机械工程材料及成型工艺第三章.pptVIP

第三章 金属的结晶与塑性变形,教学目的和要求 1.掌握过冷度的概念以及过冷度和冷却速度的关系；掌握结晶的规律和形核的方式；了解金属晶核长大方式；掌握晶粒细化的方法 2.掌握同素异构转变的概念以及铁的同素异构转变 3.掌握单晶体的塑性变形方式及其特点，了解多晶体和合金的塑性变形；掌握塑性变形对金属组织和性能的影响 4.掌握变形金属在加热时组织和性能的变化；了解热加工对金属组织和性能的影响 教学内容提纲 1.金属的结晶 2.金属的塑性变形 3.金属的热加工,一、金属的结晶,1 金属结晶的温度,a-理论结晶温度曲线 b-实际结晶温度曲线 金属结晶的冷却曲线示意图,2.过冷度,过冷度： T T0T1。 影响因素：冷却速度、金属性质和纯度有关。 冷却速度越大，则过冷度越大，实际金属结晶温度越低。反之，若冷却速度无限小(即散热无限慢)时，则实际结晶温度与平衡结晶温度趋于一致。然而，实践证明晶体总是在过冷情况下结晶，过冷是金属结晶的必要条件。,3.金属结晶的规律,纯金属的结晶过程：晶核形成和长大。,纯金属结晶过程示意图,纯金属结晶过程示意图,4. 金属晶核形成的方式,自发形核: 以过冷液体中的相起伏（液体中有规 则排列的原子集团）为基础的形核； 非自发形核：依附于过冷液体中的某些杂质质点 表面而形核。,5 金属晶粒的细化方法,金属内部晶粒越细小，则晶界越多且晶格畸变越 大。从而使金属强度、硬度提高，并使变形均匀分布 在许多晶粒上，塑性、韧性也好。,金属结晶后晶粒大小与单位时间、单位体积内的形核数量Z和形核率N和长大速度G有关，若晶核的形成速率很大，而长大速度很小时，便可得到很细的晶粒。,生产中常采用1）增加过冷度T；2）变质处理；3）附加振动等细化晶粒的方法。,6 金属的同素异构转变,把种金属具有两种或两种以上的晶格结构称为同素异构性，这种金属的晶格结构随温度变化而改变的现象，称为同素异构转变。 同素异构转变与液态金属结晶存在着明显区别，主要表现在：同素异构转变时晶界处能量较高，新的晶核往往在原晶界上形成；固态下原子扩散比较困难，固态转变需要较大的过冷；固态转变时会产生体积变化，在金属中引起较大的内应力。,纯铁的同素异构转变,单晶体的塑性变形,晶体在外力作用下任何晶面的分力：,二、金属的塑性变形,正应力：使晶格发生弹性变形或断裂 切应力：使晶格发生弹性歪扭或塑性变形,单晶体金属在正应力作用下的变形示意图,单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生,滑移的概念：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生滑动。,滑移的特点： 1）滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最 小切应力称为临界切应力。,滑移,2）滑移的实现 借助于位错运动,3）滑移总是沿着原子排列最紧密的原子面进行,6）晶格位向不变 7）滑移的间距是原子间距的整数倍,4）滑移的结果产生滑移带 5）滑移伴随着转动,孪生,在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。,孪生的特点：,1）位向发生改变； 2）切应力大； 3）变形速度快； 4）相邻原子面的位移量小于一个原子间距。,几种晶体结构的变形方式,单晶体的塑性变形究竟以何种方式进行，主要取决于晶体结构和外部条件： 面心立方晶格：一般不发生孪生变形； 体心立方晶格：一般以滑移的方式进行，只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形； 密排六方晶格：以孪生变形为主。,二、多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形主要受晶粒的位向及晶界对位错运动的阻碍 多晶体变形的特点： （1）变形抗力高 （2）变形和应力不均匀性 （3）晶界和晶粒间位向差共同作用,三、塑性变形对金属组织和性能的影响,1. 晶粒拉长，纤维组织 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）,变形10% 100,变形40% 100,变形80% 纤维组织 100,工业纯铁 不同变形度 的显微组织,2. 织构(形变织构）,金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 称为丝织构。 例如低碳钢经高度冷拔后, 其平行于拔丝方向; 另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为板织构, 低碳钢的板织构为001。,晶粒拉长，但未出现织构。,晶粒拉长，且出现织构。,因形变织构造成深冲制品的制耳示意图,3. 加工硬化（形变强化）,加工硬化的原因： 塑性变形 位错密度增加，相互缠结，亚晶界，运动阻力加大 变形抗力；晶粒破碎细化。,金属在冷变形时，强度、硬度 ，塑性、韧性。,P21，图1-17,加工硬化的实际意义,有效的强化机制； 均匀塑性变形和压力加工的保证； 零件安全的保证。,4）形成亚结构；,金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。,金属经变形后的亚结构,6）残余内应力：外力去除后，残留于金属内部且 平衡于金属内部的应力。由金属内部不均匀变形引起 ，残余应力分为第一类应力；第二类应力和第三类应力。,残余内应力的危害： 引起零件加工过程变形、开裂； 耐蚀性。,5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大, 耐腐蚀性降低。,四、 塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化,加热时冷变形金属组织和性能随温度的升高可分为三个阶段： 1回复 2再结晶 3晶粒长大,回复,变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度T回复为 ： T回复=(0.250.3)T熔点 式中：T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度(K)。 由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力， 保留加工硬化效果。,再结晶,1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。 变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。,2. 再结晶温度 变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再), 通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系： T再=(0.350.4)T熔点 式中的温度单位为绝对温度(K)。,晶粒长大,变形80%,工业纯铁 再结晶退火 显微照片 100,变形80% 600退火8小时,变形80% 400退火8小时,再结晶后的晶粒度,影响因素：1）加热温度 T、保温时间t 晶粒直径 D； 2）预变形度的影响。,210,金属材料塑性变形的加工：热加工和冷加工,1冷、热加工的划分的标准：再结晶温度来划分。 2金属热加工时组织和性能的变化。 形成流线,锻造曲轴,切削加工曲轴,细化晶粒； 焊合气孔、疏松，消除成分不均匀； 热加工时金属塑性好； 热加工时金属表面有氧化、对某些金