘留于且平衡于金屬內部的應力。去除外力后殘留于且平衡于金屬內部的應力。921、塑性變形金屬在加熱時組織性能變化、塑性變形金屬在加熱時組織性能變化

36、（二）、金屬在加熱條件下的塑性變形（二）、金屬在加熱條件下的塑性變形932、回復、再結晶和晶粒長大、回復、再結晶和晶粒長大 1 1）回復）回復 原子擴散能力較小，物理化學性能恢復，內應力顯著原子擴散能力較小，物理化學性能恢復，內應力顯著降低，強度和硬度略有降低降低，強度和硬度略有降低去應力退火。去應力退火。 驅動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）驅動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）942 2）再結晶）再結晶1）新的形核一長大過程，無新相生成，加工硬化消除，力學性能）新的形核一長大過程，無新相生成，加工硬化消除，力學性能恢復，顯微組織發生顯著變化恢復，顯微組織發生顯著變化等軸晶粒，強度大大下降。等

37、軸晶粒，強度大大下降。 再結晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝再結晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝 再結晶溫度：純金屬：再結晶溫度：純金屬： tr=0.4-0.35tm(k) 合金：合金：tr=0.5-0.7tm(k) 驅動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）驅動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）95性能惡化，特別是塑性明顯下降。在工藝處理應注意防止產生。性能惡化，特別是塑性明顯下降。在工藝處理應注意防止產生。3 3）晶粒長大）晶粒長大96影響再結晶晶粒度的因素影響再結晶晶粒度的因素 溫度溫度td晶界遷移晶界遷移晶粒度長大晶粒度長大預變形度預變形度97 tr以上加工，不引起加工硬化以上加工，不引起加工

38、硬化提高金屬致密度、提高金屬致密度、消除枝晶偏析，打碎柱狀晶、樹枝晶、流線分布等。消除枝晶偏析，打碎柱狀晶、樹枝晶、流線分布等。 3 3、熱加工對金屬組織性能的影響、熱加工對金屬組織性能的影響98塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 變形類型變形類型 工藝方法工藝方法 組織變化組織變化 性能變化性能變化 冷變形冷變形 加工加工 冷軋、拉拔、冷軋、拉拔、冷擠壓、冷擠壓、冷沖壓、冷沖壓、冷鐓等冷鐓等 晶粒沿變形方向伸長，形成冷加工晶粒沿變形方向伸長，形成冷加工纖維組織纖維組織 趨于各向異性趨于各向異性 晶粒破碎，形成亞結構，晶粒破碎，形成亞結構， 位錯密度增加位錯密度增加 強度提高，塑性下降，強度提高，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、冷軋冷拉、冷軋等等 晶粒位向趨于一致，形成晶粒位向趨于一致，形成 形變織構形變織構 趨于各向異性趨于各向異性 熱變形熱變形 加工加工 自由鍛、模自由鍛、模鍛、鍛、 熱軋、熱擠熱軋、熱擠壓等壓等 焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松等缺陷等缺陷 力學性能提高，密度力學性能提高，密度提高提高 擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳化物，