金属的晶体结构和塑性变形.pdf
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1、 第二章 金属的晶体结构和塑性变形 第二章 金属的晶体结构和塑性变形 2.1 金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 一切固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为两大类,晶体和非晶体。所谓晶体,系原子(或分子)在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体,而非晶体就不具备这一特点,这是两者的根本区别。所有固态金属和合金都是晶体。由于金属原子的价电子与核的结合,易于脱离,所以金属原子间采取如下特有的结合形式:原子都脱离其价电子变成正离子,正离子按照一定的几何形式规则地排列起来,在各个固定点上作轻微的振动:而所有价电子则都呈自由电子的形式在各个正离子间自由运动,为整个金属所公有,形成所谓“电子气”;
2、带负电的自由电子与带正电的金属正离子之间产生静电吸引力,使金属原子结合在一起。金属原子间的这种给合形式称为“金属键”(图 2.1)。图 2.2 双原子作用模型 图 2.1 金属键 因此,金属内原子都处在异号电荷的吸引力和同号电荷的排斥力的作用下.以相邻两原子为例,它们之间便有两种相互作用:一种是相互吸引作用,它来自金属正离子与周围电子气之间的静电吸引力,它促使原子彼此接近;另一种是相互排斥作用,它来自正离子与正离子之间和电子与电子之间的静电排斥力,它促使原子彼此离开。图 2.2 是双原子作用模型,表示了 A 原子对 B 原子的作用力和作用能随原子间距离 D 的变化。由图可知,当原子间距离过大时
3、,吸引力大于排斥力,原子互相吸引,自动靠近;当原子间距离过近时,排斥力大于吸引力,原子便互相排斥,自动离开。当原子间距离为 D 时,吸引力和排斥力恰好相等,原子既不会自动靠近,也不会自动离开,恰好处于平衡位置。这时,原子处于作用能曲线的谷底,势能最低,构成了晶体的稳定状态。事实上,在金属晶体中每个原子都被相邻后的原子包围着,每个原子都处于周围原子共同形成的势能谷中,而且能谷更深了。能谷的深浅反映出原子间结合的强弱,能谷越深,给合能越大,金属键越强。6 晶体内原子(离子)在空间的规则排列,称为空间点阵。为了便于描述晶体内原子排列的情况,常通过直线把各原子中心联结起来,构成一空间格子,即假想处于平
4、衡状态的各原子都位于该空间格子的各结点上,如图 2.3a 所示。这种描述原子排列形式的空间格子,简称晶格。晶体中各种方位的原子层,称为晶面。如图 2.3b 所示,晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元,称为晶胞。晶胞的各边尺寸a、b、c,即原子间距离,称为晶格常数(或点阵常数)。其度量单位为埃(,1=10-8厘米)。各种晶体的主要差别,就在于晶格形式和晶格常数的不同。图 2.3 晶格示意图 2.2 三种常见的晶格 2.2 三种常见的晶格 如上述,晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工业上使用的几十种金属中,最常见的金属晶格结构有下面三种:一、体心立方晶格一、体心立方晶格 体心立方晶格的晶
5、胞是一个立方体,棱边长度彼此相等,三轴互相垂直,八个顶角和中心各有一个原子(图 1.4)。立方体的对角面(ABCD)是原子紧密排列的面。属于体心立方晶格的金属有:Cr、W、V.Mo、a 一 Fe,一 Ti 等。二、面心立方晶格二、面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,棱边长度彼此相等,三轴互相垂直。它的特点是除立方体八个顶角各有一个原子外,六个面的中心还各有一个原子(图 1.5)。面心立方晶格原子紧密排列的面。是垂直于立方体空间的对角线的对角面(图 1.6,C)。在这密排面 C 的原子空隙中心堆积第二层 B 的原子,在第二层 B 的原子空隙中心堆积第一层 A 的原子,而第一层 A 的
6、原子中心和第三层 C 重复。以后的原子堆积又重复以上第一、二、三层的堆积方式。所以它的堆积方式为 ABCABC。属于面心立方晶格的金属有:Al、Ni、Cu、Fe 等。三、密排六方晶格 三、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是在六方柱体的十二个顶角上各有一个原子,7 图 2.4 体心立方晶格 图 2.5 面心立方晶格 图 1.6 面心立方晶格原子的排列 图 2.7 密排立方晶格 上下面的中心各有-个原子,在晶胞的中间层还有三个原子(图 2.7)。密排六方晶格有两个晶格常数,六方底面的边长 a 和上下面间的矩离 c。一般密排六方晶格的金属 c/a=1.571.64。密排六方晶格原子紧密排列的面是其底
7、面。以底面 A 作为第一层,在第一层的原子空隙中心,堆积第二层 B 的原子,第三层原子中心又和第一层原子中心重合,因而其堆积方程是 ABAB。属于密于六方晶格的金属有:Zn、Mg、Be、Ti 等。2.3 晶体指数和晶向指数 2.3 晶体指数和晶向指数 晶格中由原子组成的平而,叫晶面;由原子组成的直线,代表晶体空间内的一个方向,叫晶向。由于晶体在于不同的晶面晶向上,原子排列不同,原子的密度和原子问的结合力大小不同,因而引起机械、物理、化学性能的差异。田此,为了便于研究,有必要给晶面和晶向规定符号。表示晶面的符号,叫晶面指数;表示晶向的符号,叫晶向指数。一 立方晶格的晶面指数一 立方晶格的晶面指数
8、 立方晶格的晶面指数这样确定:1)以晶胞互相垂直的三棱边为坐标 X、Y、Z,坐标原点应位于欲确定的晶面之外,避免出现零截距;2)求出晶向在三坐标轴上的截距(以晶格常数 a 为截距的度量单位),如晶面与某一轴不相截交,则截距定为,表示在无限远处相交,如晶面与坐标轴的截距为负值,则在相应指数上方加一负号;3)分别取三轴截距的倒数,乘以分母的最小公倍数,化简为最小整数,依次写在圆括号内如(hhl),就表示为晶面指数(图 2.a)。晶面指数并非仅表示某一晶面,而是表示一组平行的晶面。凡是互相平行的晶面,具有同一晶面指数。同一晶胞中,有些晶面虽然空间位置不同,但具有相同的原子排列,则这些晶面属于同一晶面
9、族,如下表示:hkl。例如晶面族 包括晶面()、()、();晶面族 包括晶面()、()、()、()、()、()。8 图 2.8 立方晶格的晶面指数和晶向指数 二、立方晶格的晶向指数 二、立方晶格的晶向指数 立方晶格的晶向指数如下确定:1)在晶胞中取座标,把原点放在欲确定晶向的直线上,或自原点作一有向直线与待定晶向平行;2)在该直线上取距原点最近的原子,求出该原子在 X、Y、Z 三座标轴上的投影值(以晶格常数 a 为度量单位),如为负值,则在相应指数上方加一负号;3)把求得三值化简为最小整数,依次写在方括号内,如uvw,就表示为该方向的晶向指数(图 18b)。晶向指数所表示的不仅仅是某一条直线的
10、位向,而是一组平行线的位向。只要是同向而平行的晶向,都具有同一晶向指数。同一直线有相反的两个方向,其晶向指数的数字和顺序都相同,只是符号完全相反。同样,也存在着原子排列相同而空间位向不同的晶向族,以表示。如晶向族100包括晶向100、101、001;又如晶向族110包括晶向110、101、011、110、101、011。可以看出,在立方晶格中同指数的晶面和晶向互相垂直,如:100(100),110(110),111(111)。另外,如果uvw和(hkl)符合如下关系式,uh+vk+wl=0,则uvw|(hkl)。三、六方晶格的晶面指数和晶向指数 三、六方晶格的晶面指数和晶向指数 六方晶格晶面指
11、数的确定方法与立方晶格相似,只是所取座标轴不同。六方晶格取四个座标轴,其中 X1、X2、X3三轴位于晶胞的同一底面上,并互成 120,度量单位为晶格常数 a:另一轴垂直于晶胞底面,度量单位为另一晶格常数 c。晶面指数以(hkil)9 图 2.9 六方晶格的晶面指数、晶向指数 表示(图 2.9a)。六方晶格的晶向指数以uvtw表示。由于六方晶格中四个坐标轴的夹 角不同,平面上三个坐标夹角为 120,而轴与平面上三个轴夹角为 90,所以下宜用述在坐标釉上取投影值的办法,而需用分矢量法来确定晶向指效。例如图 2.9b 所示,底面上 OA 晶向为沿 X1、X2、X3轴的三个分矢量之和(图中虚线),所以
12、为0313231,化简后为0121。同理,OB 晶向为沿四个坐标轴上分矢量之和(图 2.9c 中虚线),所以为1313231,化简后为3121。还应指出,由于平面上一点有两个坐标轴就能确定,因此,六方晶格的晶面指数(hkil)中存在着 i=-(h+k)的关系,同样晶向指数(uvtw)也有 t=-(u+v)的关系。在用“分矢量法“确定六方晶格的晶向指数时,必须满足上述关系。另外,在立方晶格中判断一个晶向和一个晶面是否垂直或平行的关系式,在六方晶格中仍然适用。即指数相同的晶向和晶面必然互相垂 直例如0001(0001);又如果 hu+kv+it+lw=0,则uvtw|(kkil)。2.4 实际金属
13、的晶体结构 2.4 实际金属的晶体结构 由位向相同的一群同类晶胞聚合在一起,组成单晶体。单晶体由于不同晶面和晶向上原子的排列不同,因而引起机械物理、化学性能的不同,称为晶体的各向异性。目前已用人工方法获得某些金属的单晶体,尺寸之大足以制造力学性能试验用的试件,这在很大程度上为我们研究金属的塑性变形提供了方便 熔化的金属在凝固时产生大量的结晶核心,然后晶核长大,完成给晶过程。所以工业用金属是由许多尺寸很小位向不同的小晶体所组成,称为多晶体(图 2.10)。这些小晶体系由许多位向基本一致的晶胞组戊,类似单晶体,称为晶粒。晶粒在显微镜下可以看到。由于单晶体是由许多不同位向的晶粒组成,晶粒的各向异性被
14、互相抵消,因而多晶体一般不显示方向性。多晶体中各晶粒之间的过渡区,称为晶界。图 2.11 晶体中点缺陷 1-空位;2-间歇原子;3-异质 间歇原子;4-置换原子。图 2.10 多晶体 现代理论和实验方法研究指出,在实际金属的晶体中,原子并非闭定不动,而是以晶格结点-平衡位置为中心不停地作热运动;原子的规则排列由于种种原因受到干扰和破坏,并非象理想晶体那样绝对完整,而是存在着一系列的缺陷。实际金属晶休的缺陷按其几何形态有下列几种。一、点缺陷 一、点缺陷 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子。在晶体中,原子以平衡位置为中心振动着的。振动能量与温度有关系,温度愈高,能量愈大,而且每个原子的能量
15、也不完全相同,尤其当晶体受到热或辐射时,使某些原子在瞬时具有较高的能量,10 超出原子间的结合能,离开原来的平衡位置,进人晶格中原子间空隙,或跑到晶体表面去。前一种情况,晶格内产生空位,同时也产生了间隙原子(图 2.l1)。空位和间隙原子会使周围的原子偏离平衡位置,发生晶格的畸变。异质间隙原子大都是原子半径很小的原子,如钢小的碳、氮、氢、硼等原子,但仍比原子间隙大,同样会使周围晶格畸变。异质原子溶人晶体时,如占据原来基本原子的平衡位置,称为置换原子。由于置换原子的半径总比基体原子大些或小些,田此也使周围原子偏离平衡位置,造成晶格畸变。当空位周围的原子获得足够能量时,就有可能进人空位,使空位产生
16、移动。空位移向晶界或晶体表面,空位即消失。间隙原子也时能由一个位置移到另一个位置;也可能与空位相遇,二者同时消失。空位与间隙原子的迁移运动,是晶体中发生原子扩散的一种主要方武。而原子的扩散与金属的热处理、化学处理、蠕变、高温变形等过程密切相关。二、线缺陷 二、线缺陷 各种类型的位错是晶体中的线缺陷,也就是位错是长度范围内存在的体微观缺陷。位错最基本的形式有刃型位错和螺形位错。如图 2.12 所示,在一个晶体 图 2.12 刃型位错示意图 图 2.13 螺型位错示意图 图 2.14 内,有一个原子平面中断在晶体内部,这个半原子而象刀刃一样,使位于 ABC 面上下两部分晶体产生错排现象,称为刃型位
17、错。EF 线就是位错线。中断的半原了面在上部的称为正刃型位错,用符号“”表示;半原子面在下部的称负刃型位错用符号“”表示。另一种原子错排的形式如图 2.13 所示,在晶体中 BC 线的右边,晶体上下两部分原子发生了前后错动,错动了一个原子间距,使 BC 线和 aa线之间造成了上下层原子不正常的过渡地带,此过渡地带即为螺型位错。BC 线是螺型位错线。图 2.14 表示一个圆柱形 11晶体沿其轴向发生了一个螺型位错,使原来垂直于轴线的圆柱平面变成了螺旋面,这就形象地说明了为什么称为螺型位错。图 2.13、2.14 均为右旋螺型位错。如果原子错排区发生在 BC 线左边(参阅图 2.13),则形成左旋
18、螺型位错。上述两种位错在位错线附近,都发生晶格的畸变。晶体单位体积中所包含位错线的总长度,称为位错密度。退火的多晶体金属中位错密度为 106108厘米2,经过强烈冷变形后的金属中,位错密度可达 10111012厘米2。金属中位错密度越高,金属便难于变形,金属的强度也越高。三、面缺陷三、面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表面的缺陷。晶体外表面原于所处的环境与晶体内部的原子不同,原子只有一侧被内层原子包围,另一侧则暴露在其他质中。因此,表面原子所受的作用力不是均匀对称的,它们就会偏离平衡位置,处于能量较高的畸变状态。这样,晶体外表面就出现额外的自由能,即表面能。表面能与晶体结构有关:表面原子排
19、列得越紧密平整,表面能越低;表面曲率半径越小;表面能越高。这些特点对金属的结晶和固态相变有重要的作用。晶体内表面的缺陷主要有晶界、亚晶界等。晶界就是相邻晶粒的边界,它是两各位向不同晶粒之间的过渡区,实际上是由许多个位错、空位、夹杂等堆积而成。因而此处原子的排列规则性差。晶界层的厚度与相邻晶粒的位向差和金属纯度有关。位向差与愈大,金属杂质含量愈多,晶界层便愈厚。一般晶界层厚度从几个原子层到几百个原子层。晶界由于原子排列不规则等原因,晶格畸变较大,因而原子的平均能量较高,原子处于不稳定状态。较高的能量有自发向低能量状态转变的趋势。晶粒的长大和晶界的平直化,都能减小晶界的总面积,从而降低晶界总能。在
20、较高温度下,就会出现这一过程。由于晶界又有较高能量,所以金属中发生组织转变,首先从这里开始,即新相优先在晶界处形成;在晶界上原子的扩散也比晶内快。晶界对金属的塑性变形起阻碍作用,所以晶粒细化,晶界面总面积大,能提高金属的(室温)机械性能。在腐蚀环境中,晶界也易被腐蚀。总之,晶界对金属的机械、物理及化学性能以及晶体内部的转变都有重要的影响。x 射线及电子显微镜研究指出,一个晶粒内原于排列也不是完全理想的规则排列,而是由许多边长仅为 10-410-6厘米的小晶块组成。这些小晶块称为亚晶粒或嵌镶块。它们之间的位向差很小,约为 l020。在亚晶粒之间,同样存在着亚晶界。亚晶界的原子排列也不规则,亚晶界
21、由于晶格畸变也引起金属强化。亚晶粒愈细化,亚晶界愈多,强化也愈显图 2.15 是晶粒内亚晶示意图。图 2.15 亚晶示意图 12 2.5 弹性变形和塑性变形 2.5 弹性变形和塑性变形 物体在外力的作用下,会发生形状和尺寸的改变,称为变形。外力除去后能恢复原状的变形,称为弹性变形;外力除去后不能恢复原状的变形,称为塑性变形。金属和合金在外力的作用下既能产生弹性变形,也能产生塑性变形,所以是一种弹塑性物质。单晶体发生弹性变形的原因是,例如当晶体在拉应力的作用下,使原子离开了原来的平衡位置,原子间距离增大,产生了拉伸变形(图 2.16)。这时由于原子间距离增大,原子间的排斥力便减小,原子间的吸引力
22、必将增大,超过排斥力的吸引力和拉应力平衡。外力除去,新的平衡消失,原子便回到原来的平衡位置,晶体恢复原状。同样;晶体在压应力的作用下,原子间距离缩短,排斥力大于吸引力,与压力建立新的平衡。外力除去,原子便回到原来的平衡位置,晶体恢复原状。单晶体晶格在受到正应力时是不会发生塑性变形的,而是由弹性变形直接过渡到脆性断裂。塑性变形只有在受到剪应力时才会发生,单晶体发生塑性变形的原因是,当晶体征剪应力作用下,剪应力达到;定值时,晶体便由弹性变形(剪切变形)过渡到塑性 a-变形前;b-变形后 图 2.16 晶体的弹性变形 a-变形前 b-弹性变形 c-塑性变形 图 2.17 晶体的塑性变形 变形(图 2
23、17).由于这时原子移动了原子间距离的倍数,移到了新的平衡位置,原子又 13处于稳定状态,即使外力除去,也不可能使晶体恢复原状了。工业用的金属和合金都是多晶体,多晶体的变形从实质上说,也是由于在外力的作用下原子离开平衡位置或原子移动到新的平衡位置而产生的结果。但是由于多晶体内每个晶粒的位向不同,原子移动的情况就很复杂。由材料力学可知,金属材料在外力作用下,随着外力的不断增大,通常首先发生弹性变形,然后发生塑性变形,最后发生断裂。弹性变形时,材料的体积也发生变化。例如处于 100 公斤毫米2的流体压力下,钢体积凉小约 0.6,铜体积减小约 13。塑性变形的同时,必然伴随有弹性变形,后者在卸载后自
24、行消失,这个现象在锻压加工 中必须加以考虑。2.6 单晶体的塑性变形 2.6 单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要通过滑移和双晶(孪晶)两种方式进行。一、滑移一、滑移 如图 2.17c,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生滑动,称为滑移。上述晶面和晶向,分别称为滑移面和滑移方向。滑移往往在许多晶面上同时发生,在晶体表面形成阶梯状不均匀的滑移带(图 2.18)。经抛光的金属试样 14 图 2.18 滑移线和滑移带示意图 图 2.19 滑移面示意图 塑性变形后,可以在显微镜下观察到滑移带,它是晶体的一群滑移面和晶体表面相交而成。滑移层的间距约 50500,每一层的滑移量为 7020
25、00。随着变形程度的增加,晶体的滑移带数目增多,滑移带内的滑移线也增多。一般说来,滑移并非沿任意晶面和晶向发生,而总是沿着该晶体中原子排列到最密的晶面和晶向发生的。如图 2.19 的晶格,以 AA 面原子排列最密,原子间距最小,原子间的结合力最强,但面与面间的距离最大,因而结合力也最弱,故 AA 面最易成为滑移面。其他晶面则都不是这样。例如 BB 面,面上原子间距大,结合力就弱,面与面间距离小,结合力就强,故难以滑移。与此同理,可以解释沿原子排列最密的晶向滑移阻力最小,容易成为滑移方向。通常每一种晶格有几个可能产生滑移的晶面,即同时存在几个滑移面;而每一滑移面,又同时存在着几个可能的滑移方向。
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