金屬工藝學(xué)第三章

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：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，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ΔT；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

晶面單晶體金金屬在正正應(yīng)力作作用下的的變形示示意圖單晶體的的塑性變變形方式式：滑移移和孿生生滑移的概概念：在在切應(yīng)力力作用下下，晶體體的一部部分相對對于另一一部分沿一一定晶面面（滑移移面）的的一定方方向（滑滑移方向向）發(fā)生生滑動。?；频奶靥攸c(diǎn)：1）滑移只只能在切切應(yīng)力的的作用下下發(fā)生。。產(chǎn)生滑滑移的最最小切應(yīng)力力稱為臨界切應(yīng)應(yīng)力?；?）滑移的的實(shí)現(xiàn)——借助于位位錯運(yùn)動動3）滑移移總是沿沿著原子子排列最最緊密的的原子面面進(jìn)行6）晶格格位向不不變7）滑滑移的間間距是原原子間距距的整數(shù)數(shù)倍4）滑移的的結(jié)果產(chǎn)產(chǎn)生滑移移帶5）滑移伴伴隨著轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動孿生在切應(yīng)力力作用下下，晶體體的一部部分相對對于另一一部分沿沿一定晶晶面（孿孿生面））和晶向向（孿生生方向））發(fā)生切變，產(chǎn)生塑塑性變形形。孿生的特特點(diǎn)：1）位向向發(fā)生改改變；2）切應(yīng)應(yīng)力大；；3）變形形速度快快；4）相鄰鄰原子面面的位移移量小于于一個原原子間距距。幾種晶體體結(jié)構(gòu)的的變形方方式單晶體的的塑性變變形究竟竟以何種種方式進(jìn)進(jìn)行，主主要取決決于晶體體結(jié)構(gòu)和和外部條條件：面心立方方晶格：：一般不發(fā)發(fā)生孿生生變形；；體心立方方晶格：：一般以滑滑移的方方式進(jìn)行行，只有有在低溫溫或受到到?jīng)_擊時時才發(fā)生生孿生變變形；密排六方方晶格：：以孿生變變形為主主。二、多晶晶體的塑塑性變形形多晶體的的塑性變變形主要要受晶粒粒的位向向及晶界界對位錯錯運(yùn)動的的阻礙多晶體變變形的特特點(diǎn)：（1）變變形抗力力高（2）變變形和應(yīng)應(yīng)力不均均勻性（3）晶晶界和晶晶粒間位位向差共共同作用用三、塑性變變形對金金屬組織織和性能能的影響響1.晶晶粒粒拉長，，纖維組組織→→各各向異性性(沿沿纖維方方向的強(qiáng)強(qiáng)度、塑塑性最大大）變形10%100××變形40%100××變形80%纖纖維組織織100×工業(yè)純鐵鐵

不同同變形度度

的顯顯微組織織2.織織構(gòu)(形形變織構(gòu)構(gòu)）金屬塑性性變形到到很大程程度(70%以以上)時時,由由于晶粒粒發(fā)生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動,使使各晶晶粒的位位向趨近近于一致致,形形成特殊殊的擇優(yōu)優(yōu)取向,這種種有序化化的結(jié)構(gòu)構(gòu)叫做形變織構(gòu)構(gòu)。形變織織構(gòu)一般般分兩種種：一種種是各晶晶粒的一一定晶向向平行于于拉拔方方向,稱稱為絲絲織構(gòu)。。例如低碳碳鋼經(jīng)高高度冷拔拔后,其其<100>平行于于拔絲方方向;另另一種種是各晶晶粒的一一定晶面面和晶向向平行于于軋制方方向,稱稱為板板織構(gòu),低碳碳鋼的板板織構(gòu)為為{001}<110>。晶粒拉長長，但未未出現(xiàn)織織構(gòu)。晶粒拉長長，且出出現(xiàn)織構(gòu)構(gòu)。因形變織織構(gòu)造成成深沖制制品的制制耳示意意圖3.加加工硬化化（形變變強(qiáng)化））加工硬化化的原因因：塑性變形→→位錯密度增加加，相互纏結(jié)結(jié)，亞晶界，，運(yùn)動阻力加加大→變變形抗力↑；；晶粒破碎細(xì)細(xì)化。金屬在冷變形形時，強(qiáng)度、、硬度↑，，塑性、韌性性↓。P21，圖1-17加工硬化的實(shí)實(shí)際意義有效的強(qiáng)化機(jī)機(jī)制；均勻塑性變形形和壓力加工工的保證；零件安全的保保證。4）形成亞結(jié)構(gòu)構(gòu)；金屬經(jīng)大的塑塑性變形時,由于位錯的密密度增大和發(fā)發(fā)生交互作用用,大量位錯堆積積在局部地區(qū)區(qū),并相互纏結(jié),形成不均勻的的分布,使晶粒分化成成許多位向略略有不同的小小晶塊,而在晶粒內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生亞晶粒。。金屬經(jīng)變形后后的亞結(jié)構(gòu)6）殘余內(nèi)應(yīng)應(yīng)力：外力去去除后，殘留留于金屬內(nèi)部部且

平衡于于金屬內(nèi)部的的應(yīng)力。由金金屬內(nèi)部不均均勻變形引起起

，殘余應(yīng)應(yīng)力分為第一一類應(yīng)力；第第二類應(yīng)力和和第三類應(yīng)力力。殘余內(nèi)應(yīng)力的的危害：引起零件加工工過程變形、、開裂；耐蝕性↓。5）塑性變形形可影響金屬屬的物理、化化學(xué)性能。如如使電阻增大大,耐腐蝕蝕性降低。四、塑性變形形后的金屬在在加熱時組組織和性性能的變化加熱時冷變形形金屬組織和和性能隨溫度度的升高可分分為三個階段段：1．回復(fù)2．再結(jié)晶3．晶粒長大大回復(fù)變形后的金屬屬在較低溫度度進(jìn)行加熱，，會發(fā)生回復(fù)復(fù)過程。產(chǎn)生生回復(fù)的溫度度T回復(fù)為：T回復(fù)=(0.25～0.3)T熔點(diǎn)式中：T熔點(diǎn)表示該金屬的的熔點(diǎn),單單位為絕對溫溫度(K)。。由于加熱溫度度不高,原原子擴(kuò)散能力力不很大,只只是晶粒內(nèi)內(nèi)部位錯、空空位、間隙原原子等缺陷通通過移動、復(fù)復(fù)合消失而大大大減少，而而晶粒仍保持持變形后的形形態(tài)，變形形金屬的顯微微組織不發(fā)生生明顯的變化化。此時材料料的強(qiáng)度和硬硬度只略有降降低，塑性有有增高，但殘余應(yīng)力則大大降低。。工業(yè)上常利利用回復(fù)過程程對變形金屬屬進(jìn)行去應(yīng)力力退火，以降降低殘余內(nèi)應(yīng)應(yīng)力，保留留加工硬化效效果。再結(jié)晶1.再結(jié)晶過過程及其對金金屬組織、性性能的影響變形后的金屬屬在較高溫度度加熱時，由由于原子擴(kuò)散散能力增大，，被拉長（或或壓扁）、破破碎的晶粒通通過重新生核核、長大變成成新的均勻、、細(xì)小的等軸軸晶。這個過過程稱為再結(jié)晶。變形金屬進(jìn)行行再結(jié)晶后，，金屬的強(qiáng)度度和硬度明顯顯降低，而塑塑性和韌性大大大提高，加加工硬化現(xiàn)象象被消除，此此時內(nèi)應(yīng)力全全部消失，物物理、化學(xué)性性能基本上恢恢復(fù)到變形以以前的水平。。再結(jié)晶生成的的新的晶粒的的晶格類型與與變形前、變變形后的晶格格類型均一樣樣。2.再結(jié)晶溫度變形后的金屬屬發(fā)生再結(jié)晶晶的溫度是一一個溫度范圍圍，并非某一一恒定溫度。。一般所說的的再結(jié)晶溫度度指的是最低低再結(jié)晶溫度度(T再),通常用經(jīng)大變變形量(70%以上)的冷塑性變形形的金屬,經(jīng)一小時加熱熱后能完全再再結(jié)晶的最低低溫度來表示示。最低再結(jié)結(jié)晶溫度與該該金屬的熔點(diǎn)點(diǎn)有如下關(guān)系系：T再=(0.35～0.4)T熔點(diǎn)式中的溫度單單位為絕對溫溫度(K)。晶粒長大變形80%工業(yè)純鐵再再結(jié)晶退火顯顯微照片100××變形80%600℃退火8小小時變形80%400℃退火8小時再結(jié)晶后的晶晶粒度影響因素：1）加熱溫度度T、保溫溫時間t↑↑→晶粒粒直徑D↑↑；2）預(yù)變形度度的影響。2～10％金屬材料塑性性變形的加工工：熱加工和和冷加工1．冷、熱加加工的劃分的的標(biāo)準(zhǔn)：再結(jié)結(jié)晶溫度來劃劃分。2．金屬熱加工時組織和性能能的變化。形成流線鍛造曲軸切削加工曲軸軸細(xì)化晶粒；焊合氣孔、疏疏松，消除成成分不均勻；；熱加工時金屬屬塑性好；熱加工時金屬屬表面有氧化化、對某些金金屬不易加工、對薄壁壁或細(xì)的軋件件不易保溫、、加工后的強(qiáng)度和硬度度不及冷變形形加工。思考題為什么鑄件的的加工余量過過大會使加工工后的鑄件強(qiáng)強(qiáng)度降低？某車間用冷拉拉鋼絲繩吊裝裝工件隨爐加加熱到700℃，保溫1h后起吊出爐，，鋼絲繩突然然斷裂，試分分析其原因。。一曲線尺（純純錫材料）經(jīng)經(jīng)反復(fù)彎曲發(fā)發(fā)現(xiàn)其逐漸變變硬，在房間間內(nèi)放置一段段時間后，其其性能恢復(fù)如如初，試分析析其原因。9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。21:56:5021:56:5021:5612/28/20229:56:50PM11、以我獨(dú)獨(dú)沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2221:56:5021:56Dec-2228-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。21:56:5021:56:5021:56Wednesday,December28,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2221:56:5021:56:50December28,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。28十十二二月20229:56:50下下午21:56:5012月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:56下下午午12月月-2221:56December28,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/2821:56:5021:56:5028December202217、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時時，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點(diǎn)點(diǎn)的的射射線線向向前前。。。。9:56:50下下午午9:56下下午午21:56:5012月月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。21:56:5021:56:5021:5612/28/20229:56:50PM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積積累。。。12月-2221:56:5021:56Dec-2228-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對對圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無無限限完完美美。。。。21:56:5021:56:5021:56Wednesday,December28,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2221:56:5021:56:50December28,202214、意志堅強(qiáng)的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。28十二月月20229:56:50下午21:56:5012月-2215、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。十二月229:56下下午12月-2221:56December28,202216、少少年年十十五五二二十十時時，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2022/12/2821:56:5021:56:5028December202217、空空山山新新雨雨后后，，天天氣氣晚晚來來秋秋。。。。9:56:50下下午午9:56下下午午21:56:5012月月-229、楊柳散散和風(fēng)，，青山澹澹吾慮。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱讀讀一切切好書書如同同和過過去最最杰出出的人人談話話。21:56:5121:56:5121:5612/28/20229:56:51PM11、越是沒有有本領(lǐng)的就就越加自命命不凡。12月-2221:56:5121:56Dec-2228-Dec-2212、越越是是無無能能的的人人，