機(jī)械工程材料及成型工藝第三章.ppt

第三章 金屬的結(jié)晶與塑性變形,教學(xué)目的和要求 1.掌握過冷度的概念以及過冷度和冷卻速度的關(guān)系；掌握結(jié)晶的規(guī)律和形核的方式；了解金屬晶核長大方式；掌握晶粒細(xì)化的方法 2.掌握同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的概念以及鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 3.掌握單晶體的塑性變形方式及其特點(diǎn)，了解多晶體和合金的塑性變形；掌握塑性變形對金屬組織和性能的影響 4.掌握變形金屬在加熱時組織和性能的變化；了解熱加工對金屬組織和性能的影響 教學(xué)內(nèi)容提綱 1.金屬的結(jié)晶 2.金屬的塑性變形 3.金屬的熱加工,一、金屬的結(jié)晶,1 金屬結(jié)晶的溫度,a-理論結(jié)晶溫度曲線 b-實(shí)際結(jié)晶溫度曲線 金屬結(jié)晶的冷卻曲線示意圖,2.過冷度,過冷度： T T0T1。 影響因素：冷卻速度、金屬性質(zhì)和純度有關(guān)。 冷卻速度越大，則過冷度越大，實(shí)際金屬結(jié)晶溫度越低。反之，若冷卻速度無限小(即散熱無限慢)時，則實(shí)際結(jié)晶溫度與平衡結(jié)晶溫度趨于一致。然而，實(shí)踐證明晶體總是在過冷情況下結(jié)晶，過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。,3.金屬結(jié)晶的規(guī)律,純金屬的結(jié)晶過程：晶核形成和長大。,純金屬結(jié)晶過程示意圖,純金屬結(jié)晶過程示意圖,4. 金屬晶核形成的方式,自發(fā)形核: 以過冷液體中的相起伏（液體中有規(guī) 則排列的原子集團(tuán)）為基礎(chǔ)的形核； 非自發(fā)形核：依附于過冷液體中的某些雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn) 表面而形核。,5 金屬晶粒的細(xì)化方法,金屬內(nèi)部晶粒越細(xì)小，則晶界越多且晶格畸變越 大。從而使金屬強(qiáng)度、硬度提高，并使變形均勻分布 在許多晶粒上，塑性、韌性也好。,金屬結(jié)晶后晶粒大小與單位時間、單位體積內(nèi)的形核數(shù)量Z和形核率N和長大速度G有關(guān)，若晶核的形成速率很大，而長大速度很小時，便可得到很細(xì)的晶粒。,生產(chǎn)中常采用1）增加過冷度T；2）變質(zhì)處理；3）附加振動等細(xì)化晶粒的方法。,6 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,把種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)稱為同素異構(gòu)性，這種金屬的晶格結(jié)構(gòu)隨溫度變化而改變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬結(jié)晶存在著明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)在：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時晶界處能量較高，新的晶核往往在原晶界上形成；固態(tài)下原子擴(kuò)散比較困難，固態(tài)轉(zhuǎn)變需要較大的過冷；固態(tài)轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生體積變化，在金屬中引起較大的內(nèi)應(yīng)力。,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,單晶體的塑性變形,晶體在外力作用下任何晶面的分力：,二、金屬的塑性變形,正應(yīng)力：使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂 切應(yīng)力：使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形,單晶體金屬在正應(yīng)力作用下的變形示意圖,單晶體的塑性變形方式：滑移和孿生,滑移的概念：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一 部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動。,滑移的特點(diǎn)： 1）滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最 小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。,滑移,2）滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于位錯運(yùn)動,3）滑移總是沿著原子排列最緊密的原子面進(jìn)行,6）晶格位向不變 7）滑移的間距是原子間距的整數(shù)倍,4）滑移的結(jié)果產(chǎn)生滑移帶 5）滑移伴隨著轉(zhuǎn)動,孿生,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。,孿生的特點(diǎn)：,1）位向發(fā)生改變； 2）切應(yīng)力大； 3）變形速度快； 4）相鄰原子面的位移量小于一個原子間距。,幾種晶體結(jié)構(gòu)的變形方式,單晶體的塑性變形究竟以何種方式進(jìn)行，主要取決于晶體結(jié)構(gòu)和外部條件： 面心立方晶格：一般不發(fā)生孿生變形； 體心立方晶格：一般以滑移的方式進(jìn)行，只有在低溫或受到?jīng)_擊時才發(fā)生孿生變形； 密排六方晶格：以孿生變形為主。,二、多晶體的塑性變形,多晶體的塑性變形主要受晶粒的位向及晶界對位錯運(yùn)動的阻礙 多晶體變形的特點(diǎn)： （1）變形抗力高 （2）變形和應(yīng)力不均勻性 （3）晶界和晶粒間位向差共同作用,三、塑性變形對金屬組織和性能的影響,1. 晶粒拉長，纖維組織 各向異性 (沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大）,變形10% 100,變形40% 100,變形80% 纖維組織 100,工業(yè)純鐵 不同變形度 的顯微組織,2. 織構(gòu)(形變織構(gòu)）,金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時, 由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動, 使各晶粒的位向趨近于一致, 形成特殊的擇優(yōu)取向, 這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 稱為絲織構(gòu)。 例如低碳鋼經(jīng)高度冷拔后, 其平行于拔絲方向; 另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向, 稱為板織構(gòu), 低碳鋼的板織構(gòu)為001。,晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。,晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。,因形變織構(gòu)造成深沖制品的制耳示意圖,3. 加工硬化（形變強(qiáng)化）,加工硬化的原因： 塑性變形 位錯密度增加，相互纏結(jié)，亞晶界，運(yùn)動阻力加大 變形抗力；晶粒破碎細(xì)化。,金屬在冷變形時，強(qiáng)度、硬度 ，塑性、韌性。,P21，圖1-17,加工硬化的實(shí)際意義,有效的強(qiáng)化機(jī)制； 均勻塑性變形和壓力加工的保證； 零件安全的保證。,4）形成亞結(jié)構(gòu)；,金屬經(jīng)大的塑性變形時, 由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用, 大量位錯堆積在局部地區(qū), 并相互纏結(jié), 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊, 而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。,金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu),6）殘余內(nèi)應(yīng)力：外力去除后，殘留于金屬內(nèi)部且 平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。由金屬內(nèi)部不均勻變形引起 ，殘余應(yīng)力分為第一類應(yīng)力；第二類應(yīng)力和第三類應(yīng)力。,殘余內(nèi)應(yīng)力的危害： 引起零件加工過程變形、開裂； 耐蝕性。,5）塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大, 耐腐蝕性降低。,四、 塑性變形后的金屬在加熱時 組織和性能的變化,加熱時冷變形金屬組織和性能隨溫度的升高可分為三個階段： 1回復(fù) 2再結(jié)晶 3晶粒長大,回復(fù),變形后的金屬在較低溫度進(jìn)行加熱，會發(fā)生回復(fù)過程。產(chǎn)生回復(fù)的溫度T回復(fù)為 ： T回復(fù)=(0.250.3)T熔點(diǎn) 式中：T熔點(diǎn)表示該金屬的熔點(diǎn), 單位為絕對溫度(K)。 由于加熱溫度不高, 原子擴(kuò)散能力不很大, 只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復(fù)合消失而大大減少，而晶粒仍保持變形后的形態(tài)， 變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。此時材料的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性有增高，但殘余應(yīng)力則大大降低。工業(yè)上常利用回復(fù)過程對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火，以降低殘余內(nèi)應(yīng)力， 保留加工硬化效果。,再結(jié)晶,1.再結(jié)晶過程及其對金屬組織、性能的影響 變形后的金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴(kuò)散能力增大，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶。這個過程稱為再結(jié)晶。 變形金屬進(jìn)行再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，此時內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。,2. 再結(jié)晶溫度 變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再), 通常用經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經(jīng)一小時加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點(diǎn)有如下關(guān)系： T再=(0.350.4)T熔點(diǎn) 式中的溫度單位為絕對溫度(K)。,晶粒長大,變形80%,工業(yè)純鐵 再結(jié)晶退火 顯微照片 100,變形80% 600退火8小時,變形80% 400退火8小時,再結(jié)晶后的晶粒度,影響因素：1）加熱溫度 T、保溫時間t 晶粒直徑 D； 2）預(yù)變形度的影響。,210,金屬材料塑性變形的加工：熱加工和冷加工,1冷、熱加工的劃分的標(biāo)準(zhǔn)：再結(jié)晶溫度來劃分。 2金屬熱加工時組織和性能的變化。 形成流線,鍛造曲軸,切削加工曲軸,細(xì)化晶粒； 焊合氣孔、疏松，消除成分不均勻； 熱加工時金屬塑性好； 熱加工時金屬表面有氧化、對某些金