第二章金屬材料的基礎知識內(nèi)容

金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的

掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對材料的物理化學性能、力學性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學習做好理論知識的準備第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

晶體非晶體在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。所有固態(tài)金屬和合金都是晶體。2.1.1晶體和非晶體晶體不同方向上性能不同的性質(zhì)非晶體不同方向上性能相同的性質(zhì)2.1.2晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶格晶胞晶格常數(shù)晶面、晶向用一些幾何線條將晶體中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架各原子的中心就處在格架的幾個結(jié)點上，形成一個空間的幾何結(jié)構(gòu)1、晶格

晶胞：晶格中能反映晶格特征的最基本的幾何單元，稱為晶胞。晶胞的各邊尺寸a、b、c，即原子間距離，稱為晶格常數(shù)（或點陣常數(shù)）。單位為埃（厘米）。晶胞——最小的幾何單元——反映晶格特征——分析原子排列的規(guī)律在晶體學中，通常取晶胞角上某一結(jié)點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定正方向3、晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度和棱面夾角，用來表示晶胞的形狀和大小。晶面：晶體中，由原子組成的平面晶向：晶體中，由原子組成的直線

各種晶體的主要差別，就在于晶格形式和晶格常數(shù)的不同。晶向指數(shù)的確定方法1)以晶胞中的某原子為原點確定三維晶軸坐標系，通過原點作平行于所求晶向的直線。2)以相應的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點的三個坐標值。3)將所求坐標值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如[101]。具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為[uvw]晶面指數(shù)的確定方法1)選坐標，以晶格中某一原子為原點（注意不要把原點放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標的坐標軸。2)以相應的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標軸的截距。3)求三個截距值的倒數(shù)。4)將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)。

如圖所示形式為（hkl）晶胞中所含原子數(shù)原子半徑致密度（K），K=nv′/V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)v′為單個原子體積V為晶胞體積。

晶格常數(shù)的確定如上述，晶格是由一些最基本的幾何單元晶胞堆砌而成。工業(yè)上使用的幾十種金屬中，最常見的金屬晶格結(jié)構(gòu)有下面三種：體心立方:

CrVMoWα-Feδ-Feβ-Ti面心立方:

AlNiCuγ-Fe密排六方:

ZnMgBeα-Ti等2.1.3常見金屬的晶格類型

1－體心立方晶格(1)原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半徑。(4)晶胞所含原子數(shù)2個原子。(5)致密度68%。(6)具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、δ-Fe

、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。2－面心立方晶格(1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半徑。(4)晶胞所含原子數(shù)4個原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等3－密排六方晶格(1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)(3)原子半徑(4)晶胞所含原子數(shù)6個原子。(5)致密度74%。(6)具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等2.1.4金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)晶體的基本概念金屬晶體的缺陷單晶體：晶格位向完全一致的晶體。單晶體是一塊以原子或原子團為單位沿著空間的前后、左右、上下三個方向整整齊齊地堆垛成的固體。（可以在實驗室生成）晶粒：由許多位向基本一致的晶胞組成，類似單晶體，稱為晶?；蛐【w。（晶粒在顯微鏡下可以看到）多晶體：由許多取向不同的晶粒組成的一塊固體，多晶體中的每一個晶粒內(nèi)部都有嚴格的周期性，但是晶粒之間沒有周期性的聯(lián)系。晶界：相鄰晶粒的邊界,它是兩個位向不同晶粒之間的過渡區(qū).

一.單晶體與多晶體

金屬的結(jié)構(gòu)：工業(yè)用金屬是在凝固時產(chǎn)生大量的結(jié)晶核心，然后晶核長大，完成的結(jié)晶過程，它們由許多尺寸很小、位向不同的小晶體或晶粒組成，是多晶體。晶體由于內(nèi)在結(jié)構(gòu)不同而表現(xiàn)出：單晶體的各向異性：由于單晶體在不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子間的結(jié)合力大小不同，因而引起機械、物理、化學性能的差異。多晶體的各向同性：由于多晶體是由許多不同位向的晶粒組成，晶粒的各向異性被互相抵消，因而多晶體一般不顯示方向性，稱之為各向同性。二、晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷按缺陷幾何特征可分為三種1、點缺陷空位和間隙原子，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度增加。晶格空位間隙原子2、線缺陷——位錯位錯：晶體中有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排特征：一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短位錯密度：單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。ρ=SL/V類型：刃型位錯和螺旋位錯。刃型位錯

螺型位錯

位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如：冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是位錯密度增加的結(jié)果。3、面缺陷晶界（大角度晶界）、亞晶界（小角度晶界）處具有許多特殊性能。面缺陷：指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體面缺陷主要有晶界和亞晶界

第二節(jié)純金屬的結(jié)晶金屬結(jié)晶的條件金屬的結(jié)晶過程晶粒大小對金屬力學性能的影響細化晶粒的方法凝固與結(jié)晶的基本概念凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶：如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。或者說晶體的凝固過程叫結(jié)晶。熱分析法2.2.1純金屬的冷卻曲線與過冷現(xiàn)象差熱分析法原理To時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導致)T0：平衡結(jié)晶溫度（理論結(jié)晶溫度）

T1：純金屬的實際結(jié)晶溫度

純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線過冷度：ΔT=T0–T1

T0:金屬在無限緩慢冷卻條件下（平衡條件下）所測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度。ΔT：過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結(jié)晶的溫度就越低，即過冷度就越大。

實際結(jié)晶時，由于表面能等因素的影響，過冷度均大于零。2.2.2

純金屬的結(jié)晶過程是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。1、晶核的形成均勻形核自發(fā)形核(△T1)均勻形核非均勻形核是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過程。非均勻形核非自發(fā)形核(△T2<△T1)自發(fā)形核:△T1

非自發(fā)形核:△T2

金屬結(jié)晶過程示意圖晶核形成，晶核長大，同時存在，同時進行晶核的長大方式—樹枝狀當過冷度較大時，金屬晶體以樹枝狀方式長大。金屬的樹枝晶冰的樹枝晶金屬結(jié)晶后的顯微組織2.2.3晶粒大小對金屬力學性能的影響常溫下：細晶粒組織的金屬強度高、塑性和韌性好原因：1、晶粒越細，塑性變形就可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應力越小，承受更大變形；2、晶粒越細，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，裂紋越難傳播和擴展，強度和韌性就越好。細化晶粒對提高常溫下金屬的力學性能作用很大，是使金屬材料強化和韌化的有效途徑。2.2.4

細化晶粒的方法金屬結(jié)晶后，單位體積中晶粒的數(shù)目和大?。喝Q于形核率N[晶核形成數(shù)目（mm3.s）]和長大率G（mm/s）形核率N越大，長大率G越小，晶粒就越細小。細化晶粒：提高形核率，控制晶核長大率細化晶粒的方法：1、增加過冷度；2、進行變質(zhì)處理；3、附加振動過冷度的影響1、提高冷卻速度，增加過冷度V冷△TN晶粒細小2、進行變質(zhì)處理

1）變質(zhì)劑加入到液態(tài)金屬中時，它們或它們的氧化物會形成起非自發(fā)晶核作用的雜質(zhì)微粒，使形核率大大增加，細化晶粒。

2）變質(zhì)劑能附著在晶體前緣強烈阻礙晶粒長大，使得晶粒細化。3、附加振動

使得正在生長的晶體破碎而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率，從而細化晶粒。機械振動超聲波振動電磁攪拌等第三節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖2.3.1合金的相結(jié)構(gòu)純金屬具有良好的導電導熱性，但機械性能差，故工業(yè)上廣泛應用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C):σb=610MPa（正火態(tài)）性能工藝材料組織熱處理、塑性變形組織:

是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。

1、合金的基本概念相:

是指合金中具有同一化學成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，成分和性質(zhì)均一，并以界面相互分開的組成部分。也即是組元間由于物理的和化學的相互作用形成的。組元:組成合金的最基本獨立單元。一般是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物合金：一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

純金屬合金結(jié)晶過程：液固兩相共存（恒溫）結(jié)晶過程：液固兩相共存（變溫）

熔點以上：液相熔點以上：液相結(jié)晶完畢：單一固相

結(jié)晶完畢：組元發(fā)生相互作用化合物組元彼此均勻溶解固溶體固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。2、合金的相結(jié)構(gòu)（1）固溶體（一）定義：一種組元（溶質(zhì)）的原子溶入另一組元（溶劑）的晶格中形成的均勻固相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置不同分：（二）分類：2.間隙固溶體1.置換固溶體1）

置換固溶體

溶質(zhì)原子置換了部分溶劑晶格結(jié)點上某些原子而形成的固溶體。形成置換固溶體時，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。2）

間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。

形成條件：溶質(zhì)原子半徑較小而溶劑晶格間隙較大,一般當r溶質(zhì)/r溶劑≤0.59時，才能形成間隙固溶體。間隙固溶體置換固溶體（三）固溶體的特性1、僅保持溶劑的晶格類型。2、溶質(zhì)原子的溶入導致固溶體的晶格畸變而使金屬強度、硬度提高——即固溶強化，同時有較好的塑性和韌性。因此常作為結(jié)構(gòu)材料的基本相。

2、金屬化合物（一）定義

合金組元間發(fā)生相互作用而形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新的相結(jié)構(gòu)即為金屬化合物，或稱中間相。（二）性能

熔點高，硬度高，脆性大。在合金中一般為強化相：當它呈現(xiàn)細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度即耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。（三）分類（根據(jù)金屬間化合物的形成條件結(jié)構(gòu)特點分）

1）正常價化合物組元間形成的化合物分子式符合原子價規(guī)律，并且成分固定不變，此類化合物稱為正常價化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。

2）電子化合物

組元間形成化合物不遵守化合價規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物中價電子數(shù)于原子數(shù)之比），則此類化合物稱為電子化合物。此類化合物在許多有色金屬中作為重要的強化相。

3）間隙化合物

由過渡族元素(鐵、鉻、鉬、鎢、釩等)與原子半徑較小的非金屬元素（碳、氮、氫、硼等）形成的化合物稱為間隙化合物。包括間隙相和復雜間隙化合物兩種結(jié)構(gòu)。②復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。

①間隙相

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相（有點像間隙固溶體，但比例是確定的）。本節(jié)小結(jié)：工業(yè)上用純金屬、固溶體、金屬化合物組成合金的基本相，絕大多數(shù)合金的組織都是由固溶體和少量金屬化合物組成的混合物。組成混合物的各個相仍然保持各自的晶體結(jié)構(gòu)和性能。

因此，整個混合物的性能取決于構(gòu)成它的各個相的性能、數(shù)量、形狀、大小及分布狀況等。2.3.2二元合金相圖相圖：在平衡狀態(tài)下，合金成分、溫度和組織之間關(guān)系的圖形。又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。相圖測定方法熱分析法磁性分析法顯微分析法X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法等純金屬或特定比例的合金用冷卻曲線表示狀態(tài)；不確定比例的合金用相圖表示狀態(tài)。一、二元合金相圖的建立步驟（以銅鎳合金為例，熱分析法實驗測定）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金（I、II、III、…）2、用熱分析法測出各成分的合金冷卻曲線3、找出各冷卻曲線上的相變點4、將各個合金的相變點分別標注在溫度-成分坐標圖中相應的合金成分的垂線上5、連接各相同意義的相變點，所得的線稱為相界線（1）I、VI兩種材料是純銅、純鎳，都有一個平臺，結(jié)晶分

別在恒溫下進行（各有一個臨界點）（2）中間的四種材料都有兩個轉(zhuǎn)折點，結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間進行（兩個臨界點）。（3）將各臨界點描繪在溫度－成分坐標系中，得到相圖。二、二元勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時，所構(gòu)成的相圖1、相圖分析液相線—上方均為液相的線，液相區(qū)用符號L表示。固相線—下方均為固相的線，固相區(qū)用符號α(或β等)表示。液相線與固相線之間是液、固兩相區(qū)，用L+α。（A點為銅的熔點，B點為鎳的熔點）以圖中K點成分合金為例分析合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點溫度時，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體；隨著溫度的下降，α相增多，而L相減少；至2點時，結(jié)晶過程結(jié)束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?、合金結(jié)晶過程分析注：在結(jié)晶過程中，合金處于L+α區(qū)時，液體和固體的成分隨溫度的變化而變化：液相成分隨液相線變化，固相成分隨固相線變化。所以固體按結(jié)晶的時間先后，其成分有所不同。例：K點成分的合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至3點時，其液相部分具有3’點的成分，而固相部分具有3”點的成分。液相與固相的平均成分才是K點的成分。3、枝晶偏析晶內(nèi)偏析：實際生產(chǎn)時，在結(jié)晶過程中：冷卻速度較快——固態(tài)下原子擴散困難——固溶體內(nèi)原子擴散來不及充分進行——先結(jié)晶的固溶體含高熔點的組元較多，后結(jié)晶的固溶體含低熔點的組元較多——在一個晶粒內(nèi)部化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。枝晶偏析：

固溶體的結(jié)晶一般按樹枝狀方式長大，這就使得先結(jié)晶的枝干部分和后結(jié)晶的枝間部分成分不同，這種晶內(nèi)偏析呈現(xiàn)樹枝分布。枝晶偏析會降低合金的力學性能和加工工藝性能?。∫虼?，在生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經(jīng)長時間保溫，使原子進行充分擴散，以達到成分均勻化的目的，這種熱處理方法稱為均勻化退火。共晶反應：是指冷卻時由液相同時結(jié)晶出兩個固相的混合物的反應。二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生共晶反應所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶體：共晶反應的產(chǎn)物叫共晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織叫共晶組織。二元共晶相圖三、共晶相圖圖2-33標明組織組分的Pb-Sn合金相圖1、相圖分析（1）共晶點

C點－－α相＋β相（2）共晶線DCE線－－LC→αD+βE（3）固溶線（固溶體脫溶線）DF、EG線

α固溶體隨著溫度的下降，其溶解Sn的溶解度也不斷下降，圖中DF線即為α固溶體的固溶線。同樣EG線即為β固溶體的固溶線。

α固溶體析出（脫溶）產(chǎn)物是β相，稱為二次β相（βII）

β固溶體析出（脫溶）產(chǎn)物是α相，稱為二次α相（αII）恒溫2、結(jié)晶過程分析：（1）共晶成分的合金合金II（C點成分的合金）是具有共晶成分的合金。在冷卻過程中經(jīng)過C點時發(fā)生共晶反應，生成共晶體（α+β是一個整體）。

L→(α+β)(2)亞共晶成分的合金D、C點之間成分的合金，稱為亞共晶合金。如圖合金III，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結(jié)晶出α相；經(jīng)過2點時，剩余液相按D點生成α相及按C點生成共晶體α+β；繼續(xù)冷卻α相還會脫溶出βⅡ相。CL→L+α→α

＋(α+β)→α＋(α+β)＋βⅡ即合金III的室溫組織為α＋(α+β)＋βⅡ122以下(3)過共晶成分的合金C、E點之間成分的合金，稱為過共晶合金。如圖合金IV，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結(jié)晶出β相；經(jīng)過2點，剩余液相按C點生成共晶體α+β及按E點生成β相；在繼續(xù)冷卻時β相脫溶出αⅡ相，最終組織為β＋(α+β)＋αⅡ。L→L+β→β＋(α+β)→β＋(α+β)＋αⅡ（4）無共晶反應的合金D點左側(cè)和E點右側(cè)的合金在冷卻過程中不會發(fā)生共晶反應。如圖合金I冷卻至1點時結(jié)晶出α相,經(jīng)過2點時全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?經(jīng)過3點時,開始脫溶出βⅡ相，即L→L+α→α

→α＋

βⅡ122以下123

同理，E點右側(cè)的合金在冷卻過程中也會有β相和αⅡ相生成。最終組織為β＋αⅡ具有共析反應的相圖自某種均勻一致的固相(如γ)

中同時析出兩種化學成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相(α和β)的轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應。水平線稱為共析線。共析體：共析反應的產(chǎn)物稱為共析體。共析組織：共析體的顯微組織稱為共析組織。四、合金力學性能與相圖的關(guān)系（1）當合金形成單相固溶體（勻晶）時：合金的性能與組成元素的性質(zhì)、溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān)。溶質(zhì)的溶入量越多，則合金的強度、硬度愈高，并在某一成份下達到最大或最低值。1）合金的力學性能與相圖的關(guān)系（2）當合金為復相混合物具有共晶反應合金的性能變化規(guī)律普通混合物：合金性能隨合金的化學成分而改變，在兩相性能之間呈直線變化，為兩相性能的算術(shù)平均值機械混合物（共晶和共析）：合金的性能還與組織的細密程度有關(guān)，組織越細密，其強度、硬度均顯著提高，且偏離直線關(guān)系。2）合金的工藝性能與相圖的關(guān)系鑄造性能a.純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好b.相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。c.相圖中液相線和固相線之間距離越大時，形成枝晶偏析的傾向性大，降低其流動性，增多分散縮孔。加工性能a.單相固溶體合金具有較好的塑性，變形抗力小，變形較均勻，故壓力加工性能良好，但切削加工性能差。b.兩相混合物合金的塑性不如單相固溶體合金好，但切削加工性能較單相固溶體好。熱脆：合金中含有低熔點共晶組織時，在加熱過程中，低熔點共晶將被熔化，并沿晶界分布，故在熱壓加工時發(fā)生斷裂。2.4金屬的冷、熱加工及再結(jié)晶目的：獲得需要的形狀和尺寸方法：軋制、鍛造、擠壓、沖壓、拉拔等壓力加工方法壓力加工塑性變形組織和性能改變加熱、回復、再結(jié)晶2.4.1金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形方式二、多晶體的塑性變形三、多晶體的塑性變形的影響因素四、塑性變形后金屬的組織與性能2.4.1金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形方式：滑移和孿生（一）滑移：晶體的兩個部分之間沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移向）發(fā)生的相對移動。如圖：當金屬晶體受到外力F作用時，均可將總的應力σF分解成垂至于某一滑移面的正應力σ和平行于此面的切應力τ。單晶體的滑移1、滑移原理（1）正應力σ作用下，試樣發(fā)生彈性伸長并在σ足夠大時發(fā)生斷裂。切應力τ能使試樣發(fā)生彈性歪扭，當τ增大到一定值時，則一定晶面兩側(cè)的兩部分晶體產(chǎn)生相對移動。（2）當除去外力，晶格的彈性歪扭隨之消失，而滑移到新位置的原子已經(jīng)不能回到原來地位置，在新的位置上處于平衡狀態(tài)。（3）以上原因使得晶體產(chǎn)生微量的塑性變形，許多晶面滑移的總和，就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。圖2-37晶體在切應力作用下的變形a.未變形b.彈性變形c.彈塑性變形d.塑性變形圖2-38通過位錯運動實現(xiàn)滑移的示意圖刃型位錯在切應力的作用下由滑移面上的位錯運動逐步實現(xiàn)的。如上圖所示，刃型位錯在切應力的作用下由滑移面的一端運動到另一端，從而造成的一個原子間距的滑移過程。晶體在外力作用下不斷增殖新的位錯，大量的位錯移出晶體表面就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。（二）孿生：晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）進行剪切變形的現(xiàn)象。孿生帶：剪切變形的部分孿生帶的晶體位向與原來不一致，孿生所需的剪切應力要比滑移大得多，一般只有在滑移很難進行的場合才發(fā)生孿生變形。圖2-39孿生過程示意圖（密排六方金屬常以孿生方式變形；體心立方金屬只有在低溫拉伸或受到?jīng)_擊載荷時才發(fā)生孿生變形；面心立方金屬容易滑移變形一般不發(fā)生孿生變形。）二、多晶體的塑性變形實際金屬塑性變形的實質(zhì)

塑性變形的實質(zhì)就是：許多晶粒內(nèi)變形（滑移）的綜合效果，而晶粒間則產(chǎn)生滑動和轉(zhuǎn)動。

晶內(nèi)變形——晶粒內(nèi)部的滑移變形晶間變形——晶粒間的移動和轉(zhuǎn)動三、多晶體的塑性變形的影響因素（一）晶界及晶粒取向的影響1、晶界處原子排列紊亂，滑移抗力大。2、各個晶粒的位向不同，將使得各個晶粒的變形有先有后。但是，只有各個晶粒相互協(xié)調(diào)才能變形。（二）晶粒大小對變形的影響金屬晶粒越小，單位體積中的晶界面積越大，并且不同位向的晶粒越多，因而金屬的塑性變形抗力越大，金屬的強度也就越高。四、塑性變形后金屬的組織與性能（一）位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化加工硬化（冷作硬化）：金屬在變形后強度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。注：塑性變形主要是通過位錯實現(xiàn)的，主要是位錯密度增加。1．纖維組織金屬發(fā)生塑性變形時，金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀，這種結(jié)構(gòu)稱纖維組織。（二）冷塑性變形引起的各向異性1、形成纖維組織2、產(chǎn)生變形織構(gòu)鍛造比越大，纖維組織就越明顯。纖維組織具有各向異性的特點，使金屬材料平行于纖維方向的塑性、韌性提高，抗拉強度增加；垂直于纖維方向的塑性、韌性下降，但抗剪能力提高。纖維組織穩(wěn)定性很高，即使用熱處理也不能消除，只有通過鍛壓使金屬變形，才能改變纖維組織的方向和形狀。實際使用時，應使零件所受的最大拉應力與纖維方向一致，最大切應力與纖維方向垂直。2、變形織構(gòu)：晶粒位向有序化結(jié)構(gòu)。變形織構(gòu)是金屬拉拔或軋制過程的塑性變形使得金屬晶粒方向由原來的任意取向變成與拉拔或軋制方向一致（平行）的組織。變形織構(gòu)的出現(xiàn)也會導致材料呈現(xiàn)各向異性，材料在各個方向的機械性能不一樣。

（三）產(chǎn)生殘余內(nèi)應力

殘余內(nèi)應力——平衡于金屬內(nèi)部的應力，由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。金屬表層和心部變形不均勻－－宏觀內(nèi)應力；相鄰晶粒變形不均勻－－微觀內(nèi)應力；位錯等缺陷造成晶格畸變應力－－變形強化原因?！駳堄鄡?nèi)應力的危害

◆引起零件的變形甚至開裂。

◆降低耐蝕性●殘余內(nèi)應力的消除或降低

——去應力退火2.4.2變形金屬在加熱時組織和性能的變化金屬冷變形后：內(nèi)能升高（儲存能升高）處于不穩(wěn)定狀態(tài)并存在轉(zhuǎn)變趨勢低溫時轉(zhuǎn)變不易實現(xiàn)加熱可使變形金屬的組織與性能趨于穩(wěn)定溫度升高，變形金屬發(fā)生如下變化：回復→再結(jié)晶→晶粒長大保持加工硬化，消除內(nèi)應力。如冷卷彈簧進行去應力退火。

消除加工硬化，提高塑性。再結(jié)晶速度取決于加熱溫度和變形程度。再結(jié)晶是一個形核、長大過程。一、回復：T回=（0.25-0.3)T熔加熱溫度較低；原子活動能力不大；變形金屬的顯微組織不發(fā)生顯著變化；加工硬化后的強度和硬度基本不變，塑性回升；殘余內(nèi)應力基本消除。物理、化學性能基本恢復到變形前的情況。注：晶格畸變減少（位錯、空位減少等）。二、再結(jié)晶：T再=0.4T熔

加熱溫度較高；變形金屬顯微組織發(fā)生顯著變化；晶粒轉(zhuǎn)變成均勻細小的等軸晶粒；這一過程類似結(jié)晶過程，也是通過形核和長大的方式完成的，故稱為“再結(jié)晶”注：1、再結(jié)晶前后晶粒的晶格類型不變、化學成分不變，只改變晶粒形狀，因此再結(jié)晶不發(fā)生相變。2、再結(jié)晶不是在恒溫下進行的，而是在一定的溫度范圍進行。影響變形金屬再結(jié)晶的因素1、溫度

加熱溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度就越快，需要時間就短2、變形程度

變形越大，儲存能就多，再結(jié)晶驅(qū)動力就大，再結(jié)晶溫度就越低3、微量溶質(zhì)原子溶質(zhì)或雜質(zhì)原子與位錯、晶界存在交互作用，對位錯的運動和晶界的遷移起到阻礙作用，再結(jié)晶的溫度就要升高4、原始晶粒尺寸晶粒越細，變形抗力越大，冷變形后儲存能就越多，再結(jié)晶溫度越低。特點：經(jīng)過再結(jié)晶的金屬強度、硬度下降。塑性、韌性上升，所有性能回復到變形前的水平。再結(jié)晶溫度高低：主要決定于變形程度。變形程度越大，晶體的缺陷越多，組織就越不穩(wěn)定，再結(jié)晶溫度越低。圖2-42金屬再結(jié)晶溫度與其預變形程度的關(guān)系三、晶粒長大隨著溫度升高或保溫時間延長，晶粒會繼續(xù)長大，金屬晶界的總面積減少，金屬能量降低。（通過大晶粒吞并