第二章 工程材料的组织结构

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第二章工程材料的组织结构是什么因素影响材料的性能呢？如果掌握影响材料性能的因素，我们改变这些因素，不就能改变材料的性能了吗？那么，我们不就能更好的合理选材和使用材料了吗！实验研究表明，材料的性能主要取决于其化学成分和内部结构，材料的成分不同其性能也不同，同一成分的材料可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能。因此，研究机械工程材料的结构及组织状态，对于生产、加工、使用现有材料和发展新型材料均具有重要意义。§2-1纯金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固体物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是指其内部的原子按一定几何形状作有规则的周期性排列，如金刚石、石墨及固态金属与合金都是晶体。非晶体内部的原子无规则地排列在一起，如松香、沥青、玻璃等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。1、晶体结构的基本概念晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。（1）晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列的空间几何图形。晶格中直线的交点称为结点。（2）晶胞——能代表晶格特征的最小几何单元。（3）晶格常数——各种晶体由于其晶格类型与晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。2、常见金属的晶格类型（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列一个原子，立方体中心有一个原子。属于这种晶格类型的金属有α铁、Cr（铬）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）等。（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、Al（铝）、Cu（铜）、Ni（镍）、Au（金）、Ag（银）等。（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶点和上、下面中心各排列一个原子，六方柱体的中间还有三个原子。属这种晶格类型的金属有Mg（镁）、Zn（锌）、Be（铍）、α -Ti等。晶格类型不同，原子排列的致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）也不同。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。二、实际金属的晶体结构1、多晶体结构实际金属都是多晶体，即是由很多单晶体组成的，即使体积很小，其内部仍包含许多小晶体。晶粒：外形不规则的小晶体。晶界：多晶体材料中相邻晶粒的界面。实际金属是各向同性的。宏观组织：显微（或微观）组织：晶体的组织易随材料的成分及加工工艺而变化，是一个影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。2、晶体的缺陷实际的金属晶体结构不仅是多晶体，且原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。晶体缺陷：包括点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。（1）点缺陷晶格空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成空着的位置。间隙原子：在其它晶格空隙处出现多余原子而形成间隙原子。点缺陷的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围原子离开了原来的平衡位置而发生靠拢或撑开，因此明显可知发生歪曲，造成晶格畸变，使金属的强度和硬度提高，而间隔性和韧性降低。空位和间隙原子不是固定不变的。当空位周围的某个原子获得足够的振动能量时，它就会脱离原来的位置而进入空位，而在原来的位置上形成新的空位，这就是空位运动。同理，间隙原子也可以从这一间隙跑到另一间隙。这种空位或间隙原子的运动，是化学热处理时原子扩散的重要方式。图2-8金属强度与位错密度的关系（2）线缺陷 是指在晶体中呈线状分布（在一个方向上尺寸很大，另两个方向上尺寸很小）的缺陷，常见的线缺陷是各种类型的位错。位错：既是指在晶体中有一层或几层原子发生有规律的排错位置的缺陷。位错常见的有刃型位错和螺型位错，其中刃型位错是一种比较简单的位错。晶体中位错的数量可用位错的密度来表示。位错密度对材料性能的影响（特别是对力学性能的影响）比点缺陷要大，如图2-8所示。(3)面缺陷面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。多晶体中各相邻晶粒位向不同，所以晶界处实际是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层原子排列不规则，使明显可知处于歪扭畸变状态。每个晶粒内部晶格位向也不像理想那样完全一致,而是存在许多位向很小（一般2°～3°）尺寸也很小的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”（又称为嵌镶块或亚结构）。两相邻亚晶粒的界面称为“亚晶界”。亚晶界是由许多位错组成小角度晶界，其原子排列不规则，也产生晶格畸变。这种具有亚晶粒与亚晶界的组织称为亚组织。综上所述，实际晶体内部存在各种缺陷，在缺陷处及其附近，晶格均处于畸变状态，直接影响到金属的力学性能，使金属的强度、硬度有所提高。三、纯金属的结晶金属材料的生产一般都是要经过由液态到固态的凝固过程，如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。由于固态金属大都是晶体，所以金属凝固的过程通常也称为结晶过程，金属结晶后获得的原始组织称为铸态组织，它对金属的工艺性能及使用性能有直接影响。因此，了解金属从液态结晶为固体的基本规律是十分必要的。1、金属结晶的基本规律（1）冷却曲线与过冷度纯金属都有一个固定的熔点（或称结晶温度），因此纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。纯金属的结晶过程可用热分析等实验测绘的冷却曲线来描述。由冷却曲线1可知，金属液缓慢冷却时，随着热量向外散失，温度不断下降，当温度降到T0时，开始结晶。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了其冷却时向外散失的热量，故结晶过程中温度不变，即冷却曲线上出现了水平线段，水平线段所对应的温度称为理论结晶温度（T0）。在理论结晶温度T0 时，液体金属与其晶体处于平衡状态，这时液体中的原子结晶为晶体的速度与晶体上的原子溶入液体中的速度相等。结晶结束后，固态金属的温度继续下降，直到室温。在宏观上看，这时既不结晶也不溶化，晶体与液体处于平衡状态，只有温度低于理论结晶温度T0的某一温度时，才能有效地进行结晶。在实际生产中，金属结晶的冷却速度都很快。因此，金属液的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0。如图2-12曲线2所示。金属结晶时的这种现象称为过冷，两者温度之差称为过冷度，以ΔT表示，即ΔT=T0－T1。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，但同一金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而与其冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低。图2-12纯金属冷却曲线过冷是金属结晶的必要条件。（2）结晶的一般过程纯金属的结晶过程是晶核形成和核长大的过程。如下图示。金属液在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体（即晶核）。随着时间的推移，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核长大；与此同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到每个晶粒长大到相互接触，液体消失为止，得到了多晶体的金属结构。图2-13结晶过程示意图晶核的生成有两种方式：一种自发晶核，另一种非自发晶核。自发晶核：在一定过冷条件下，仅仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核。自发形核的条件：过冷度的增大。非自发晶核：金属原子依附于金属液中所存在的固态杂质微粒表面而形成的晶核。杂质具有非自发晶核作用的前提条件：其晶格结构和晶格参数与金属的相似和相当。自发形核与非自发形核同时存在于金属液中，但非自发形核往往比自发形核更重要，起优先和主导作用。晶核长大的实质：原子由液体向固体表面转移。 在晶核开始长大的初期，由于其内部原子规则排列，其外形大多较规则。但随着晶核的长大，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其它部位，因而得到优先成长，如树枝一样，先长出枝干，再长出分支，直至把晶间填满，这种长大方式叫“树枝状长大”。2、金属结晶后的晶粒大小（1）晶粒大小对金属力学性能的影响在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度就越高，塑性、韧性也越好。反之则力学性能差。因此，生产实践中总是希望使金属及其合金获得较细的晶粒组织。高温下工作的材料晶粒过大和过小都不好，一般细晶粒，高温易蠕变，易腐蚀，粗晶粒正好相反。在有些情况下希望晶粒越大越好，例如制造电动机和变压器的硅钢片。（2）晶粒大小的控制晶粒的大小主要取决于形核速率N（简称形核率）和长大速率G（简称长大率）。形核率：是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数。长大率：是指单位时间内晶核长大的线速度。凡是促进形核率，抑制长大率的因素，都能细化晶粒。生产中为细化晶粒，提高金属的力学性能，常采用以下方法：①提高冷却速度　增大过冷度可使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度越大。所以，控制金属结晶时的冷却速度就可以控制过冷度，从而控制晶粒的大小。②变质处理（孕育处理）　就是在浇注前，向液体中加入某种物质（称变质剂），促进非自发形核或抑制晶核的长大速度，从而细化晶粒的方法。例如，在铁水中加入硅铁、硅钙合金，未熔质点的增加使石墨变细；在浇注高锰钢时加入锰铁粉；向铝液中加入TiC、VC等作为脱氧剂，其氧化物可作为非自发晶核，使形核率增大；在铝硅铸造合金中加入钠盐，钠能附着在硅的表面，降低Si的长大速度，阻碍大片状硅晶体形成，使合金组织细化。这些都是变质处理在实际生产中的应用。在生产中，用快冷只适合较小的铸件。对于尺寸较大、形状较复杂的铸件，用快冷容易产生各种缺陷。生产中常采用变质处理的方法来细化晶粒。③附加振动　在金属液结晶过程中，也可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使正在长大的晶粒破碎，从而细化晶粒。