第2章 材料结构与变形

第二章材料结构与变形材料的性能与其组成元素、内部结构密切相关。

2.1 金属结构与结晶

固态的物质按其原子的聚集状态可以分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子按一定的几何规律作周期性地排列，称为有序排列。 晶体有固定的熔点和凝固点，

晶体的性能呈各向异性。

金属材料绝大多数是晶体。

2.1.1金属常见晶体结构 大多数金属都属于下

述三种晶格类型。

(1)体心立方晶格

属于体心立方晶格的

金属有 -Fe(912 ℃

以下的纯铁) Cr,W,V

等二十余种。

体心立方B ody C entered C ubic

BCC

属于体心立方晶格

的金属有 -Fe(912

℃以下的纯铁)

Cr,W,V等二十余种。

(2)面心立方晶格

F ace C entered C ubic FCC

属于面心立方晶格的

金属有γ-Fe(912

℃～1390℃之间的

纯铁)Al、Cu、Ni、

Au、Ag、Pb等二十

余种。

(3)密排六方晶格

H exagonal-c lose-p acked

HCP

属于密排六方晶

格的金属有Mg、

Zn、Be、Ti、Cd、

等近三十种。

不同类型晶格的金属具有不同的性能。

如塑性：面心立方晶格最好，密排六方晶格最差，体心立方晶格介于二者中间。

单晶体single crystal 同一晶体中晶格类

型与空间位向排列

完全一致的称为单

晶体。

单晶体各向异性。

单晶体

同一晶体中晶格类型与空间位向排列完全一致的称为单晶体。

在单晶体中，由于存在着晶面或晶格上原子密度的不同，因而其各方向的物理、化学、力学性能也不相同。

这种单晶体因方向不同而引起性能差异的现象称为各向异性。

多晶体

实际使用的金属材料大多都是由许多晶格位向不同的小晶体构成的，称为多晶体。 每一个小晶体称为一个晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。

多晶体金属虽然每个晶粒都是各向异性的，但由于各个晶粒的位向不同，故各个晶粒的各向异性现象互相抵消，多晶体金属显示各向同性(又称伪各向同性)。 图2-3 多体结构 图2-3多晶体

2.1.2 金属的晶体缺陷及其对性能的

影响

在金属的实际晶体结构中，由于多种因素的影响而存在各种缺陷。这些缺陷会使金属的物理、化学、力学性能产生变化，其中最重要的是造成金属的强化。

1.点缺陷 最常见的点缺陷是晶格空位、间隙原子、置换原子。

间隙原子的存在会产生膨胀型晶格畸变。置换原子是异类原子替代了正常晶格上的原子，也会引起晶格的畸形变化。扭曲畸变会引起金属晶体性能的变化，一般来讲，会对金属原子的相对移动，金属的塑性变形起阻碍作用，从而引起金属的强度硬度提高。

2.线缺陷 线缺陷是指在两个方向上尺寸很小，在另一方向上尺寸较大的缺陷。也就是指各种类型的位错。在晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排现象称为位错。

3.面缺陷 最常见的面缺陷为晶界与亚晶界。晶界实际上是位向不同的晶粒之间的过渡层，晶界处原子排列不规则，晶格处于畸变状态。

2.1.3 金属的结晶与同素异构转变

1．金属的结晶及过冷现象

在时间-温度坐标图中，画

出金属冷却过程的曲线，

称为冷却曲线。 图2-7 纯金属的冷却曲线

T 0 T n

温度 时间

由冷却曲线可知，液态金属随时间的增长温度不断下降，当降至某一温度时出现了一个平台，这个温度是金属的实际结晶温度Tn。因为在该温度时，金属液已开始结晶，结晶时放出的结晶潜热与冷却时向外界散失的热量相平衡，所以温度保持不变。结晶完毕后温度仍随时间的增长不断下降。

每种纯金属都有一定的平衡结晶温度(或理论结晶温度)T 0。实际金属凝固时只有冷却到低于T 0的某一温度T n 时，结晶过程才能有效地进行。这种实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象叫过冷现象。过冷是结晶的必要条件。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。即△T=T o -T n 。

实际结晶温度和过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大。

纯金属的结晶是一

个恒温过程，但对

于大多数合金来说，

它们的结晶过程却

是一个温度区间。 图2-7 纯金属的冷却曲线

T 0 T n 温度 纯金属 合金

2．金属的结晶过程

金属的结晶过程由晶核形成和长大两个基本过程组成。

液态金属中总是存在着许多类似于晶体原子有规则排列的小集团，当温度降至理论结晶温度以下时，大于一定尺寸的原子团才会稳定下来，首先在液态金属中形成一些极小的晶体作为结晶核心，称为晶核。

晶核形成后即不断吸附周围液体中原子。使它们按一定的排列规律附着在这些晶核上。与此同时，在液态金属中又不断产生新的晶核，新晶核又不断长大。直到液态金属全部消失为止。每个晶核长大后即成为一个晶粒，同时相邻晶粒之间自然形成了晶界。

晶核长大初期的外形是比较规则的，但当晶体棱角形成后，因棱角处的散热条件优于其他部位，故得到优先生长。生长方式象树枝一样，先长出枝干(或称一次晶轴)，然后再长出分枝(或称二次晶轴)。依此类推，直至最后

图2-9 枝晶长大方式示意图

3．晶粒度及其控制

晶粒度即是晶粒大小的等级，常用单位体积内晶粒数目表示。晶粒的大小对金属材料的性能有着重要影响。一般情况下，晶粒越细小，其强度越高、塑性及韧性越好。