工程材料及热加工基础 第三章 金属的结晶 变形与再结晶

材料科学与技术学院,工程材料及成形工艺基础,第3章金属的结晶、变形与再结晶,.1金属的结晶与及铸件晶粒大小控制,.2塑性变形与再结晶,.3金属的热加工,学习重点：结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。塑性变形、回复与再结晶的基本过程。,学习要求和难点,3.1.1结晶基础知识,凝固：物质由液态转变为固态。结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程一次结晶：LS晶态二次结晶：S晶态或非晶态S晶态,1结晶与凝固的区别,3.1金属的结晶与同素构转变,物质在液态和固态下的能量温度曲线,结晶的热力学驱动力：F=FSFL0T越大，自由能差F越大，结晶的驱动力越大，结晶的倾向越大。,2结晶的条件,3.1金属的结晶与同素构转变,纯金属的冷却曲线,过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。T=TnTm,过冷现象,结晶的充分必要条件就是必须要有一定的过冷度。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大过冷度越大。,3.1金属的结晶与同素构转变,3.1.2结晶的过程,是形核与长大交替进行的过程。,纯金属结晶过程示意图,Nucleation-Growth,3.1金属的结晶与同素构转变,1形核：在液态金属中形成稳定的具有晶体结构原子排列规律的结晶核心（晶核）。自发形核：由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成；非自发形核：晶核依附于液体中存在的固态杂质微粒的表面而形成。相对于自发形核要容易许多。,3.1金属的结晶与同素构转变,液态金属的结构特征：（1）短程有序；（2）原子处于剧烈的热振动状态。结构起伏、能量起伏,纯金属结晶过程示意图,3.1金属的结晶与同素构转变,2晶核的长大,晶体长大示意图,枝晶生长的形式,3.1金属的结晶与同素构转变,铸锭表面树枝晶,3.1金属的结晶与同素构转变,n=2C-1n-晶粒度，为显微镜放大100倍时，645.16mm2面积内的晶粒数；C-晶粒度级别。,3.1.3结晶晶粒大小及控制,1晶粒度与晶粒度级别,3.1金属的结晶与同素构转变,2晶粒大小与机械性能间的关系晶粒越细，材料的综合机械性能越高。,可用细化晶粒的方法提高材料的强度（细晶强化）。,抗拉强度/Nm-2,屈服强度/Nm-2,断后伸长率/%,1086420.1,6050403020104.0,晶粒大小对纯铁力学性能的影响,3.1金属的结晶与同素构转变,2细化晶粒的途径（1）增加过冷度；（2）变质处理；（3）振动。,黄铜晶粒度对硬度的影响,3.1金属的结晶与同素构转变,（1）增加过冷度,增加T，使形核率N和长大速度都提高，但N的提高速度较G快，故增加T使N/G值增大，可有效地细化晶粒。,过冷度对形核率和生长速度的影响,3.1金属的结晶与同素构转变,（2）变质处理,在浇注前向液态金属中加入一些固态颗粒（变质剂），作为现成晶核以提高形核率，或可以抑制晶核的长大速度。变质剂可以是单质元素或化合物，常见的变质剂有Ti、Al、V、Zr、硅铁等。,3.1金属的结晶与同素构转变,（3）振动,对结晶过程中的液态金属施加一定频率的振动波，产生的金属液对流会使成长中树枝晶臂断裂，从而增加了晶核数目，提高了形核率。常用的方法有机械震动、超声波振动和电磁搅拌等。,3.1金属的结晶与同素构转变,3.1.4金属铸锭组织,1.包括表面细晶区，柱状晶区，中心等轴晶粒区。,金属铸锭组织示意图1-表层细晶粒区2-柱状晶粒区3-中心等轴状晶粒区,3.1金属的结晶与同素构转变,柱状晶区生长示意图,3.1金属的结晶与同素构转变,2.对于钢锭等，一般不希望得到柱状晶粒区，对于塑性好的金属，希望得到柱状晶发达的铸锭组织。控制铸锭组织的方法：提高溶化温度，有利于柱状晶区的发展，反之亦然。浇注温度和浇注速度的提高，将使温度梯度增大，有利于柱状晶区的发展。铸锭模的冷却能力，铸锭模的冷却能力越大，越有利于柱状晶的形成。,3.1金属的结晶与同素构转变,3.1.5多晶型金属同素异构,金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。,纯铁的同素异构转变,912C,3.1金属的结晶与同素构转变,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-Fe，bcc,-Fe，bcc,-Fe，fcc,Coolingcurve,770,铁磁性,3.1金属的结晶与同素构转变,1单晶体的塑性变形,塑性变形的基本形式滑移、孪生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塑性变形的实质原子移动到新的稳定位置,3.2塑性变形与再结晶,滑移：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。,3.2塑性变形与再结晶,滑移的实现借助于位错运动,2.5塑性变形与再结晶,图44晶格中不同晶面的面间距,滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为“滑移系”。,2.5塑性变形与再结晶,典型晶格的滑移系,6,2.5塑性变形与再结晶,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。,黄铜中的孪晶,2.5塑性变形与再结晶,晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。晶粒小晶界多变形抗力大强度，硬度（细晶强化）晶粒小变形分散，应力集中小塑性，韧性,2多晶体的塑性变形,2.5塑性变形与再结晶,3塑性变形对金属组织和性能的影响,(1)纤维组织：晶粒拉长各向异性(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,2.5塑性变形与再结晶,（2）织构：绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。,晶粒拉长，但未出现织构,晶粒拉长，且出现织构,2.5塑性变形与再结晶,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,（3）加工硬化：金属在冷变形时，强度、硬度，塑性、韧性,2.5塑性变形与再结晶,加工硬化的工程意义：加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行“中间退火”以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。,2.5塑性变形与再结晶,（4）残余内应力由金属内部不均匀变形引起,残余内应力的危害引起零件加工过程变形、开裂。耐蚀性,2.5塑性变形与再结晶,2.5.2塑性变形后的金属在加热时组织和性能变化,1回复2再结晶3晶粒长大,2.5塑性变形与再结晶,1.回复（去应力退火）,塑性变形后的金属在低温加热时发生：位错和点缺陷大大，内应力显著，强度、硬度略有。回复温度=（0.250.3）Tm,2.5塑性变形与再结晶,回复后的组织性能变化,宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。,2.5塑性变形与再结晶,2.再结晶（再结晶退火）：在较高温度加热时发生。,通过重新形核、长大，生成新的等轴晶粒，晶格类型不变。加工硬化消除强度、硬度大大，塑性、韧性大大。,最低再结晶温度TR纯金属TR=（0.40.35）Tm合金TR=（0.50.7）Tm温度单位：绝对温度(K)预变形度对TR有影响,2.5塑性变形与再结晶,再结晶后的晶粒度,加热温度T晶粒直径D预变形度的影响,2.5塑性变形与再结晶,3.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,加热温度T和加热时间t晶界迁移、晶粒合并长大。,2.5塑性变形与再结晶,2.5.3金属材料的热加工和冷加工,热加工：在TR以上温度进行的变形加工，如钢材的热锻和热轧。,冷加工：在TR以下温度进行的变形加工，如冷拔、冷冲。,