第一章金屬學基礎-1

1、工程材料及金屬工藝學 羅建東 2008年9月 課程的性質課程的性質 工程材料及金屬工藝學是材控及安工 專業一門十分重要的技術基礎課。它主 要研究工程材料的性能及強化工藝,各種 成形工藝方法本身的規律及其相互聯系 與比較,各種加工方法的特點和應用。 本課程涉及的基本內容本課程涉及的基本內容 本課程主要涉及以下內容： 第一部分：工程材料 金屬學基礎；鐵碳合金；鋼的熱處理；黑色金 屬；有色金屬；材料選用及應用 第二部分：金屬工藝學 鑄造成形；鍛壓成形；焊接成形；金屬切削基 礎；常用加工方法；典型表面加工方法分析。 本課程計劃學時為56學時。其中工程材料部 分和金屬工藝學部分各學時。 第一部分第一部分

2、 工程材料工程材料 第一章第一章 金屬學基礎金屬學基礎 本章主要內容：金屬的晶體結構，金屬的結 晶，金屬的塑性變形與再結晶。 （本章學時：學時） 學習本章的具體要求： 掌握常見晶體結構及實際晶體的缺陷。 了解晶粒細化措施，再結晶、加工硬化等概念。 第一章第一章 金屬學基礎金屬學基礎 第一節第一節 金屬的晶體結構金屬的晶體結構 金屬的性能是由其組織結構決定的，其中結構指的就是晶體 結構。金屬的晶體結構就是其內部原子的排列方式，因為金 屬是晶體，所以稱為晶體結構。 硅表面原子排列 碳表面原子排列 一、晶體與非晶體 晶體與非晶體的主要區別在于原子內部排列方式的不同。 1、晶體：原子在三維空間內的周期

3、性規則排列。長程有序，各向異性。 2、非晶體：原子在三維空間內不規則排列。長程無序，各向同性。 3、在自然界中除少數物質（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數 都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數無機化合物和有機化合物，甚至植 物纖維都是晶體。 金屬晶體模型 非晶體 晶體與非晶體的性能區別 有些晶體具有 規則的多面體 外形，如水晶； 有些則沒有規 則整齊的外形， 如金屬。 晶體有固定的 熔點，而非晶 體則沒有。 晶體與非晶體的轉變 晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉變 w 玻璃經長時間加熱能變為晶態玻璃； w 金屬從高溫液態急冷，可變為非晶態金屬； w 非晶態金屬具有高的強度與韌性

4、等一系列突出 性能，近年來已為人們所重視。 二、常見金屬的晶體結構二、常見金屬的晶體結構 晶格與晶胞 各種晶體物質的內部原子按一定的規律在空間有規則地緊密堆積在一起， 為了便于分析各種晶體原子中原子排列的規律，用假想的幾何線條將各 原子的中心連接起來，使之構成一個空間格子。這種用以描述原子在晶 體中排列形式的空間格子叫做“晶格”。 晶胞：空間點陣中能代表原子排列規律的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構成空 間點陣的最基本單元。 選取原則： 能夠充分反映空間點陣的對稱性； 相等的棱和角的數目最多； 具有盡可能多的直角； 體積最小。 晶格常數 三個棱邊的長度a,b,c及其夾角,表示。 晶體 晶格晶胞

5、典型晶體結構及其幾何特征 在元素周期表一共約有110種元素，其中 80多種是金屬，占2/3。而這80多種金屬 的晶體結構大多屬于三種典型的晶體結 構。它們分別是： 1、體心立方晶格 2、面心立方晶格 3、密排六方晶格 體心立方晶格 原子排列方式： 體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立方體的角上,一個原子處于立 方體的中心, 角上八個原子與中心原子緊靠。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：晶格常數：a=b=c, =90 常見金屬：具有體心立方晶格的金屬有：鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、 - 鐵(-Fe, 912)等。 原子個數：在體心立方晶胞中, 每個角上的原子在晶格中同時屬于8個 相鄰的晶

6、胞,因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為1/8, 而中心的那個 原子則完全屬于這個晶胞。所以一個體心立方晶胞所含的原子數為 2 個。 面心立方晶格 原子排列方式：金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的 原子與該面四個角上的原子緊靠。 面心立方晶胞的特征面心立方晶胞的特征： 晶格常數：a=b=c, =90 常見金屬：具有這種晶格的金屬有： 鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、 銀(Ag)、- 鐵( -Fe, 9121394)等。 原子個數：在面心立方晶格的晶胞中，八個頂角上各有一個原子，在立方體的每 個面的中心還各有一個原子，這個原子也同時屬于與該面相鄰的兩個晶胞，因

7、此，面心立方晶體的晶胞中原子數為4個。 密排六方晶格 原子排列方式：十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上, 在上下底 面的中心各分布一個原子, 上下底面之間均勻分布三個原子。 密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常數：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表達, 兩相 鄰側面之間的夾角為120, 側面與底面之間的夾角為90。 常見金屬：具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。 原子個數：晶胞原子數：6 三、金屬的同素異晶轉變 某些金屬在固態下的晶體結構是不固定的， 而是隨著溫度、壓力等因素的變化而變化， 如鐵、鈦等，這種現象稱為同素異晶轉變， 也

8、稱為重結晶。 下面以鐵為例子來說明同素異晶轉變： -Fe-Fe-Fe-L 體心立方 （912） 面心立方 （1492）體心立方 金屬的同素異晶轉變為其熱處理提供基礎， 鋼能夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固 態下發生同素異晶轉變。 四、實際金屬的晶體結構四、實際金屬的晶體結構 1、單晶體與多晶體 如果晶體中所有原子排列位 向一致，這個晶體稱為單晶 體，也就是說單晶體是由一 個晶粒組成的。單晶體只有 通過特殊的方法才能制取， 如在電子行業中廣泛使用的 硅或鍺單晶體。實際金屬多 是由許多單晶體組成的多晶 體，每一個單晶體稱為一個 晶粒，其邊界稱為晶界。 單晶體具有各向異性，而多 晶體則具有各向同性

9、。 多晶體示意圖 多晶體示意圖多晶體示意圖 2 2、實際金屬的晶體缺陷、實際金屬的晶體缺陷 在晶體中，晶格的每一個結點上都有一個原子，其它間隙處都沒有原子，原子 排列規則整齊，這種晶體稱為理想晶體。但實際金屬晶體中的原子排列未必完 全規則，在某些局部區域，原子排列甚至很不規則。這些原子排列的規律性受 到嚴重破壞的區域，稱之為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的許多性能有著極重要 的影響，材料的燒結和固相的反應以及金屬的塑性變形等等都和晶體中缺陷的 存在有關。 根據晶體缺陷的幾何形態特征，可將其分為以下三類：根據晶體缺陷的幾何形態特征，可將其分為以下三類： 點缺陷、點缺陷、 線缺陷、面缺陷線缺陷、面缺陷

10、。 1）點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。 主要有晶格空位、間隙原子和異類原子。 純金屬晶體中的點缺陷包括空位和自間隙原子，以及由它們組合而成的復雜形 式。空位是晶體內部原子遷移到界面后，在體內留下的原子尺度的空洞；自間 隙原子是進入自身晶格間隙位置的原子。 異類原子是指雜質原子或合金元素的原子。異類原子占據晶格結點時稱為置換 原子。當異類原子直徑很小時，常存在于晶格間隙中，這也稱為間隙原子。 點缺陷與材料行為： （1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格 膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。） 力學性能（屈服強度

11、提高。） 2）線缺陷 線缺陷是在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主 要是位錯。位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。 意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的 作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。） 位錯的基本類型（A）刃型位錯 分類：正刃型位錯（）；負刃型位錯（）。 （B）螺型位錯 分類：左螺型位錯；右螺型位錯。 不銹鋼中的位錯線 位錯的運動 位錯的易動性：原子的微小移動導致晶體產生一個原子間距 的位移。多個位錯的運動導致晶體的宏觀變形。 位錯運動的方式 a 滑移：位錯沿著滑移面的移動。 b 攀移：刃型位錯在垂直于滑移面 方向上的運動。 3）

12、面缺陷 面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向 上尺寸較大的缺陷。如晶界、亞晶界。 （1）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。 大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。 其結構為幾個原子范圍內的原的混 亂排列，可視為一個過渡區。 小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結構為位錯列， 又分為對稱傾側晶界和扭轉晶界。 亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。 為位錯結構。 亞晶界亞晶界 第二節第二節 金屬的結晶金屬的結晶 熔化 凝固與結晶 物質從液態到固態的轉變過程稱為凝固。若凝 固后的物質為晶體，則稱之為結晶。金屬及其 合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結晶。 凝固過程影響

13、后續工藝性能、使用性能和壽命。 凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基 礎。 金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結晶過程。 一、一、 結晶的基本規律結晶的基本規律 1 、液態金屬的結構 結構：長程有序而短程有序。 特點（與固態相比）：原子間距較大、原子配位數較小、 原子排列較混亂。 2 、過冷現象 （1）過冷：金 屬的實際結晶溫度 總是低于其理論結 晶溫度的現象。 （2）過冷度： 金屬材料的理論結 晶溫度(Tm) 與其實 際結晶溫度To之差 T=Tm-To 注：過冷是結晶的 必要條件，結晶過 程總是在一定的過 冷度下進行。 3、結晶過程 （1）結晶的基本過程：形核長大。（見示意圖） （2）描述

14、結晶進程的兩個參數 形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數 量。用N表示。 長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面 方向上單位時間內遷移的距離。用G表示。 二、晶核的形成和長大二、晶核的形成和長大 1、晶核的形成、晶核的形成 1 1）自發形核）自發形核 從液態內部由金屬本身原子自發長出結晶核心的過程叫做自從液態內部由金屬本身原子自發長出結晶核心的過程叫做自 發形核，形成的結晶核心叫做自發晶核。發形核，形成的結晶核心叫做自發晶核。 2 2）非自發形核）非自發形核 依附于雜質而生成晶核的過程叫做非自發形核，形成的結依附于雜質而生成晶核的過程叫做非自發形核，形成的結 晶核心叫做非自發晶核

15、。晶核心叫做非自發晶核。 2 2、晶核的長大、晶核的長大 1 1）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前 平行推移的方式長大。平行推移的方式長大。 2 2）樹枝狀長大。當冷卻速度較大，特別是存在有雜質時，晶體與液體界）樹枝狀長大。當冷卻速度較大，特別是存在有雜質時，晶體與液體界 面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負溫度梯度，這時金屬晶體往往面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負溫度梯度，這時金屬晶體往往 以樹枝狀的形狀長大。以樹枝狀的形狀長大。 金屬結晶示意圖金屬結晶示意圖 三、鑄錠組織三、鑄錠組織 最典型的鑄造

16、結構，最典型的鑄造結構， 整個鑄錠明顯地分為三整個鑄錠明顯地分為三 個各具特征的晶區。個各具特征的晶區。 1 1、表面細晶粒層、表面細晶粒層 2 2、中間柱狀晶粒層、中間柱狀晶粒層 3 3、中心等軸晶粒層、中心等軸晶粒層 （粗晶層）（粗晶層） 表面細晶粒層比較致密，表面細晶粒層比較致密， 力學性能好，但這一層力學性能好，但這一層 很薄，只對某些薄壁鑄很薄，只對某些薄壁鑄 件起一定作用。柱狀晶件起一定作用。柱狀晶 粒區，在兩排相對生長粒區，在兩排相對生長 的柱狀晶粒相遇的結合的柱狀晶粒相遇的結合 面上存在脆弱區。在此面上存在脆弱區。在此 區常有低熔點雜質和非區常有低熔點雜質和非 金屬夾雜物聚集，

17、鍛壓金屬夾雜物聚集，鍛壓 軋制時容易沿結合面裂軋制時容易沿結合面裂 開。開。 四、晶粒細化及措施四、晶粒細化及措施 金屬結晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是 由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆 粒狀。 在一般情況下, 晶粒越小, 則金屬的強度, 塑性和韌性越好。 工程上使晶粒細化, 是提高金屬機械性能的重要途徑之一。 這種方法稱為細晶強化。 細化鑄態金屬晶粒有以下措施。 1、增加過冷度 一定體積的液態金屬中,若形核率N(單位時間單位體積形 成的晶核數,個/m3s)越大, 則結晶后的晶粒越多, 晶粒就越細 小; 晶體長大速度G(單位時間晶體長大的長度, m/s)越快,

18、則 晶粒越粗。 隨著過冷度的增加, 形核速率和長大速 度均會增大。但前 者的增大更快，因 而比值N/G也增大, 結果使晶粒細化。 增大過冷度的主要 辦法是提高液態金 屬的冷卻速度, 采用 冷卻能力較強的模 子。例如采用金屬 型鑄模, 比采用砂型 鑄模獲得的鑄件晶 粒要細小。 2. 變質處理 變質處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質劑，以增加 晶核的數量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善組織。 例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁 等。 3. 振動 在金屬結晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法， 可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結晶核心， 獲得細小的晶粒。 4.

19、電磁攪拌 將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應 現象，液態金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的 晶枝，增加結晶核心，從而可細化晶粒。 第三節、金屬的塑性變形與再結晶第三節、金屬的塑性變形與再結晶 一、金屬的塑性變形 1單晶體金屬的塑性變形 工業上使用的金屬材料大多數是多晶體， 它們的塑性變形過程比較復雜，為了說明塑 性變形的基本規律，有必要先了解單晶體的 塑性變形。 將一個表面經過拋光的純鋅單晶體進行拉 伸試驗，在試樣的表面上出現了許多互相平 行的傾斜線條的痕跡，稱為滑移帶。 鋅單晶體拉伸試驗示意圖 （a）變形前試樣 （b）變形后試樣 滑移帶和滑移系的示意圖 金屬塑性變形最

20、基本的方式是滑移。所謂滑移，是指晶體的一部分沿 一定的晶面和晶向相對于另一部分發生相對滑動位移的現象。滑移變 形具有以下特點： （1）滑移在切應力作用下產生 （2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發生 （3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數倍 晶體滑移后，在其表面上出現滑移痕跡，通常稱為滑移帶，如圖5-2 所示。在電子顯微鏡下觀察還會發現，任何一條滑移帶實際上都是由 若干條滑移線組成的。 （4）滑移的同時伴隨著晶體的轉動。 晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖 在圖中圖示了一刃型位錯在切應力的作用下在滑移面上的運動過程，即 通過一根位錯線從滑移面的一側到另一側的運動造成一個原子間距滑移

21、 的過程。從圖5-3可以看出，當一條位錯線掃過滑移面到達金屬表面時， 便產生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯移出，則 會在金屬表面形成一條滑移線。 2滑移的機理 大量的理論和試驗研究的結果證明，滑移是通過位 錯在滑移面上的運動來實現的。 3多晶體金屬的塑性變形 多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較并無 本質上的區別，即每個晶粒的塑性變形仍然 以滑移等方式進行。但由于晶界的存在和每 個晶粒中晶格位向不同，故多晶體的塑性變 形要比單晶體復雜得多。 4合金的塑性變形與強化 合金中由于含有合金元素而使其晶格發生 了畸變，因而也使它的性能發生顯著變化。 根據合金的組織可將其分為單相固溶體和多

22、 相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，合 金元素對塑性變形的影響也不相同。 二、塑性變形對組織和性能的影響 1塑性變形對金屬顯微組織的影響 當變形量很大時，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊 不清。此時，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的 性能明顯優于橫向。塑性變形也會使晶粒內部的亞結構發生 變化，使晶粒破碎成亞晶粒。 2形變織構的產生 當出現織構以后，多晶體金屬就表現出一定程度的各向異 性，這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。 3塑性變形對金屬性能的影響 在塑性變形的過程中，隨著金屬內部組織的變化，金屬的 性能也將產生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬 度提高，而塑性、韌性下降

23、，這一現象稱為“加工硬化”或 “形變強化”。 4殘余內應力 內應力分為三類：第一類內應力又叫宏觀內應力，是由于 金屬表層與心部變形不一致造成的，所以存在于表層與心部 之間；第二類內應力又叫微觀內應力，是由于晶粒之間變形 不均勻造成的，所以存在于晶粒與晶粒之間；第三類內應力 又叫點陣畸變，是由于晶體缺陷增加引起點陣畸變增大而造 成的內應力，所以存在于晶體缺陷中。 三、加工硬化的意義 1、加工硬化可使金屬零件具有一定的抗偶然 過載的能力，保證機械零件的安全。 2、加工硬化是冷變形工件成型的重要因素。 通過加工硬化，使材料發生均勻的塑性變形， 從而獲得冷變形加工的金屬制品，如沖壓件 等。 3、加工硬

24、化是強化金屬的重要手段。 四、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化四、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化 金屬材料在冷變形加工以后，為了消除殘余應力或恢復其某些性能（如 提高塑性、韌性，降低硬度等），一般要對金屬材料進行加熱處理。而 加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工（例如 深沖）帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退火處理，以使其性能 向塑性變形前的狀態轉化。對冷變形金屬加熱使原子擴散能力增加，金 屬將依次發生回復、再結晶和晶粒長大。 變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖 1回復 回復是指冷變形金屬加熱時，在光學顯微組織發生改變前（即再結晶 晶粒形成前）所產生的某些亞結構和性能的變化過程。 2再結晶 冷變形金屬加熱到一定溫度之后，在原來的變形組織中重新產生了無畸 變的新晶粒，而性能也發生了明顯的變化，并恢復到完全軟化狀態，這 個過程稱為再結晶。純金屬：T再結晶（最低）=0.4T熔點，合金： T再 結晶