【正文】 12 動(dòng)載荷時(shí)材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動(dòng)載荷時(shí)材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動(dòng)載荷時(shí)材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。鐵在 1394℃ 以上時(shí)具有體心立方晶格 ，稱為 ? Fe；冷卻至1394~912℃ 之間，轉(zhuǎn)變?yōu)?面心立方晶格 稱為 ? Fe；繼續(xù)冷卻至 912℃ 以下又轉(zhuǎn)變?yōu)?體心立方晶格 ，稱為 ? Fe。例如 Fe、 Co、 Sn、 Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。 24 金屬的結(jié)晶 三、金屬的同素異構(gòu)性 ?某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)，同一種固態(tài)的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。 采用超高速急冷技術(shù)。 提高液態(tài)金屬的過(guò)冷能力也是增大過(guò)冷度的有效方法。 提高液態(tài)金屬的冷卻速度是增大過(guò)冷度的主要方式。 化工學(xué)院 167。 3 / 41 / 2Z =0 .9( N /G ) ( / )ZvsvsZ N GZ???單 位 體 積 中 晶 粒 的 數(shù) 目單 位 面 積 上 晶 粒 的 數(shù) 目N 形 核 率G 長(zhǎng) 大 速 度2. 晶粒大小的控制 增大過(guò)冷度： 晶粒的大小取決于形核率和長(zhǎng)大速度的比值，而形核率和長(zhǎng)大速度又取決于過(guò)冷度，因此晶粒的大小可以用過(guò)冷度來(lái)控制。形核率愈大，則結(jié)晶后的晶粒愈多，晶粒就越細(xì)小。 化工學(xué)院 167。因?yàn)楫?dāng)液體中有這種未熔雜質(zhì)存在時(shí)，金屬可以沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點(diǎn)表面產(chǎn)生晶核，減小它暴露于液體中的表面積，使表面能降低，其作用甚至?xí)h(yuǎn)大于加速冷卻增大過(guò)冷度的影響 ?在金屬結(jié)晶時(shí)，從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來(lái)有效地細(xì)化金屬的晶粒，以達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的，這種細(xì)化晶粒的方法叫做“ 變質(zhì)處理 ” ，所加入的難溶雜質(zhì)叫 “ 變質(zhì)劑 ” 或 “ 人工晶核 ” 。 24 金屬的結(jié)晶 2)未熔雜質(zhì)的影響 ?任何金屬中總不免含有或多或少的雜質(zhì)，有的可與金屬一起熔化，有的則不能，而是呈未熔的固體質(zhì)點(diǎn)懸浮于金屬液體中。 24 金屬的結(jié)晶 ?過(guò)冷度對(duì)晶核的形成率和成長(zhǎng)率的這些影響，主要是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過(guò)程中有兩個(gè)相反的因素同時(shí)在起作用 ?其中之一即如前所述的晶體與液體的自由能差（ ⊿ Ｇ），它是晶核的形成和成長(zhǎng)的推動(dòng)力 ?另一相反因素便是液體中原子遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)（ D），這是形成晶核及其成長(zhǎng)的必需條件，因?yàn)樵拥臄U(kuò)散系數(shù)太小的話，晶核的形成和成長(zhǎng)同樣也是難以進(jìn)行的。因此， 一般金屬的晶粒越小，強(qiáng)度、塑性和韌性就越好 。因此，金屬實(shí)際上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體 ?晶粒的大小對(duì)金屬的性能影響很大。 24 金屬的結(jié)晶 ?由每個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體稱為晶粒，晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶體在各個(gè)方向生長(zhǎng)的速度是不一致的，在長(zhǎng)大初期，小晶體保持規(guī)則的幾何外形，但隨著晶核的長(zhǎng)大，晶體逐漸形成棱角，由于棱角處散熱條件比其它部位好，晶體將沿棱角方向長(zhǎng)大，從而形成 晶軸 ，稱為一次晶軸；晶軸繼續(xù)長(zhǎng)大，且長(zhǎng)出許多小晶軸，二次晶軸、三次晶軸、 … ，成樹(shù)枝狀，當(dāng)金屬液體消耗完時(shí)，就形成 晶粒 。二是由液態(tài)金屬中一些外來(lái)的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)而形成的，稱為外來(lái)晶核 ?當(dāng)液體冷卻到結(jié)晶溫度后，一些短程有序的原子團(tuán)開(kāi)始變得穩(wěn)定，成為極細(xì)小的晶體，稱之為 晶核 。 化工學(xué)院 167。低于理論結(jié)晶溫度時(shí)，由于液相的自由能（Ｇ液）高于固相晶體的自由能（Ｇ固），液體向晶體的轉(zhuǎn)變便會(huì)使能量降低，于是便發(fā)生結(jié)晶；高于理論結(jié)晶溫度時(shí)，由于液相的自由能（Ｇ液）低于固相晶體的自由能（Ｇ固），晶體將要熔化。 24 金屬的結(jié)晶 ?對(duì)于固態(tài)金屬和液態(tài)金屬可將它們的自由能分別用Ｇ固（Ｇ固＝ U固 TS固）和Ｇ液（Ｇ液＝ U液 TS液）來(lái)表示。物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量叫做 “ 自由能（Ｇ） ” 。 純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線 化工學(xué)院 167。冷卻速度越快，△ T越大。 圖中的 T0為 理論結(jié)晶溫度 ，它是液態(tài)金屬在無(wú)限緩慢冷卻條件下的結(jié)晶溫度。 24 金屬的結(jié)晶 一、結(jié)晶的概念和過(guò)冷現(xiàn)象 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。因此，對(duì)這類高聚物雖然不具備前面所述的晶體定義，但也稱為結(jié)晶。 23 非金屬晶體 三、結(jié)晶性高分子聚合物 塑料、橡膠等是由很長(zhǎng)的、卷曲的、并且纏結(jié)在一起的有機(jī)高分子組成。由于這些硅酸根四面體可以采用不同方法互相連接，或與各種正離子連接，可以形成各種不同的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。 ?硅酸鹽也是一種具有代表性的共價(jià)晶體。硅、鍺、錫的同素異構(gòu)體或者或化合物也具有這種立方結(jié)構(gòu)。 23 非金屬晶體 二、共價(jià)晶體 共價(jià)晶體基本上屬于面心立方體晶格，金剛石就是典型的共價(jià)晶體。 離子鍵結(jié)合力大，所以離子晶體的硬度高，但脆性大。每個(gè)正離子周圍有六個(gè)最近的負(fù)離子。 鈉離子失去一個(gè)電子成為帶正電荷的 Na+，氯離子獲得一個(gè)電子成為帶負(fù)電荷的 Cl。 一、離子晶體 常見(jiàn)的離子晶體結(jié)構(gòu)基本上是面心立方晶格。 22 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu) ?點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯(cuò)密度可提高金屬?gòu)?qiáng)度，但塑性隨之降低 ?面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性 ?細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段 化工學(xué)院 167。 亞晶界示意圖和組織圖 167。 22 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu) 化工學(xué)院 另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，尺寸為 104~106cm。如前所述，晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過(guò)渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過(guò)渡層，因而晶界上的原子多處于無(wú)規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上（如圖所示）。位錯(cuò)密度愈大，塑性變形抗力愈大，因此，目前通過(guò)塑性變形，提高位錯(cuò)密度，是強(qiáng)化金屬的有效途徑之一。 22 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu) 化工學(xué)院 金屬晶體中的位錯(cuò)很多，相互連結(jié)成網(wǎng)狀分布。沿位錯(cuò)線的周圍，晶格發(fā)生了畸變。這種錯(cuò)徘現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯(cuò)，如圖所示為常見(jiàn)的一種刃型位錯(cuò)。 點(diǎn)缺陷示意圖 167。 (3) 置換原子 雜質(zhì)元素占據(jù)金屬晶格的結(jié)點(diǎn)位置稱為置換原子。 (2) 間隙原子 在晶格節(jié)點(diǎn)以外存在的原子，稱為間隙原子。當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因（如熱振動(dòng)等）脫離其晶格節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生此類點(diǎn)缺陷。 化工學(xué)院 點(diǎn)缺陷的具體形式有如下三種。 22 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu) 二、晶體缺陷 實(shí)際上每個(gè)晶粒內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)也不是那么理想，存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。 ?晶粒的大小對(duì)材料的性能影響很大，在常溫下，晶粒愈小，材料的強(qiáng)度愈高，塑性、韌性愈好。 ?有色金屬，如銅、錫、鋁、鋅等晶粒，一般比鋼鐵的晶粒大些，通常用肉眼可看見(jiàn)。