第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形

十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.1金屬的結(jié)晶凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵映室?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程。重結(jié)晶：而金屬在固態(tài)下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)的過程稱。晶體液體結(jié)晶第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形3.1.1冷卻曲線和過冷度理論結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度過冷現(xiàn)象過冷度

ΔT=T0–T1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(shí)，則實(shí)際結(jié)晶溫度與平衡結(jié)晶溫度趨于一致。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。a-理論結(jié)晶溫度曲線b-實(shí)際結(jié)晶溫度曲線十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.1.2金屬結(jié)晶過程的一般規(guī)律純金屬的結(jié)晶過程：晶核形成和長大。近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核長大的過程第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)

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。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)

金屬晶核長大的方式

樹枝狀生長平面生長第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.1.3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?cè)酱螅畯亩菇饘購?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。

晶粒度/（晶粒數(shù)/mm2）σb/MPaσs/MPaδ(%)6.32374635.3512747044.819429410847.5第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)晶粒度

——

表示晶粒大小，分8級(jí)（p111)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化

——

晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象比較：細(xì)晶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性↑

固溶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)

金屬結(jié)晶后晶粒大小與單位時(shí)間、單位體積內(nèi)的形核數(shù)量即形核率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(shí)，便可得到很細(xì)的晶粒。

影響晶核的形核率和晶體長大率的因素：

過冷度的影響

未熔雜質(zhì)的影響第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)

細(xì)化晶粒的措施1.提高過冷度

2.變質(zhì)處理

3.振動(dòng)與攪拌第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)（1）提高過冷度形核率N

、長大速度G與過冷度T的關(guān)系TG，NGNV冷△TN晶粒細(xì)小第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動(dòng)與攪拌振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化?！獧C(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.1.4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。1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)

純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)彈性變形：受力變形，外力卸去后，又回到原狀態(tài)現(xiàn)象。塑性變形：外力取消后，物體的變形不完全恢復(fù)的現(xiàn)象。

金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)，對(duì)于單晶體是由于金屬原子某晶面兩側(cè)受切應(yīng)力作用產(chǎn)生相對(duì)滑移，或晶體的部分晶格相對(duì)于某晶面沿一定方向發(fā)生切變，即滑移理論和孿生理論。

實(shí)質(zhì)是內(nèi)部應(yīng)力迫使晶粒內(nèi)部和晶粒間產(chǎn)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生塑性變形。單晶體塑性變形：滑移。多晶體塑性變形：滑移+晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2金屬的塑性變形plasticdeformation第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.2.1單晶體金屬的塑性變形--滑移slip滑移：是指晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)（相對(duì)切變）。這個(gè)晶面稱為滑移面，這個(gè)晶向稱為滑移向，滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后晶體各部分的位向不變，滑移的結(jié)果使大量的原子逐步地從一個(gè)穩(wěn)定位置移到另一個(gè)穩(wěn)定位置，而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移，滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)滑移線和滑移帶示意圖第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)塑性變形主要是通過“滑移”方式進(jìn)行的。無數(shù)的滑移就變成了宏觀的塑性變。滑移的實(shí)質(zhì)是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。未變形彈性變形彈塑性變形塑性變形第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)原因：晶體內(nèi)部的各種缺陷（特別是位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶體表面時(shí)，晶體就產(chǎn)生了塑性變形。

實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷?；仆ㄟ^位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

滑移的機(jī)理③滑移常沿晶體中原子的密排面和密排方向進(jìn)行；②滑移距離為原子間距的整數(shù)倍；滑移變形的要點(diǎn)：

①滑移只在切應(yīng)力τ作用下發(fā)生；十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)2、孿生

twining孿生變形是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面(孿晶面)和一定方向(孿生方向)相對(duì)于另一部分作均勻的切變（協(xié)同位移）所產(chǎn)生的變形。但是不同的層原子移動(dòng)的距離也不同。變形與未變形的兩部分晶構(gòu)成鏡面對(duì)稱,合稱為孿晶（twin）。均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面成為孿晶界。孿晶面（twiningplane）：孿晶方向（twiningdirection）：第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)fcc晶體孿生變形示意圖1第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)孿生的特點(diǎn)

①孿生變形是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻的應(yīng)力集中區(qū)。孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多。但孿生能改變晶體取向，使滑移轉(zhuǎn)到有利位置。②孿生是一種均勻切變。而滑移是不均勻的。③孿生的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。而滑移后晶體各部分的位向并未改變。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結(jié)合在一起的，晶粒的位向和晶界對(duì)變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復(fù)雜。3.2.2多晶體塑性變形第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)晶粒本身的變形（滑移變形）——主要的晶粒之間的變形（晶間變形，滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)）——次要的金屬受外力作用時(shí)，其晶內(nèi)通過位錯(cuò)滑移實(shí)現(xiàn)晶內(nèi)變形，晶間通過滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶件變形。許多個(gè)晶粒的晶內(nèi)及晶間變形的綜合效果就是金屬的塑性變形。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)1、影響多晶體的塑性變形的因素

①晶界的阻礙：雙晶粒拉伸出現(xiàn)竹節(jié)現(xiàn)象→晶界處變形困難原因:晶界處原子排列紊亂，阻礙位錯(cuò)的滑移。②受晶粒位向的影響：多晶體每個(gè)晶粒的變形需與周圍其它晶粒的變形相協(xié)調(diào)。因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。

③晶粒大小的影響：晶粒越多，晶界越多，晶粒位向影響越大，變形越分散，各晶粒變形均勻，不易導(dǎo)致應(yīng)力集中，故斷裂前變形量較大。2、細(xì)晶強(qiáng)化：金屬的晶粒愈細(xì)，金屬的強(qiáng)度便愈高，而且塑性與韌性也較高。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.2.3合金的塑變

1、固溶體的塑性變形與純金屬基本相同，但存在固溶強(qiáng)化。Solid—solutionStrenthening原因是：溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。用“溶質(zhì)原子氣團(tuán)”理論解釋。2、多相合金的塑性變形兩相合金一般是：固溶體+金屬間化合物基體相塑性好強(qiáng)化相

硬、脆、難以變形合金的性能取決于強(qiáng)化相的分布狀態(tài)：①在晶界上網(wǎng)狀分布：ψ、αk較差，強(qiáng)度低；②在晶內(nèi)層狀分布：ψ、αk較好，有一定的強(qiáng)度；③在晶內(nèi)彌散分布：強(qiáng)化作用顯著。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.2.4塑性變形對(duì)金屬組織及性能的影響1）引起晶粒變形，晶粒沿最大變形方向伸長；2）晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生晶格畸變與內(nèi)應(yīng)力；3）造成晶粒破碎，產(chǎn)生碎晶。

圖：變形前后晶粒形狀變化示意圖十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)（1）晶粒沿變形方向被拉長，形成纖維組織，性能趨于各向異性；（2）晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化；（3）產(chǎn)生形變織構(gòu)（晶粒位向的擇優(yōu)取向），性能趨于各向異性。絲織構(gòu)板織構(gòu)冷沖件的“制耳”現(xiàn)象1.對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響3.2.4塑性變形對(duì)金屬組織及性能的影響十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)2.對(duì)性能的影響產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象結(jié)果：金屬的強(qiáng)度、硬度提

高，塑性、韌性下降。

圖：常溫下塑性變形對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響金屬在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形時(shí)，隨著變形度的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降——加工硬化塑性變形→位錯(cuò)開動(dòng)→位錯(cuò)大量增殖→相互作用→運(yùn)動(dòng)阻力加大→變形抗力↑→彈度、硬度↑塑性、韌性↓位錯(cuò)強(qiáng)化：位錯(cuò)密度↑→強(qiáng)度、硬度↑十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)1）有利：強(qiáng)化金屬，形變強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度、耐磨性；例：自行車鏈條片16Mn鋼（Q345）

原：δ厚=3.5mmσb=520MPa150HBS；

五次冷軋后：δ厚=1.2mm（65%）σb=1200MPa275HBS↑構(gòu)件使用安全系數(shù)（如鋼絲繩）有利于金屬進(jìn)行均勻的變形。有害：變形抗力↑，繼續(xù)壓力加工困難，對(duì)模具不利，設(shè)備噸位↑加工硬化的結(jié)果使金屬的晶體構(gòu)造處于不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)（室溫不行）

2）消除方法：加熱

－回復(fù)和再結(jié)晶

加工硬化workhardened十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)冷變形會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力：有三類內(nèi)應(yīng)力：外力去除后殘留于金屬內(nèi)部并自相平衡的的應(yīng)力。第一類：宏觀殘余應(yīng)力——工件各個(gè)部分變形不均勻引起的，在整個(gè)金屬體積范圍內(nèi)存在。第二類：微觀殘余應(yīng)力——晶粒或亞晶粒變形不均勻引起的，在晶?；騺喚С叨确秶鷥?nèi)存在。第三類：晶格畸變應(yīng)力——由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷引起的，在原子尺度范圍內(nèi)存在。此類應(yīng)力是主要的，占存儲(chǔ)能的80-90%。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3.2.5變形金屬在加熱時(shí)組織及性能的變化

冷變形金屬由于組織變化，導(dǎo)致加工硬化，內(nèi)應(yīng)力很大，不穩(wěn)定，通常施以退火：去應(yīng)力退火，去應(yīng)力，改善某些物化性能。再結(jié)晶退火，消除加工硬化。冷變形金屬加熱時(shí)的變化分為以下三個(gè)階段：

第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)1、回復(fù)recovery

：金屬冷變形后，加熱到一定溫度，原子恢復(fù)正常排列，消除了晶格扭曲，應(yīng)力大大降低。加工硬化部分消除（晶粒形狀、大小及金屬的性能變化不大），原子獲得能量。震動(dòng)加劇，回復(fù)正常排列。T回＝（0.25～0.3）T熔

（室溫＋273K）T回、T熔分別為金屬回復(fù)、熔化的絕對(duì)溫度。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)作用：a）晶格扭曲消除b）內(nèi)應(yīng)力明顯下降回復(fù)只能部分消除加工硬化圖：冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化示意圖

十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)2、再結(jié)晶recrystallization

：溫度上升到金屬熔化溫度的0.4-0.5倍時(shí)，金屬原子獲得更多的熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，生長成新的晶粒。

實(shí)質(zhì)：無畸變組織代替變形組織，完全消除加工硬化。T再—0.4T熔

T再—金屬絕對(duì)再結(jié)晶溫度，單位K

。T熔—絕對(duì)熔化溫度，單位K

再結(jié)晶退火：經(jīng)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時(shí)間，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除變形強(qiáng)化和殘余應(yīng)力的工藝。通過：形核、長大方式完成。再結(jié)晶后晶格類型沒有變化。高溫下受力塑性變形—硬化與再結(jié)晶同時(shí)存在。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)3、晶粒長大

——自發(fā)過程符合能量最低原理：晶粒長大可減少晶界面積，使晶界能下降，組織更穩(wěn)定。需控制長大：——T加熱，t加熱。正常晶粒長大：異常晶粒長大（又稱二次再結(jié)晶）：很多晶粒同步均勻長大。少數(shù)晶粒產(chǎn)生急劇長大而形成粗大組織。當(dāng)冷變形度在2-10%時(shí)，金屬畸變能小，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力小，再結(jié)晶晶核少，少數(shù)再結(jié)晶晶粒持續(xù)長大而形成粗大組織。變形度一般采取30-70%的變形度。變形度太大也會(huì)產(chǎn)生異常晶粒長大。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)1）冷加工coldworking（冷變形）冷變形—T再以下發(fā)生的變形。

冷變形后具有加工硬化組織，能獲得較高的表面光潔度及硬度，但變形程度不宜過大，避免破裂。冷變形的特點(diǎn)：制作精度好、表面粗糙度小、勞動(dòng)條件好，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，但變形抗力大，對(duì)工模具要求高，且易產(chǎn)生應(yīng)力、塑性下降，有加工硬化現(xiàn)象。冷變形常常需要中間退火。

冷變形后的件若繼續(xù)加工，要再結(jié)晶退火。3.3金屬的熱加工

3.3.1冷、熱加工的區(qū)別

第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)熱變形—T再以上發(fā)生的變形。

熱變形可得到再結(jié)晶組織，變形程度大，無加工硬化，獲得良好的機(jī)械性的組織。熱加工的特點(diǎn)：塑性良好，變形抗力小，容易加工變形；但易氧化，制件的尺寸精度差，表面粗糙，勞動(dòng)條件差，需專門加熱設(shè)備。2）熱加工hotworking（熱變形）第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)例：鎢（熔點(diǎn)為3380℃）在800℃變形為冷加工，而鉛（熔點(diǎn)為327℃）在室溫變形就可稱為熱加工。第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)1、改善金屬的鑄錠的組織和性能消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷，提高致密度及力性。氣孔、疏松焊合；消除某些偏析；改善夾雜物的形態(tài)、分布。2、細(xì)化晶粒3、形成熱加工的纖維組織（流線），性能各向異性。對(duì)象：枝晶偏析、非金屬夾雜物縱向＞橫向，流線應(yīng)與零件受力最大的方向一致4、出現(xiàn)帶狀組織——橫向ψ、αk下降，切削性能惡化。3.3.2熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響第三章金屬的結(jié)晶與塑性變形十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)鍛造流線forgingflowline

：鍛造時(shí)，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長方向