机械工程材料与热处理 第3版 模块2 分析金属的晶体结构与塑性变形.pptx

;分析金属的晶体结构

;;工业上常用的金属中，除少数具有复杂晶体结构外，室温下有85%~90%金属的晶体结构都属于比较简单的三种类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心，如图2示。

属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-铁（α-Fe）等金属。;晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心，如图3所示。

属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-铁（γ-Fe）等金属。;晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，如图4所示。

属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）及锌（Zn）等。;金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，如图5a。

单晶体在自然界几乎不存在，但可用人工方法制成某些单晶体（如单晶硅、冰糖）。

实际金属材料都是多晶体，由许多不规则的、颗粒状的小晶体（称为晶粒）组成，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，每个晶粒内部的晶格位向是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，如图5b所示。;;;;;;;探究合金的相结构;;如图所示，图中“●”代表溶质原子，“○”代表溶剂原子。

溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图a所示。

溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图b所示。;如图所示，无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶体的晶格发生畸变。

晶格畸变使位错运动阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，但塑性下降，此现象称为固溶强化。

固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。

例如在低合金钢中利用Mn、Si等元素来强化铁素体。;是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相。

其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。

其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大，

例如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。

当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。;

当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。

组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

混合物中的各组成相既不溶解，也不化合，它们仍然保持各自的晶格结构。

其力学性能取决于各组成相的性能，并由其各自形状、大小、数量、及分布而定。它比单一的固溶体或金属化合物具有更高的综合性能。

通过调整混合物中各组成相的数量、大小、形态和分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变化，以满足工程上对材料的多种需求。;;;;;;;;是金属在再结晶温度以下的塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。;金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得趋于一致的位向，晶粒的形状也发生变化，通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性，形成的晶体结构称为形变结构。图为工业纯铁经不同程度冷塑性变形的显微组织。;冷塑性变形对金属的力学性能影响较大，容易发生加工硬化。此外，还会使金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性降低等。

金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化（形变强化）。此外，在金属内部还产生残余应力。一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸继续发生变化。随塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。

;加工硬化是强化金属的重要手段，尤其对不能用热处理强化的金属材料显得更为重要。此外，加工硬化还可使金属具有偶然的抗超载能力，一定程度上提高了构件