殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力

會計(jì)學(xué)1殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力學(xué)習(xí)要點(diǎn)第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶格類型2、實(shí)際金屬的組織與結(jié)構(gòu)3、單晶體金屬塑性變形4、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)5、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)6、多晶體金屬塑性變形7、金屬的結(jié)晶8、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第1頁/共29頁第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1金屬晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬的結(jié)晶及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第2頁/共29頁1、晶體：物質(zhì)內(nèi)部的原子作有序、有規(guī)則的排列非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部的原子呈無序堆積狀況。

*一般固態(tài)金屬都是晶體。2、晶格：表示晶體中原子排列形式的空間格子3、晶胞：能夠完整反映晶格特征最小幾何單元。2.1金屬晶體結(jié)構(gòu)第3頁/共29頁晶格參數(shù)和晶面、晶向晶格參數(shù)：晶格常數(shù)a、b、c和棱邊邊夾角α、β、γ晶面：在晶格中由一系列原子組成的平面。晶向：在晶格中原子列的位向。第4頁/共29頁1、體心立方晶格：晶胞是一個(gè)立方體，金屬原子排列在立方體的中心和八個(gè)頂角上。**金屬有α-Fe、Cr、Mo、V等。晶格類型：晶格致密度：晶胞中原子所占有的體積與晶胞體積之比晶格常數(shù)晶胞中原子數(shù)目最近原子間距致密度a1/8×8＋1＝2√3a/20.68第5頁/共29頁2、面心立方晶格：晶胞是一個(gè)立方體，金屬原子排列在立方體的六個(gè)面的中心和八個(gè)頂角上。金屬有γ-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。晶格常數(shù)晶胞中原子數(shù)目最近原子間距致密度a1/8×8＋1/2×6＝4√2a/20.74第6頁/共29頁單晶體：晶格位向完全一致晶體。晶粒：外形不規(guī)則，晶格位向一致的小晶體。多晶體:許多位向不同，外形不規(guī)則的小晶粒組成晶界：多晶體金屬內(nèi)各晶粒間的交界面。單晶體與多晶體第7頁/共29頁單晶體金屬塑性變形理論上整體滑移：每一個(gè)原子都移動(dòng)。整體滑移所需的理論力遠(yuǎn)大于實(shí)際所需的力。第8頁/共29頁位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿生線缺陷/位錯(cuò)：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)理：位錯(cuò)的半原子面受到前后兩邊原子的排斥，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，只需加很小的力就能打破力的平衡，位錯(cuò)的半原子面移動(dòng)很小的距離（小于一個(gè)原子間距），達(dá)到虛線位置，使位錯(cuò)前進(jìn)一個(gè)原子間距。在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)繼續(xù)移動(dòng)到晶體表面。大量位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面，就形成宏觀塑性變形。實(shí)際滑移通過實(shí)現(xiàn)金屬的塑性變形主要是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起滑移完成。第9頁/共29頁實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格畸變：晶格中原子偏離平衡位置，使晶格發(fā)生扭曲

→破壞了原子的平衡狀態(tài)。點(diǎn)缺陷：晶格中存在空位、間隙原子、置換原子等點(diǎn)缺陷的存在，從而引起晶格畸變。

→性能變化：使金屬的電阻率增加，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。第10頁/共29頁線缺陷線缺陷/位錯(cuò)：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。

常見的有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)金屬的塑性變形主要是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起滑移形成。→阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。→減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。第11頁/共29頁面缺陷面缺陷/晶界：多晶體金屬內(nèi)各晶粒間的交界面。晶界/大角晶界：相鄰晶粒位向相差15°以上。亞晶粒：在一個(gè)晶粒內(nèi)部，晶格位向相差很?。?-3°）的小晶。亞晶界/小角晶界：第12頁/共29頁晶界特性1、晶界原子排列紊亂，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，是金屬中的強(qiáng)化部位（在常溫下，強(qiáng)度、硬度較高）。→金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積就越（），金屬的強(qiáng)度也越（）2、晶界處的原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，能量比晶內(nèi)的高(高出叫晶界能）→晶界熔點(diǎn)低、耐蝕性差、原子擴(kuò)散快?！Ы绲娜毕荼染?nèi)多，因而外來原子易在晶界上偏聚，其濃度高于晶內(nèi)，稱為內(nèi)吸附?！Ы邕€是固態(tài)相變的優(yōu)先形核部位。第13頁/共29頁多晶體金屬塑性變形分析角度：晶粒位向、晶界、晶粒大小1、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加，使塑性變形抗力增加。塑性變形不均勻和逐步擴(kuò)展，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力2、晶界：晶界原子排列紊亂，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)3、晶粒大?。毫Ｐ。Ы缍?，不同位向晶粒多，塑性變形抗力大強(qiáng)度（）。晶粒大小影響韌性、塑性：A變形量均勻分散在更多的晶粒內(nèi)，不致集中少數(shù)晶粒，造成變形嚴(yán)重；B晶粒小，晶界多且曲折，不利于裂紋傳播，斷裂前能承受大的塑性變形，吸收較多的功故韌性、塑性（）第14頁/共29頁冷塑性變形后金屬的組織與性能1、位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化優(yōu)點(diǎn)：A、強(qiáng)化金屬手段；B、增加構(gòu)件的安全性；C、有利于金屬進(jìn)行均勻變形，是塑性變形成形的重要因素；缺點(diǎn)：進(jìn)一步冷塑性變形困難。2、冷塑性變形引起各項(xiàng)異性：A、組織纖維化

B、結(jié)構(gòu)（晶粒）方向性3、產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力第15頁/共29頁殘余內(nèi)應(yīng)力1宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力：由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)殘余應(yīng)力。彎曲變形后第16頁/共29頁殘余內(nèi)應(yīng)力2微觀殘余內(nèi)應(yīng)力：多晶體的各晶粒的變形不均勻，而使各晶粒間產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。第17頁/共29頁殘余內(nèi)應(yīng)力3晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，增加了位錯(cuò)及空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離平衡而造成晶格畸變，從而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。需要部分原子范圍內(nèi)（幾百，幾千）來相互平衡。第18頁/共29頁殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。類別：1、宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力2、微觀殘余內(nèi)應(yīng)力3、晶格畸變應(yīng)力（90%）引起殘余內(nèi)應(yīng)力的原因：塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變等有害影響：1、降低工件的承載能力2、使工件尺寸和形狀發(fā)生變化3、降低工件的耐蝕性第19頁/共29頁金屬結(jié)晶1、結(jié)晶：液態(tài)金屬凝固成晶體結(jié)構(gòu)的過程。也是原子由不規(guī)則排列的液態(tài)逐步過渡到原子規(guī)則排列的晶體的過程。2、理論/平衡結(jié)晶溫度：理論上凝固點(diǎn)與熔點(diǎn)一致的溫度3、過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差。T0-T1=△T

*冷卻速度越快，實(shí)際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大。結(jié)晶階段第20頁/共29頁結(jié)晶過程結(jié)晶過程：形核及晶核長大的過程。晶核：結(jié)晶的核心質(zhì)點(diǎn)（原子小集團(tuán)）。晶粒的大小取決于晶核的形成速率和長大速度?？刂七^冷度：過冷度對形核率和長大速度都有影響。

第21頁/共29頁鑄錠的形成1、表面細(xì)晶粒層2、柱狀晶區(qū)3、中心等軸區(qū)第22頁/共29頁變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化1、回復(fù)：加熱溫度低，顯微組織無明顯變化，機(jī)械性能變化不大，殘余殘余應(yīng)力顯著下降的階段。2、原因：溫度低，原子短距離擴(kuò)散，使空位與間隙原子合并，空位與位錯(cuò)發(fā)生交互作用而消失，晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力顯著下降。但位錯(cuò)密度未顯著減少，加工硬化的主要原因未消除。機(jī)械性能在回復(fù)階段變化不大。3、冷變熱處理方法應(yīng)用：去應(yīng)力退火回復(fù)/冷卷彈簧（250-300℃），青銅絲彈簧（120-150℃）。

變形后的金屬，晶格畸變，原子內(nèi)能升（）而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)原來穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。室溫，原子活動(dòng)能力（），而溫度高，（），其組織和性能（）。變化階段（）。第23頁/共29頁2、再結(jié)晶4、冷變熱處理方法應(yīng)用：（再結(jié)晶退火）為工件拉延、彎曲繼續(xù)進(jìn)行的中間熱處理。1、再結(jié)晶：加熱溫度較高，顯微組織（），加工硬化（性能）和殘余應(yīng)力（）。2、再結(jié)晶過程：溫升，原子活動(dòng)能力大，在晶界等晶格畸變嚴(yán)重處，形核，長大成等軸晶粒。晶格畸變輕，位錯(cuò)密度減輕到變形前，殘余應(yīng)力和加工硬化（）。注：再結(jié)晶前后，晶粒晶格（）。晶粒形狀（）。3、再結(jié)晶溫度；溫度范圍最低溫度。T再=（0.35-0.4）T熔第24頁/共29頁3、晶粒長大晶粒長大：溫升或保溫，晶界遷移位向改變，晶粒被吞并而長大第25頁/共29頁金屬熱變形加工（熱鍛/熱軋）1、冷熱變形加工區(qū)別：以再結(jié)晶溫度劃分。鎢/1200℃，錫/-7℃。2、熱加工特點(diǎn)：冷加工+再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行。熱加工時(shí)，由于金屬原子結(jié)合力減小，而且形變強(qiáng)化現(xiàn)象隨時(shí)被再結(jié)晶消除，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性提高，因此熱加工比冷加工易進(jìn)行。3、適用場合：A、熱加工可應(yīng)用于截面尺寸大，變形量大、材料在室溫下脆性較高。

B、冷加工適于截面尺寸小、加工尺寸和表面質(zhì)量要求較高的金屬制品。第26頁/共29頁金屬熱變形加工時(shí)組織和性能的變化

1）形成纖維組織2）消除和改善鑄態(tài)金屬的組織缺陷（如：氣泡縮孔焊和、縮松壓實(shí)、使材料致密；鑄態(tài)時(shí)粗大的柱狀晶經(jīng)熱變形加工變成細(xì)小的等軸晶粒；大塊碳化物被打碎，使成分均勻。第27頁/共29頁金