第五章 機(jī)械工程材料

1、1機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料主講教師：吳宜勇電話：864124622主要內(nèi)容緒論第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章 結(jié)晶與顯微組織第三章 工程材料的力學(xué)性能第四章 工程材料的物理、化學(xué)性能第五章 工程材料的強(qiáng)化理論第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化第七章 鋼鐵材料第八章 有色金屬及其合金3第五章 工程材料的強(qiáng)化理論 45.1形變強(qiáng)化 5.2固溶強(qiáng)化 5.3 第二相強(qiáng)化 5.4細(xì)晶強(qiáng)化 第五章 工程材料的強(qiáng)化理論 5滑移滑移系5.1形變強(qiáng)化 單晶體的塑性變形過(guò)程和特點(diǎn)： 金屬單晶體拋光樣品塑性變形后，表面形貌：平行線、臺(tái)階滑移和滑移帶 金屬單晶體塑性變形的基本方式：滑移和孿生 6取取向向因因子子）滑滑移

2、移應(yīng)應(yīng)力力：切切應(yīng)應(yīng)力力(coscoscoscosAFcosAcosFAFs00sk滑移: 晶體一部分在切應(yīng)力作用下在某晶面上沿著一定晶體取向與對(duì)應(yīng)部分產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象5.1形變強(qiáng)化 臨界分切應(yīng)力：外力作用使滑移系上的晶體產(chǎn)生滑移變形的最小應(yīng)力，取決于金屬本性單晶體的屈服強(qiáng)度取決于臨界分切應(yīng)力和取向因子75.1形變強(qiáng)化 8滑移的能量原理：金屬塑性變形遵從能量最低原理?；浦荒軓囊欢ň婧途w方向上進(jìn)行滑移面：原子排列最密排面。晶面間距最大，切變變形所需要的分切應(yīng)力最小滑移方向：原子排列最密排方向。此時(shí)原子間距最小，原子滑移變形從一個(gè)穩(wěn)定位置至下一個(gè)穩(wěn)定位置所經(jīng)距離最小，外力做功小滑移系：一個(gè)

3、滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。一定條件下，金屬滑移系越多，塑性越好5.1形變強(qiáng)化 95.1形變強(qiáng)化 常見晶體結(jié)構(gòu)中, 那類金屬的塑性變形能力最差？一般來(lái)說(shuō), 面心立方金屬較體心立方金屬的塑性好, 表明滑移系數(shù)量相同時(shí), 滑移方向數(shù)決定塑性變形能力 10刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)滑移的本質(zhì)：滑移的本質(zhì)：是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)?；剖墙饘俨牧鲜俏诲e(cuò)的運(yùn)動(dòng)?；剖墙饘俨牧纤苄宰冃蔚闹饕绞剿苄宰冃蔚闹饕绞?5.1形變強(qiáng)化 11孿生條件:當(dāng)金屬中滑移系較少或晶體取向不利于滑移，位錯(cuò)不能開動(dòng)時(shí)，可進(jìn)行孿生變形。孿生過(guò)程：晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一

4、定晶面與晶向產(chǎn)生一定角度的均勻切變過(guò)程 ，導(dǎo)致變形孿生切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移臨界分切應(yīng)力，但變形速度快5.1形變強(qiáng)化 125.1形變強(qiáng)化 變形孿生的觀察：孿生變形改變晶體位向，產(chǎn)生取向差；以致電子顯微分析明場(chǎng)像的取向襯度。135.1形變強(qiáng)化 多晶體的塑性變形特殊性 各晶粒取向不同取向因子不同屈服應(yīng)力不同 屈服應(yīng)力不同承載能力不同變形量不同 試驗(yàn)表明，金屬可產(chǎn)生一定的均勻變形而不斷裂失效 14多晶體的塑性變形特點(diǎn)不同時(shí)性不均勻性協(xié)調(diào)性只有處在有利位向（取向只有處在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移因子最大）的晶粒的滑移系才能首先開動(dòng)系才能首先開動(dòng)每個(gè)晶粒的變形量各不相每個(gè)晶粒的變形量各不相同，而且由

5、于晶界的強(qiáng)度同，而且由于晶界的強(qiáng)度高于晶內(nèi)，使得每一個(gè)晶高于晶內(nèi)，使得每一個(gè)晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。的。多晶體的塑性變形是通過(guò)多晶體的塑性變形是通過(guò)各晶粒的多系滑移來(lái)保證各晶粒的多系滑移來(lái)保證相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推算，每個(gè)晶粒至少需要有算，每個(gè)晶粒至少需要有五個(gè)獨(dú)立滑移系。五個(gè)獨(dú)立滑移系。5.1形變強(qiáng)化 15塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1.形成纖維組織5.1形變強(qiáng)化 162. 形成形變織構(gòu)塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響5.1形變強(qiáng)化 172. 形成形變織構(gòu)塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響5.1形變強(qiáng)化 183. 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化4. 點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重隨著變形量的

6、增隨著變形量的增加，位錯(cuò)交織纏加，位錯(cuò)交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變胞叫形變胞金屬在塑性變形中產(chǎn)生金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點(diǎn)陣缺陷（空位、大量點(diǎn)陣缺陷（空位、間隙原子、位錯(cuò)等），間隙原子、位錯(cuò)等），使點(diǎn)陣中的一部分原子使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。成的晶格畸變。塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響5.1形變強(qiáng)化 19塑性變形對(duì)金屬性能的影響5.1形變強(qiáng)化 各向異性：主要由于形成了纖維組織和變形織構(gòu) 形變強(qiáng)化：也稱加工硬化。變形過(guò)程中，位錯(cuò)密度升高，導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細(xì)化，對(duì)位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生巨大的阻礙作用 殘余應(yīng)力：變形

7、不均勻性引起 其他物理化學(xué)性能變化：電阻率增加、耐腐蝕性能下降、磁性能變化等 什么叫各向異性？舉例說(shuō)明什么是形變強(qiáng)化？產(chǎn)生形變強(qiáng)化的原因 20冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 冷變形金屬的穩(wěn)定性：處于能量較高的亞穩(wěn)定狀態(tài) 變形不均勻性導(dǎo)致殘余應(yīng)力不均勻分布 冷變形金屬加熱后結(jié)構(gòu)和性能變化在工程中的應(yīng)用 冷變形金屬加熱后，隨加熱溫度升高發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，最終冷變形組織消失。21冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 回復(fù)：冷塑性變形金屬在加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生 的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過(guò)程亞結(jié)構(gòu)變化：點(diǎn)缺陷密度下降；位錯(cuò)組態(tài)分布規(guī)則化，數(shù)量有所降低性能變化：大

8、大降低殘余應(yīng)力、物理化學(xué)性能穩(wěn)定化22冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 再結(jié)晶：冷變形金屬加熱溫度高于回復(fù)溫度時(shí)，在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無(wú)畸變晶核，并長(zhǎng)大成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織的過(guò)程，稱為再結(jié)晶最低再結(jié)晶溫度： T再(K)=(0.350.5)Tm(K)23冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 24冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 再結(jié)晶晶粒大小控制：塑性變形程度：變形程度越大，再結(jié)晶晶粒尺寸越小變形溫度：塑性變形溫度高，變形能小，再結(jié)晶晶粒較粗大原始晶粒尺寸：始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒越細(xì)雜質(zhì)與合金元素：雜質(zhì)一般起到細(xì)化晶粒的作用退火溫度：變形相同時(shí)，再結(jié)晶退火溫度越高

9、，晶粒粗大異常再結(jié)晶：由于變形不均勻使再結(jié)晶形核長(zhǎng)大過(guò)程不均勻，而產(chǎn)生異常長(zhǎng)大，再結(jié)晶晶粒粗大。變形程度在臨界變形度以下時(shí)，易于產(chǎn)生異常再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大：再結(jié)晶完成后，繼續(xù)保溫晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大正常長(zhǎng)大：均勻長(zhǎng)大異常長(zhǎng)大：由于雜質(zhì)或第二相溶解，使部分晶粒無(wú)約束長(zhǎng)大25冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 異常再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大26冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 根據(jù)回復(fù)再結(jié)晶原理，分析冷變形金屬焊縫周圍區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和性能？27金屬的熱加工冷加工：再結(jié)晶溫度以下的塑性加工過(guò)程熱加工：再結(jié)晶溫度以上的塑性加工過(guò)程加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶5.1形變強(qiáng)化 28改善鑄態(tài)組織缺陷

10、出現(xiàn)纖維組織可使鑄態(tài)組織中的氣孔、疏松及微裂紋焊合，提高金屬致密度，某些高合金鋼中的萊氏體和大塊初生碳化物可被打碎并使其分布均勻等。在熱加工過(guò)程中鑄態(tài)金屬的偏析、夾雜物、第二相、晶界等逐漸沿變形方向延展，在宏觀工件上勾畫出一個(gè)個(gè)線條，這種組織也稱為纖維組織。金屬的熱加工對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響5.1形變強(qiáng)化 29金屬的熱加工5.1形變強(qiáng)化 30金屬的熱加工5.1形變強(qiáng)化 315.1形變強(qiáng)化 5.2固溶強(qiáng)化 5.3 第二相強(qiáng)化 5.4細(xì)晶強(qiáng)化 第五章 工程材料的強(qiáng)化理論 325.2固溶強(qiáng)化 實(shí)踐觀察Cu-Ni固溶體合金的力學(xué)性能（強(qiáng)度和塑性）隨固溶度變化規(guī)律335.2固溶強(qiáng)化 由于溶質(zhì)原子造成了固溶體的

11、點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場(chǎng)將與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生彈性交互作用并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這是產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的主要原因。 固溶強(qiáng)化現(xiàn)象 溶質(zhì)原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化原因345.2固溶強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化的主要影響因素 溶質(zhì)原子濃度 溶質(zhì)/溶劑原子尺寸差 溶質(zhì)原子類型 溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化作用也越大 溶質(zhì)溶劑原子尺寸相差越大，強(qiáng)化效果越顯著 1. 溶質(zhì)原子造成球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)化約為G/102. 溶質(zhì)原子造成非球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)化約為G的幾倍355.1形變強(qiáng)化 5.2固溶強(qiáng)化 5.3 第二相強(qiáng)化 5.4細(xì)晶強(qiáng)化 第五章 工程材料的強(qiáng)化理論

12、365.3 第二相強(qiáng)化 概念 當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng), 產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用 沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化 如果第二相微粒是通過(guò)過(guò)飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化第二相微粒是通過(guò)粉末冶金方法加入并起強(qiáng)化作用 375.3 第二相強(qiáng)化 時(shí)效硬化合金的成分特點(diǎn)合金組元之間形成固溶體，固溶度較大固溶度隨溫度降低而顯著減少385.3 第二相強(qiáng)化 時(shí)效硬化合金：第二相形成固溶處理當(dāng)含量大于B0的合金加熱到略低于固相線的溫度，使B組元充分溶解后，快速冷卻，而形成亞穩(wěn)定的過(guò)飽和固溶體 時(shí)效經(jīng)固溶處理的合金在室溫或一定溫度下加熱保持一定時(shí)間，使過(guò)飽和固溶體趨于某種程度

13、的分解脫溶并生成第二相分布于基體中395.3 第二相強(qiáng)化 時(shí)效的一般過(guò)程過(guò)飽和固溶體過(guò)飽和固溶體飽和飽和1固溶體溶質(zhì)富集區(qū)固溶體溶質(zhì)富集區(qū)飽和飽和2固溶體亞穩(wěn)相固溶體亞穩(wěn)相飽和飽和固溶體平衡相固溶體平衡相組織結(jié)構(gòu)變化：由單相固溶體（高固溶度）轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⑾喙倘荏w（低固溶度）雙相或多相組織時(shí)效過(guò)程中可能有多種亞穩(wěn)相析出 時(shí)效工藝變化，時(shí)效析出相的大小、分布有所變化405.3 第二相強(qiáng)化 時(shí)效狀態(tài)與性能：時(shí)效合金的性能隨時(shí)效狀態(tài)而變化415.3 第二相強(qiáng)化 根據(jù)固溶時(shí)效原理，分析時(shí)效合金焊縫周圍區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和性能？42粉末冶金原理、工藝與強(qiáng)化機(jī)制 概念 利用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作

14、原料，經(jīng)過(guò)壓制成型和燒結(jié)兩個(gè)主要工序來(lái)生產(chǎn)各種金屬制品的方法粉末的制備、壓制成型、燒結(jié)及后處理 工藝過(guò)程5.3 第二相強(qiáng)化 將細(xì)小、強(qiáng)硬的第二相顆粒與金屬基體相均勻混合燒結(jié)成一體，以致第二相彌散于金屬基體中，達(dá)到彌散強(qiáng)化的效果 強(qiáng)化機(jī)制43粉末冶金工藝過(guò)程 5.3 第二相強(qiáng)化 445.1形變強(qiáng)化 5.2固溶強(qiáng)化 5.3 第二相強(qiáng)化 5.4細(xì)晶強(qiáng)化 第五章 工程材料的強(qiáng)化理論 455.4細(xì)晶強(qiáng)化 試驗(yàn)現(xiàn)象顯微硬度測(cè)量：晶界硬度高拉伸形貌：晶界變形小，變形抗力大465.4細(xì)晶強(qiáng)化 dKos1細(xì)晶強(qiáng)化特點(diǎn)材料的宏觀強(qiáng)度與其晶粒尺寸的平方根成反比材料晶粒細(xì)化，強(qiáng)度升高，其韌性也會(huì)升高-與其它強(qiáng)化機(jī)制所不同的特點(diǎn)根據(jù)目前的知識(shí)，指出獲得細(xì)晶粒的工程方法？475.4細(xì)晶強(qiáng)化 晶粒大小對(duì)不同材料的強(qiáng)度的影響試驗(yàn)曲線485.4細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制晶界強(qiáng)度高，晶粒細(xì)化，晶界增多，材料宏觀強(qiáng)度升高強(qiáng)度。因此細(xì)晶強(qiáng)化也稱晶界強(qiáng)化晶粒細(xì)化，