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1、 工 程 材 料 沈阳化工学院金工教研室 2003 年 3 月 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 1 - 目 录 绪 论.3 第一章 金属的结构与结晶 5 1 金属的晶体结构.5 2 金属的结晶.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第二章 金属的塑性变形与再结晶.7 1 金属的塑性变形.7 2 回复与再结晶 14 第三章 合金的结构与二元状态图.19 1 合金中的相结构.19 2 二元合金状态图.23 第四章 铁 碳 合 金41 1 铁碳合金相图 41 2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 .46 3 碳 钢58 第五章 钢的热处理64 1 前 言64 2 钢
2、在加热时的转变错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3 钢的冷却转变 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4 钢的普通热处理错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 钢的表面热处理错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第六章 合金钢114 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 2 - 1 合金钢的分类、牌号.114 2 合金结构钢、工具钢、特殊性能钢.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第七章 铸 铁141 第八章 有色金属及合金151 第九章 非金属材料163 第十章 机械零件的选材及热处理工艺.173 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro
3、“ 试用版本创建 - 3 - 绪绪 论论 一、机械工程材料在国民经济各领域的地位和作用一、机械工程材料在国民经济各领域的地位和作用 这里的机械工程材料是指用于工程结构和机械零件的金属材料、非金属材 料及复合材料。主要是指金属材料。 众所周所，金属材料在现代工农业生产中占有极其重要的地位，不仅在机 械制造、交通运输、国防与科学技术等各个方面需要金属材料，而且在人们的 日常生活中也离不开金属材料。 二、本课的内容二、本课的内容 1. 金属材料的基本知识、 热处理的基本原理和常用金属材料的性能特点及 应用。 2. 常用非金属材料（高分子材料、陶瓷材料）和复合材料的基本知识和性 能特点及应用。 3.
4、 机械零件选材设计的基本方法。 三、教学目的、参考书及教学方法三、教学目的、参考书及教学方法 1. 教学目的 机械工程材料是机械制造和机械设计类专业的技术基础课。其目的是 使学生获得有关工程结构和机械零件常用的金属材料和非金属材料的基本理论 和性能特点，并使其初步具备合理选择与使用材料，正确制定零件的冷热加工 工艺路线的能力。 2.参考书： （1）机械工程材料 哈尔滨工业大学；何世禹 编；机械工业出版社 （2）机械工程材料 西安交通大学；沈莲 编；机械工业出版社 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 4 - （3）金属材料及热处理上海工业大学；史美堂 主编；上
5、海科学技术 出版社 3.教学方法 以讲授为主，结合实验教学；用课外作业予以复习和巩固。 考查课，实验占 20 分，实验课由金工实验室老师代，作业每周一次。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 5 - 第一章第一章 金属的结构与结晶金属的结构与结晶 1 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属 在内的绝大多数固体都是晶体。 1晶体 所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 （晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引 力与排斥力相
6、平衡的结果。） 2晶体结构 晶体中原子（离子或分子）在空间的局体排列。 3阵点（结点） 把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。 4点阵 阵点（或结点）在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵） 5晶面 点阵中的结点所构成的平面 6晶向 点阵中的结点所组成的直线。 7晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。 8晶胞 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 6 - 构成晶格的最基本单元。 由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。 9晶格常数 晶胞的棱边长度 a、b、c 和棱间夹角、是衡量晶胞大小
7、和形状的 六个参数，其中 a、b、c 称为晶格常数或点阵常数。 其大小用A 0 来表示（1A 0 =10- 8cm） 若 a=b=c， =90这种晶胞就称为简单立方晶胞。 具有简单立方晶 胞的晶格叫做简单立方晶格。 晶体 晶格 晶胞 晶面 晶向 图 1- 1 晶体规则排列示意图 二、常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型 研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体都属于如下三 种密排的晶体结构类型。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 7 - （一）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心 还有一个原子。
8、其晶格常数 a=b=c，通常只用 a 表示，见图（1- 2），可见，这 种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度 3 a 方向上所分布的原子数目为 2，这样可计算出其原子半径 r=a 4 3 。在这 种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有，故实际上每 个体心立方晶胞中仅含有：218 8 1 =+个原子。 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之 比。用“K”表示 体心立方晶格的致密度K=68 . 0 4 3 3 4 2 3 3 = aa 即晶格中有68%的体 积被原子占有，其余为空隙。 属于这种体心立方晶格的金属有 Fe（9
9、12，Fe ）、Cr、Mo、W、 V 等。 图 1- 2 体心立方晶格 （二）面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面 上还各有一个原子。在这种晶胞中，是在每个面的对角线上各原子彼此相互接 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 8 - 触，因而其原子半径ar 4 2 =，又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶 胞所共有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有：46 2 1 8 8 1 =+个原子。 其致密度 K=74 . 0 4 2 3 4 4 3 3 = aa 即有 74%的体积被原子占有， 其余 的为空隙。 属于这种晶格的金
10、属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等 图 1- 3 面心立方晶格 （三）密排六方晶格 由 12 个原子构成的简单六方晶体， 且在上下两个六方面心还各有一个原 子，而且简单六方体中心还有 3 个原子。其晶格常数 abc，c/a=1.633 密排六方晶格的晶胞中所含的原子数：632 2 1 12 6 1 =+个原子。致密度 K=0.74。 属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、镉（Cd）等。 除以上三种晶格以外，少数金属还具有其它类型的晶格，但一般很少遇到。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 9 - 图 1- 4 密排六方晶格 三、晶面及晶向指数三、晶
11、面及晶向指数 在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和 晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表 示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这种符号分别叫“晶 面指数”和“晶向指数”。 晶面指数与晶向指数是如何确定？ （一）晶面指数的确定 如图 1- 5 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平 行于晶胞的三棱边作 OX、OY、OZ 三坐标轴，以晶格 常数 a、b、c 分别作为相应的三坐标轴上的度量单位， 求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。 将所得三截距之值变为倒数。 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号， 即为晶面指数。
12、一般形式：()hkl 表示。 1PBEQ 面：在三坐标轴上的截距分别是 1/2，1，；截距倒数分别 是 2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）。 图 1- 5 晶面指数的确定 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 10 - 2AGE 面： 截距 1，1，1； 倒数 1，1，1 ，晶面指数（111） 3DBEG 面：截距 1，1，； 倒数 1，1，0，晶面指数（110） 4DCFG 面：截距 1，；倒数 1，0，0， 晶面指数（100） 值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格 中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。此外，在一种晶
13、格中，如果同一晶 面，虽然它们的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）等，这时若 不必要予以区别时可把这些晶面统用100表示。 即：()hkl 这符号系指某一确定位向的晶面指数，而hkl 则可指所有那些位 向不同而原排列相同的晶面指数。 （二） 晶向指数的确定 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；。 求出该直线上任意一点的三个坐标值； 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶 向指数，其一般形式uvw 。 如：AB 的晶向指数：过 O 作一平行直线 OP，其上任一点的坐标（110），这样所求 AB 的晶向指数即为110； OB：本身过原点不必作平行线，其上任
14、 一点的坐标（111），其晶向指 数111； OC：其上任一点 C 的坐标（100），其晶向指数100。 同理：OD 晶向指数010，OA001。同样 100代表 方向相同的一组晶 向，而则代表方向不同但原子排列相同的晶向。 图 1- 6 晶向指数的确定 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 11 - 四、金属的实际结构和晶体缺陷四、金属的实际结构和晶体缺陷 （一）单晶体与多晶体 如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。以上 我们讨论的情况都指这种单晶体的情况。 但在工业金属材料中，除非专门制作，否则都不是这样，就是在一块很小 的金属中也含
15、着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一 致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。 这种小晶体的外形呈颗粒状， 称为 “晶粒” ， 晶粒与晶粒之间的界面称为 “晶 界” 。 在晶界处， 原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡， 总是不规则的。 多晶体：实际上由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 对于单晶体， 由于各个方向上原子排列不同， 导致各个方向上的性能不同， 即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而 就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能， 不具备“各向异性”的特点。 单晶体 多晶体 图 1- 7 单晶体与
16、多晶体示意图 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 （二）晶体缺陷 随着科学技术的发展， 人们发现， 在金属中还存在着各种各样的晶体缺陷， 按其几何形式的特点分为如下三类： 1.点缺陷 即原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。 晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。 图 1- 8 点缺陷示意图 当晶格中某些原子由于某种原因， （如热振动等） 脱离其晶格结点而转移到 晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从 而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 2.线缺陷 即原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在
17、其余两个方向 上的尺寸很小。如位错。 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 1 - 图 1- 9 线缺陷示意图 由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图 1- 9 为一种 最简单的位错“刃型位错” 。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多 余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错” 。 实际晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。 （位错密度 ：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上位错线的根数， 单
18、位 cm- 2）位错线附近的原子偏离了平衡位置，使晶格发生了畸变，对晶体的 性能有显著的影响。 大量的实验和理论研究表明， 晶体的强度和位错密度有如图 1- 10 的对应关 系，可见，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很低；相反在晶体中位错密度 很高时，其强度很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能 满足使用上的要求，而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提 高，这为材料强度的提高提供途径。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 2 - 图 1- 10 金属强度与位错密度的关系 3.面缺陷 即原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大
19、，而另一方向上的 尺寸很小，如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷，显然在晶界处原 子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则 的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙，这样晶界及亚晶界愈多，晶格 畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。 图 1- 11 面缺陷示意图 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 3 - 2 金属的结晶金属的结晶 一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则 称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过 程，称为金属的结晶
20、。 液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属无一定形状，易流动，原 子间的距离大，但在一定温度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程 排列”不同的“近程排列”。 1. 结晶时的过冷现象 各种纯金属如 Fe、Cu 等都有一定的结晶温度，Fe：1539，Cu：1083 等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体 的熔化速度相等时的温度。实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原 因在结晶的能量条件上。 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能 量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。 在图 1-12 中以自由能 F 代表体
21、系的能量，可 见，只有当固态金属的自由能低于液态金属 的自由能，即：体系自由能的变化F=F固F 液0 时，结晶过程才能自发进行，从温度坐 标上看，只有实际结晶温度 T1低于平衡结晶 温度 T0，结晶过程才能自 图 1- 12 液体和固体的自由能随温度的变化 发进行。 上述这种实际结晶温度 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 4 - 低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。 两者之间的温度差T 称为过冷度。 T=T0Tn， 过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关， 冷却速度愈大， 过冷度T 愈大。 2.实际结晶温度的测定：（冷却曲线） 金属的实际结晶温度可以用热
22、分析方法测定，具体做法： 先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却下来，同时每隔一定时间测一 次温度，并把记录的数据绘在温度时间坐标中，得到温度与时间的曲线，即 冷却曲线（图 1- 13）， 即是一条冷却曲线。 图 1- 13 纯金属冷却曲线 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到 T0温度时出现一平台，说明这 时虽然液体金属向外散热， 但其温度并没下降， 这是 由于在这一温度液体开始 结晶向外散热（结晶潜热），补偿了液体对外的热量散失，结晶终了后就 没有 结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度 又开始下降。 二、结晶过程的基本规律结晶过程的基本规律 1 形核和核长大 金属的结晶过程从微观的角度看，
23、当液体金属冷到实际结晶温度后，开始 从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体晶核，这种已形成的 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 5 - 晶核不断长大， 同时液态金属的其它部位也产生新的晶核， 新晶核又不断长大， 直到液态金属全部消失，结晶结束。 总之，液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。形核有自发 形核和非自发形核两种方式，自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产 生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核，是液态金属依附在一些未溶颗 粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，一 般条件下，液态金属结晶主要靠非
24、自发形核。 晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展。 2 影响晶核形成和长大的因素 晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、 硬度、塑性的韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。 影响晶粒大小的因素有哪些？ 形核率 N， 长大速度 G， 形核率 N 大， 而长大速度 G 相对小， 则晶粒愈细， 即 N 与 G 的比值大则晶粒细。 1）过冷度的影响 图 1- 14 过冷度对晶粒大小的影响 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 6 - 过冷度大，F 大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且 N 的增加 比 G 增加得快，提高了 N 与
25、 G 的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细 化不利，结晶发生困难。见图 1- 14。 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为 非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率， 细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 7 - 第二章第二章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 1 金属的塑性变形金属的塑性变形 一、塑性变形的概念一、塑性变形的概念 金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远 残留的那部分变形叫塑性变形。 生产中常利用塑性变形对金属
26、材料进行压力加工；金属的塑性变形可分为 冷塑性变形和热塑性变形两大章，在这章里我们主要讲金属的冷塑性变形。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 大家都知道实际金属材料都为多晶体，为了解多晶体金属材料的塑性变形 过程，不防先看一下单晶体是怎样发生塑性变形的。 金属单晶体的塑性变形有“滑移”与“孪生”等不同方式，但一般大多数 情况下都是以滑移方式进行的。下面我们具体看一下单晶体塑性变形的基本方 式滑移。 （一）滑移的表象： 发生了滑移的金属试样从表面上看是什么样？ 图 2- 1 滑移 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 8 - 如果将一个单晶体金属
27、试样表面抛光后，经过伸长变形，再在光学显微镜 下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条纹就是晶体在切应力的作用 下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方 向）滑移产生的台阶，这些条纹称为“滑移线”， 在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑移线群的集 合体，称为“滑移带”。同时还能看到滑移带在晶体上的分布是不均匀的。 所以说，单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。 因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带，其塑性变形就 是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现。 （二）滑移的机理： 前面分析已经知道，晶体的塑
28、性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。 但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑 动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原 子有力求达到到平衡的趋势。当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将垂直 于受力方向， 沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面， 形成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表 面所形成的台阶。 图 2- 2 滑移机理示意图 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 9 - （三）晶体的滑移面、滑移方向及滑移系： 前面的分析知道，晶体上的滑移带分布是不
29、均匀的，即塑性变形时，位错 只沿一定的晶面和一定的晶向移动，（并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的） ， 这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶向都是 晶体中的密排面和密排方向， 因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大， 其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。不同金属 的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这 个滑移面上的一个滑移方向组成一个“滑移系”，所以不同晶体结构的金属， 其滑移系的数目不同，如体心立方 12 个，面心立方 12 个，密排六方 12，且滑 移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好
30、，且滑移系 数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。 每种晶体中都有不止一个的滑移系，受力以后哪个滑移系先滑动呢？研究 表明，只有与外力接近 45取向的滑移系，才具有较大的切应力），这样的滑 移系在外力作用下易于优先产生滑移， 通常把这种处于有利的滑移位向称为 “软 取向”，反之，远离 45的滑移系称为“硬取向”。 （四）晶体在滑移过程中的转动 单晶体试样在拉伸实验时（如图 2-3），除了沿滑移面产生滑移外，晶体 还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移时， 试样两端的拉力不再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面 产生以外力方向为转向，趋向于与外
31、力平行的转动。 可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生变化，原来处于 软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难，这种现象称“取向硬化”；相 反，原来的硬向的滑移系，将逐步趋于软位向，易于滑移，称为“取向软化”。 可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是同时进行的。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 10 - 三、多晶体金属的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形 工程上使用的金属材料大多为位向、 形状、 大小不同的 晶粒组成的多晶体， 因此多晶体的变形是许多单晶体变形的 综合作用的结果。 多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生 两种方式进行的， 但
32、由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在 一起的， 晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响， 所以多晶 体的塑性变形较单晶体复杂。 多晶体金属的塑性变形与单晶体比较，并无本质的差 别， 即每个晶粒的塑性变形仍以滑移等方式进行。 但由于晶 界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故在多晶体中的塑性变形比单晶体复杂 得多。 1. 晶界和晶粒位向的影响 图 2- 4 拉伸试样变形示意图 有人利用仅由两个晶粒构成的试样来进行拉伸试验，经过变形后会出现明 显的所谓“竹节”现象（如图 2- 4），即试样在远离夹头和晶界的晶粒中部会 出现明显的缩颈，而在晶界附近则难以变形，说明晶界附近变形抗力大。 原因在于晶界附近为两晶粒
33、晶格位向的过渡之处，晶格排列紊乱，加之该 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 11 - 处的杂质原子也往往较多，也增大其晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动 的阻力较大，难以发生变形。 此外，不仅晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶格位向 的不同，也会增大其滑移抗力，因为其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围 不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生 变形。因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体。 可见，金属的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与金 属的晶粒度有关，即金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高。因为金
34、属的晶粒愈 细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形 的抗力也愈大。 此外，金属的晶粒愈细不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高，因为晶粒 愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多 的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的 过早产生和发展，因此，在工业上通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀 的晶粒，是目前提高金属材料性能的有效途径之一。 2. 多晶体金属的变形过程 多晶体金属在外力的作用下，处于软取向的晶粒优先产生滑移变形，处于 硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。由于晶界附近点 阵畸变和相邻晶
35、粒位向的差异，使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻 晶粒，致使位错在晶界处塞积，只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着 变形加大，晶界处塞积的位错数目不断增多，应力集中也逐渐提高。当应力集 中达到一定程度后，相邻晶粒中的位错便开始滑移，变形就从一批晶粒扩展到 另一批晶粒。同时，一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，其变 形愈来愈困难，另一批晶粒又从硬取向转动到软取向，参加滑移变形。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 12 - 所以，多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从 少量晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀
36、的变形逐步发展到 均匀的变形。 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化 大致可以分为如下四个方面。 （一）晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 经过塑性变形， 随着金属外形的变化， 其内部的晶粒形状也会发生相应的 变化，即随着金属外形的压扁或拉长，其内部晶粒的形状也会被压扁或拉长， 一般大致与金属外形的改变成比例，当变形量很大时，各晶粒将会被拉长成为 细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，此时，金属的性能将会具有明显的方向 性，如纵向的强度和塑性远大于横向等，这种组织通常叫做“纤维组织” 。 （二）
37、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细 碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，亚晶界的量便愈多，亚晶界又 是由刃型位错组成的位错墙，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也 随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密 度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性 和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。如图 2- 5。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 13 - 图 2- 5 含碳 0.3%的钢冷加工后 图 2- 6 冲压示意图 机械性能的变
38、化 金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程 中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提 高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来 提高钢丝的强度的。 （三）织构现象的产生 随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位 向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋 于大体一致，即出现了所谓“织构现象”。由于织构现象的出现会使金属的性 能发生怎样的变化呢？ 单晶体金属：晶格取向一致，各个晶面和晶向上的原子排列不尽相同，使 得沿各不同排列的晶面和晶向上的晶体性能不同，具有“各向
39、异性”的特点。 多晶体金属：由许多不同取向的小晶体（晶粒）组成，虽然每个晶粒具有 “各向异性”的特点，但在整个多晶体的性能就是不同取向的晶粒性能的综合 表现，不具备“各向异性”的特点，各个方向上性能相同。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 14 - 由于织构现象的产生， 使多晶体金属出现了晶格取向趋于大体一致的现象， 导致出现各向异性的特点，这在大多数情况下都是不利的，而且变形织构甚至 在退火时也难以消除。 （四）残余内应力 在冷加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间 的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的
40、， 会引起零件尺寸不稳定，如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的 内应力使钢板发生翘曲等等。 此外， 残余内应力还会使金属的耐腐蚀性能降低， 所以金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除残余内应力。 2 回复与再结晶回复与再结晶 一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化 在冷变形金属中，由于晶粒破碎拉长及位错等晶格缺陷大量增加，使其内 能升高，处于不稳定的状态，故一旦对其进行加热造成一定的原子活动能力的 条件，就必然会发生一系列的组织和性能的变化。 通常将冷变形金属在加热时组织和性能的变化分为三个阶段 1 回复阶段 即在加热温度较低时，原
41、子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状 没有明显的变化，只是在晶粒内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因 此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电 阻率等性能显著降低。 因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低 内应力改善其它的物理性能的场合。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 15 - 比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余 内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。 2 再结晶 通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变 形金属
42、的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。当它被加 热到转高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从 破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。 和变形前的晶粒形状相似， 晶格类型相同， 把这一阶段称为“再结晶”。 再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的，首先在变形晶粒的晶 界处或变形最强烈的晶粒中的滑移带上形成晶核，然后通过晶核逐渐长大，变 形晶粒消失，再结晶过程结束。 再结晶过程中，随着温度升高，金属的显微组织不断变化，因而其性能也 发生相应变化，硬度降低，塑性、韧性升高。再结晶结束后，金属中内应力全 部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前
43、的数值， 消除了加工硬化。 所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中， 使其硬度降低，塑性提高，便于进一步加工。 3 晶粒长大 再结晶结束后，若在继续升高温度或延长加热时间，便会出现大晶粒吞并 小晶粒的现象，即晶粒长大，晶粒长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、 韧性下降。且塑性与韧性下降的更明显。 为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得细晶粒，有必要了解影响再结 晶晶粒大小的因素。 二、影响再结晶粒大小的因素二、影响再结晶粒大小的因素 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 16 - 影响因素主要有：变形度、加热温度和时间、成分、杂质、原始的晶粒
44、度 等。这里重点讨论加热温度和变形度的影响。 1 变形度影响 当变形量很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故加热时无再 结晶现象，晶粒度仍保持原来的大小，当变形度达到某一临界值时，由于此时 金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞 并长大，因而再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，当变形度大于 临界变形度时，随变形量的增加，越来越多的晶粒发生了变形，变形愈趋均匀， 晶格畸变大，再结晶的晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细，可见冷压加工应注意 避免在临界变形度范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。 图 2- 7 变形度对晶粒大小的影响 2 退火温度的影响 再结晶是
45、在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发生再结晶；若温度 过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细小的再结晶晶粒，必须在一个合适的 温度范围内进行加热。 实验表明，每种金属都有一最低的再结晶温度，T再，它和熔点之间存在如 下大致关系： T再=0.4T熔 T：热力学温度 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 17 - 再结晶退火温度必须在 T再以上， 生产上实际使用的再结晶温度通常是比 T 再高 150250，这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。 将这两个影响因素画在立体坐标中，得到一“再结晶全图”，便可以根据 它来确定再结晶退火的工艺参数。 三、热加工对金
46、属组织和性能的影响三、热加工对金属组织和性能的影响 热加工：将金属加热到再结晶强度以上一定强度进行压力加工。 在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶软化两个过程。 再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，高于再结晶温度的压力加工是热 加工，低于再结晶温度的压力加工是冷加工。比如，钢的再结晶温度一般是 600700， 在 500对钢进行压力加工为冷加工， 而铅和锡的再结晶温度在 0 以下，所以在室温的压力加工便是热加工。 热加工也会使钢的组织和性能发生很大的变化： （1） 通过热加工， 可使铸态金属中的气孔焊合， 从而使其致密度得以提高。 （2） 通过热加工， 可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎， 从而
47、使晶粒细化， 机械性能提高。 （3） 通过热加工， 可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变， 使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热加工“纤维组织”（流线），使纵向 的强度、塑性和韧性显著大于横向。且如果合理利用热加工流线，尽量使流线 与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直， 可提高零件使用寿命。可见通过热加工可使铸态金属的组织和性能得到一系列 重大的改善。因此工业上凡受力复杂，负荷较大的重要工件大多数要经过热加 工的方式来制造。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 18 - 但是也一定要注意热加工的工艺，工艺不当会带来不利的影响，如加工的 温度过高，晶粒粗大，若温度过低，引起加工硬化残余内应力等，还会形成带 状组织使性能变坏。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 - 19 - 第三章第三章 合金的结构与二元状态图合