1、材料科学与工程（ MSE ）四要素,贯穿全课程的“纲”,第二章 工程材料的结构与性能控制,对材料内部结构的认识水平：宏观、微观。 广义的讲，它括了成分、相、组织、结构等概念,材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。,What? “组织结构”,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。 组织：用肉眼或显微镜的观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。,2.1 材料的结构(crystallography),一、理想晶体,1晶体与非晶体,晶体材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非
2、晶体材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。,(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性,区 别,2晶体结构的描述,.理想晶体实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规划排列。是完整的、无缺陷 原子在其平衡位置静止不动,晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。,空间规则排列的原子刚球模型晶格(crystal lattice)（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞( unit cell )（具有周期性最小组成单元，or能完全反映晶格特征的最小几何单元)。,. 理想晶体的晶
3、体学抽象,3晶胞的描述,晶体学参数：a,b,c, 晶格常数：a,b,c七个晶系：,晶格常数 ( lattice constant ),布拉菲空间点阵晶胞,晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。,晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。,确定方法: 设置坐标; 求投影坐标; 取最小整数。,晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。,晶面指数(indices of crystallographic plane): 用密勒(Miller)指数对晶格中 某一晶面进行标定。,确定
4、方法: 设置坐标; 求截距; 取倒数。,4三种典型的金属晶体晶胞(图),属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等,属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。,属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,1、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube,2、面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube,3、密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed,BCC
5、、FCC、HCP晶胞的重要参数,密排面与密排方向,110, (111) 111,(110) 底面, 底面上任意相邻原子的连线,二实际晶体,理想晶体+晶体缺陷实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各自同性,1晶体缺陷( crystal defect ) ：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。,a、 点缺陷( point defect )晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位( vacancy ) ： 晶格结点处无原子 置换原子( gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据间隙原子( sub
6、stitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙,间隙原子、置换原子示意图,晶格畸变,置换原子 引起的晶格畸变,空位引起的晶格畸变,B、 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ：二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排,刃型位错( screw dislocation )螺型位错 ( blade dislocation ),c、 面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域,晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小(一般12)的
7、小角度晶界。 表面（surface）等,区域：,Cu-Ni 合金中的亚结构,三、晶体中的扩散(自学、不做重点要求),扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象,1、概念,扩散热激活过程（以克服晶格约束）,2影响扩散的因素：,(1)温度 原子能量提高 （最主要因素）D=Doexp(-Q/RT）Do扩散系数(cm2/s), Q扩散激活能,(2)晶体结构 致密度小克服的能垒小扩散容易,(3)表面及晶体缺陷 晶格畸变高能态原子激活能小（体扩散的0.6-0.7） 扩散快100-1000倍,Do，Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构； 温度提高10-15度，D提高一倍。,四、纯金属的结晶及其组织
8、,1结晶与凝固的区别,凝固：LS S可以是非晶 物质由液态转变成固态的过程。结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 or物质中的原子由近程有序列向长有序排列的过程。一次结晶：LS晶态二次结晶：SS晶态近程有序长程有序,纯金属结晶时的冷却曲线,2. 过冷现象与过冷度,过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling )T = Tm T 过冷是结晶的必要条件。 Why?,结晶驱动力G0,自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能0 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能
9、,3结晶热力学,a 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定 b 当温度TTm时，FsFL, 固相稳定 c 当温度T=Tm时，Fs=FL, 平衡状态 Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度,液、固两相的自由能随温度变化示意图,过冷度：T=Tm-Tn, F用来克服界面能,实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才能结晶。,可见，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，Gv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。,结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过
10、冷度,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：,式中，负号表示由液态转变为固态自由能降低；Lm为熔化潜热; T = Tm-T, 称为过冷度(Undercooling)。,4、结晶的过程,结晶动力学,形核 长大,结晶过程,a.形核：自发形核、非自发形核,b.长大：平面长大、树枝状长大,树枝状长大,平面长大,5、晶粒尺寸的控制,（1）晶粒度 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。 形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。（2）过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提高 过冷度 T太高，D降低N降低、G降低
11、,（3）控制晶粒度的因素,提高过冷度过冷度 T，N，GN/G增大，晶粒细化变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等,2.2 合金的晶体结构和组织,一、合金相结构,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。,1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂 B：溶质,固溶体的分类,固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。,溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性
12、变形困难强度、硬度升高。,2、金属间化合物金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。熔点、硬度高、脆性大。机械混合物单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物不是一种单一相,二、合金相图概述,1、相图：描述平衡条件下，相和相变与温度、成份、压力之间的关系图称为相图平衡图。,2、相图的建立,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni,三、二元合金相图（重点）,1、匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系匀晶相图（L），Cu-Ni，
13、Fe-Cr,Au-Ag,（1）相图分析 点：凝固点 线：液相线 固相线 区：L L+（2）匀晶转变的结晶过程：LL+a a,(3)匀晶转变的特点a.形核、长大 ，树枝状长大 b.变温过程 c.两相区内，温度一定，两相成分确定 d.两相区内，温度一定，两相相对量一定,QL% ab = Qa % bc,杠杆定律,证明：Q合金，其Ni含量b%，T1温度时：L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%；,Q合金% b%=QL% a%+Qa % c%,又因为：Q合金=QL+Qa 所以（QL+Qa ）% b%=QL% a%+Qa % c%,e. 枝晶偏析,冷速快原子扩散不充分成分不均。,扩散退火消除,2、共晶转
14、变：,两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu,（1）相图分析,三个单相区： L、（、是有限固溶体） 共晶点：d 共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出C、e 。液相线 adb 固相线 acdeb 共晶反应线 cde 溶解度线：cf，eg T过饱和固溶体析出另一相脱溶转变,f,g,（2）典型合金的结晶过程,合金I：,相组成物：, 组织组成物：,II,析出,合金II：（ 共晶合金）Ld a c+ e,室温下： 相组成物，,组织组成物： （+）共晶体 （+）%=100%,合金III：（ 亚共晶合金）,L-
15、L+a初-L+a初+（ ac+e)- a初+（ ac+e) -a +II+（ a+）,亚共晶合金组织,f,g,组织标注相图,四、合金性能与相图的关系,1、合金的使用性能与相图的关系,溶质元素晶格畸变大强度、硬度，（50%最大）复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HBa * a% + HB * %对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）,1、合金的使用性能与相图的关系,2、合金的工艺性能,a. 铸造性能
16、液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。b.锻造、轧制性能单相固溶体合金 单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好,2、合金的工艺性能,2.3 金属的塑性变形,本节要点 塑性变形（滑移变形）的微观机制？ 金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点？ 塑性变形对金属组织、性能的影响（特别是加工硬化）？,学习思路,以：,化学成分组织结构性能应用,加工工艺,为纲，加深理解
17、本章内容,一、静载单向静拉伸应力应变曲线(低碳钢 ),四阶段,简单回顾,一 、 金属材料的塑性变形,变形是工程材料在外力作用下会发生的最基本的失效方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两种。抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。,塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。,(一）、单晶体的塑性变形,单晶体变形规律：滑移晶体学,多晶的变形是各个晶粒的变形的总和。,（A）塑性变形方式：滑移,. 塑性变形方式滑移和孪生,在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分
18、沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动,外力P在滑移面上的分解,正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断； 切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。,Why? 滑移面（方向）最大密排面（晶向）,自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！,滑移系：滑移面和该面上的一个滑移方向,金属三种常见晶格的滑移系,Why?,体心立方（-Fe）和面心立方金属（Cu、Al）滑移系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能力更好?,Then， 晶体的滑移就是晶体滑移面两侧部分作整体的相对移动（刚性移动）？,How?,滑移的位错机制 位错
19、滑移塑性变形,How?,切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。大量位错（原子距）移出晶体滑移线（1000原子距）滑移带,滑移的位错机制：,晶体的滑移是通过位错在滑移面上的动动来实现的，而勿需使晶体的两部分作整体相对移动。,滑移的实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值）,自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！,滑移系数目，材料塑性； 滑移方向，材料塑性,（滑移方向的作用大于滑移面的作用） FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个； FCC的滑移方向多于BCC。 金属塑性： Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（
20、HCP）。,晶体的一切分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。,（B）塑性变形方式 ：孪生,为什么发生孪生变形？ 何种情况下才易发生？,特点： 均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。 临界分切应力滑移分切应力； 形变量很小； 形变速度快，接近声速。,孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：,. FCC金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。 . BCC金属仅在室温或受冲击时发生。 . HCP金属较容易发生孪
21、生。,(C）滑移和孪生,滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。 孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生 滑移原子移动的相对位移是原子间距的整数值不引起晶格位向的变化；孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值孪晶晶格位向改变促进滑移 孪生产生的塑性变形量小（滑移变形量的10）， 但引起的晶格畸变大。,(二）、实际金属（多晶）的塑性变形,主要影响因素：晶界、晶粒和位向,（A）晶界： .滑移的主要障碍：原子混乱排列区，较不规则缺陷、杂质集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。,.协调变形：晶界自身变形以维持相邻晶粒变形保持连续。 位错塞
22、积位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来。,（B）晶粒,. Hall-Pitch关系：s=0+Kyd-1/2 .细晶强化：晶粒细化强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度 晶粒小晶界面积大变形抗力大强度大 晶粒小单位体积晶粒多变形分散相邻晶粒不同滑移系相互协调 晶粒小晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较大的塑性变形,细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！,二、塑性变形对金属组织与性能的影响,(一）冷塑性变形对金属组织性能的影响,晶粒形貌及结构变化,晶粒拉长，纤维组织各同异性,a.纤维组织（组织）,b. 亚结构形成（晶内结构变化）,形变 位错密度（ -）位错缠结 胞壁亚晶,钢的纤维组织（变形度8
23、0%,滑移中晶体的转动,滑移面转向与外加应力方向一致,滑移方向转向与最大分切应力方向一致,织构择优取向（组织）,择优取向变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。,形变织构金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。,. 加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）（性能）,加工硬化金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降,加工硬化机理,1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要； 2）冷加工成形得以顺利进行； 3）金属具有较好的变形强
24、化能力，具有防止短时超载断裂能力，保证构件安全性； 4）塑性，切削性能 不利：塑性变形困难中间退火消除,塑性变形位错移动位错大量增殖相互作用运动阻力加大变形抗力弹度、硬度、塑性、韧性,位错强化：位错密度强度、硬度,意义,4残余内应力（性能）,第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成； 第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均； 第三类内应力超微观，晶粒畸变（90%）。,去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。,重点掌握,1. 金属的塑性变形及其本质；单晶体的塑性变形(滑移、孪生的概念以及孪生与滑移的区别)； . 多晶体的塑性变形(晶界的作用、晶粒位向差的的影响)；细晶强化；多晶体
25、塑性变形的特点； 3. 冷塑性变形对金属组织、性能的影响：加工硬化的概念、实际意义；形变强化；残余内应力；织构。,(二）金属在加热的条件下的塑性变形：,基本要求,（ 1）熟悉金属塑性变形（以滑移为主）的特点及其微观机制； （ 2）掌握实际金属（多晶）的塑性变形特点； （ 3）了解塑性变形对金属组织与性能的影响，重点掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义； （ 4）前期了解二种金属材料强化的基本方式细晶强化、加工硬化。,1、塑性变形金属在加热时组织性能变化,2、回复、再结晶和晶粒长大,1）回复 原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低去应力退火。 驱动力：金属
26、变形储存能（晶格畸变能）,2）再结晶,新的形核一长大过程，无新相生成加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化等轴晶粒，强度大大下降 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度：纯金属 TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）,3）晶粒长大,性能恶化，特别是塑性明显下降。在工艺处理应注意防止产生。,影响再结晶晶粒度的因素,温度TD晶界迁移长大 预变形度,TR以上加工，不引起加工硬化提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶 ，树枝晶，流线分布,4）、热加工对金属组织性能的影响,表 3-1 塑性变形对金属组织和性能的影响
27、,重点掌握,1. 有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶体，三种常见的金属晶格。实际晶体的铁陷； 2. 合金相结构的基本类型：固溶体、化合物及混合物，以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。 3. 金属的变形及其本质； 4. 塑性变形对金属材料的的组织和性能的影响； 5. 经冷变形的金属，在加热时的组织和性能的变化； 6. 内应力的产生及危害。 7. 金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素； 8. 二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等； 9. 二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图； 10. 杠杆定律及其应用。,教学内容,2.1 金属的晶体结构和组织 2.2 合金的晶体结构和组织 2.3 塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能的影响,一般要求,1.晶格的致密度，晶体的各向异性； 2.金属中的扩散。 3.复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标 4.有关滑移和孪生的理论解释。 5.金属铸锭的组织特征及缺陷；6.形成稳定化合物的相图； 7.合金相图与性能的关系；,
