第二专题A改变金属材料性能的主要途径.ppt

第三部分改变金属材料性能的主要途径 1金属的塑性变形 2回复与再结晶 第一章金属的塑性变形与再结晶 1金属的塑性变形 一 什么是塑性变形二 金属单晶体的塑性变形三 多晶体金属的塑性变形四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 一 塑性变形 金属或合金在外力作用下 都能或多或少地发生变形 去除外力后 永远残留的那部分变形叫塑性变形 生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工 金属的塑性变形可分为 冷塑性变形和热塑性变形 本章主要研究金属冷塑性变形 一 塑性变形 压力加工方法示意图 图2 1压力加工方法 二 金属单晶体的塑性变形 金属单晶体的塑性变形有 滑移 与 孪晶 等不同方式 但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的 下面我们具体看一下单晶体塑性变形的基本方式 滑移 1 滑移的表象2 滑移的机理3 晶体的滑移面 滑移方向及滑移系4 晶体在滑移过程中的转动 1 滑移的表象 发生了滑移的金属试样表面状态如图2 2 图2 2滑移 面缺陷 孪晶 图1 18孪晶示意图 小贴士 孪晶是指两个晶体 或一个晶体的两部分 沿一个公共晶面 即特定取向关系 构成镜面对称的位向关系 孪晶面两侧原子排列的规则不同 所以孪晶面也是面缺陷的一种 1 滑移的表象 如果将一个单晶体金属试样表面抛光后 经过伸长变形 再在金相显微镜下观察 可以看到试样表面出现许多条纹 这些条纹就是晶体在切应力的作用下 一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 滑移面 和一定的晶向 滑移方向 滑移产生的台阶 这些条纹称为 滑移线 见图2 3 在更高倍的电子显微镜下观察 一个滑移台阶实际上是一束滑移线群的集合体 称为 滑移带 同时还能看到滑移带在晶体上的分布是不均匀的 单晶体变形时 滑移只在晶体内有限的晶面上进行 是不均匀的 因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带 其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现 锌单晶体拉伸试验 图2 3锌单晶体拉伸试验示意图 a 变形前试样 b 变形后试样 2 滑移的机理 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现 但晶体内相邻两部分之间的相对滑移 不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动 而是由于晶体内存在位错 因位错线两侧的原子偏离了平衡位置 这些原子有力求达到平衡的趋势 当晶体受外力作用时 位错 刃型位错 将垂直于受力方向 沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面 形成一个原子间距的滑移量 一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所形成的台阶 2 滑移的机理 图2 4滑移机理示意图 3 晶体的滑移面 滑移方向及滑移系 晶体上的滑移带分布是不均匀的 即塑性变形时 位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动 并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的 这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向 并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向 因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大 其原子之间的结合力最弱 所以在外力作用下最易引起相对的滑动 不同金属的晶体结构不同 其滑移面和滑移方向的数目和位向不同 一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个 滑移系 所以不同晶体结构的金属 其滑移系的数目不同 如体心立方12个 面心立方12个 密排六方12 且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好 反之滑移系数愈少 塑性不好 且相同滑移系数目相同时 滑移方向数越多 越易滑移 塑性越好 4 晶体在滑移过程中的转动 单晶体试样在拉伸实验时 如图2 3 除了沿滑移面产生滑移外 晶体还会产生转动 因为晶体在拉伸过程 当滑移面上 下两部分发生微小滑移时 试样两端的拉力不再处于同一直线上 于是在滑移面上形成一力偶 使滑移面产生以外力方向为转向 趋向于与外力平行的转动 可见在滑移过程中 由于晶体的转动 晶体的位向会发生变化 原来处于软取向滑移系 逐渐转向硬取向 使滑移困难 这种现象 取向硬化 相反 原来硬取向的滑移系 将逐步趋于软位向 易于滑移 称为 取向软化 可见在滑移过程中 取向软化 和 取向硬化 是同时进行的 三 多晶体的塑性变形 工程上使用的金属材料大多为位向 形状 大小不同的晶粒组成的多晶体 因此多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果 多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生两种方式进行的 但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的 晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响 所以多晶体的塑性变形较单晶体复杂 1 晶界和晶粒位向的影响2 多晶体金属的变形过程 小贴士 孪生与滑移是两种基本的形变机制 从微观上看 晶体原子排列沿某一特定面镜像对称 那个特定面叫孪晶面 1 晶界和晶粒位向的影响 晶界的存在会增大滑移抗力 而且因多晶体中各晶粒晶格位向的不同 也会增大其滑移抗力 因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体 金属的晶粒愈细 金属的强度便愈高 而且塑性与韧性也较高 1 晶界和晶粒位向的影响 图2 5双晶粒拉伸试样变形示意图 2 多晶体金属的变形过程 多晶体金属在外力的作用下 处于软取向的晶粒优先产生滑移变形 处于硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形 只能以弹性变形相平衡 由于晶界附近点阵畸变和相邻晶粒位向的差异 使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶粒 致使位错在晶界处塞积 只有进一步增大外力变形才能继续进行 随着变形加大 晶界处塞积的位错数目不断增多 应力集中也逐渐提高 2 多晶体金属的变形过程 当应力集中达到一定程度后 相邻晶粒中的位错源开始滑移 变形就从一批晶粒扩展到另一批晶粒 同时 一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向 其变形愈来愈困难 另一批晶粒又从硬取向转动到软取向 参加滑移变形 多晶体的塑性变形 是在各晶粒互相影响 互相制约的条件下 从少量晶粒开始 分批进行 逐步扩大到其它晶粒 从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形 2 多晶体金属的变形过程 图2 6多晶体的拉伸实验示意图 四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形 可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化 这些变化大致可以分为如下四个方面 晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性晶粒破碎 位错密度增加 产生加工硬化织构现象的产生残余内应力 四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 图3 10变形前后晶粒形状变化示意图 首先 大量的塑性变形使金属晶粒沿变形方向被拉长 形成冷变形显微组织 力学性能趋于各向异性 四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 然后 大量的塑性变形使金属晶粒位错以千 兆数量级增加 产生位错缠结 进而形成胞状亚结构 这种胞状亚结构是一种高密度的亚晶界 随着变形量增加 亚晶粒不断细化 使得金属的塑性变形抗力增加 塑性韧性下降 这种宏观现象称为加工硬化 见图3 11 利用塑性变形产生力学性能变化的方法也被称为形变强化 图3 11变形前后晶粒形状变化示意图 四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 图3 12形变织构示意图 第三 金属的塑性变形量达到80 左右时 金属晶粒择优取向 即晶粒沿变形方向转动 使晶粒位向 晶面 晶向 与变形方向趋于一致 各向异性十分明显 第四 金属的物理 化学性能发生明显变化 如电导率 磁导率和耐腐蚀性均有下降 某一位向晶面指数 hkl 位向不同晶面指数 hkl 方向相同的晶向指数 uvw 方向不同的晶向指数 2回复与再结晶 一 冷变形金属在加热时的组织和性能的变化二 影响再结晶粒大小的因素三 热加工对金属组织和性能的影响 一 冷变形金属在加热时的组织和性能的变化 1 回复阶段2 再结晶3 晶粒长大 变形金属加热时组织和性能变化示意图 图2 9 1 回复阶段 加热温度较低时 原子的活动能力不大 这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化 只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化 因此 这时金属的强度 硬度和塑性等机械性能变化不大 而只是使内应力及电阻率等性能显著降低 因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场合 比如冷拔高强度钢丝 利用加工硬化现象产生的高强度 此外 由于残余内应力对其使用有不利的影响 所以采用低温退火以消除残余应力 2 再结晶 通过回复 虽然金属中的点缺陷大为减少 晶格畸变有所降低 但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变 组织仍处于不稳定的状态 当它被加热到较高的温度时 原子也具有较大的活动能力 使晶粒的外形开始变化 从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒 和变形前的晶粒形状相似 晶格类型相同 把这一阶段称为 再结晶 2 再结晶 再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的 再结晶结束后 金属中内应力全部消除 显微组织恢复到变形前的状态 其所有性能也恢复到变形前的数值 消除了加工硬化 所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中 使其硬度降低 塑性长高 便于进一步加工 3 晶粒长大 为了保证变形金属的再结晶退火质量 获得细晶粒 有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素 再结晶结束后 若在继续升高温度或延长加热时间 便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象 即晶粒长大 晶粒长大对材料的机械性能极不利 强度 塑性 韧性下降 且塑性与韧性下降的更明显 为了保证变形金属的再结晶退火质量 获得细晶粒 有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素 二 影响再结晶粒大小的因素 1 变形度影响2 退火温度的影响 1 变形度影响 当变形量很小时 由于晶格畸变很小 不足以引起再结晶 故加热时无再结晶现象 晶粒度仍保持原来的大小 当变形度达到某一临界值 2 10 时 由于此时金属中只有部分晶粒变形 变形极不均匀 再结晶晶核少 且晶粒极易相互吞并长大 因而再结晶后晶粒粗大 这种变形度即为临界变形度 当变形度大于临界变形度时 随变形量的增加 越来越多的晶粒发生了变形 变形愈趋均匀 晶格畸变大 再结晶的晶核多 再结晶后晶粒愈来愈细 可见冷压加工应注意避免在临界变形度范围内加工 以免再结晶后产生粗晶粒 1 变形度影响 图2 10变形度对晶粒大小的影响 2 退火温度的影响 再结晶是在一个温度范围内进行的 若温度过低不能发生再结晶 若温度过高 则会发生晶粒长大 因此要获得细小的再结晶晶粒 必须在一个合适的温度范围内进行加热 实验表明 每种金属都有一最低的再结晶温度 即 T再 它和熔点之间存在如下大致关系 T再 0 4T熔T 热力学温度 2 退火温度的影响 再结晶退火温度必须在T再以上 生产上实际使用的再结晶温度通常是比T再高150 250 这样就既可保证完全再结晶 又不致使晶粒粗化 将这两个影响因素画在立体坐标中 得到图3 16的 再结晶全图 便可以根据它来确定再结晶退火的工艺参数 再结晶全图是指再结晶温度 变形度和晶粒度之间的关系 三 热加工对金属组织和性能的影响 1 热加工相关概念2 热加工对钢的组织和性能的影响 1 热加工相关概念 热加工 将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工 在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶软化两个过程 再结晶温度是热加工与冷加工的分界线 高于再结晶温度的压力加工是热加工 低于再结晶温度的压力加工是冷加工 2 热加工对钢的组织和性能影响 有利影响 1 通过热加工 可使铸态金属中的气孔焊合 从而使其致密度得以提高 2 通过热加工 可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎 从而使晶粒细化 机械性能提高 3 通过热加工 可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变 形成流线组织 如图2 11 可提高零件使用寿命 图2 11曲轴中的流线分布 a 锻造变形 b 切削加工 2 热加工对钢的组织和性能影响 不利影响 加工的温度过高 晶粒粗大 若温度过低 引起加工硬化 残余内应力等 形成带状 不均匀 组织使力学性能变坏 详见教材P 57 第二章金属的晶粒度对材料性能的影响 一 金属晶粒度与材料性能的关系二 影响晶粒度的因素三 细晶强化方法与应用 一 金属晶粒度与材料性能的关系 1 晶粒大小的控制晶粒的大小称为晶粒度 通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示 晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小 即N G比值越大 晶粒越细小 可见 凡是能促进形核 抑制长大的因素 都能细化晶粒 在工业生产中通常采用如下几种方法 晶粒愈细 晶界愈多 位错运动愈困难 强度与硬度愈高 见双晶粒试样拉伸变形示意图 细小的晶粒使金属具有较好的塑性和韧性 晶粒细化可提高金属强度 硬度而不降低塑性 韧性 二 影响晶粒度的因素 1 过冷度 2 异质晶核 1 过冷度 形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大 但两者的增加速率不同 形核率的增长率大于长大速率的增长率 图2 10 在通常金属结晶时的过冷度范围内 过冷度越大 则N G比值越大 因而晶粒越细小 增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度 例如 选用吸热和导热性较强的铸型材料 用金属型代替砂型 采用水冷铸型 降低浇注温度等 但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效 2 异质晶核 是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末 变质剂 促进非均匀形核来细化晶粒 例如在铝和铝合金以及钢中加入钛 锆等 但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形核作用 主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒 在液态金属中存在的异质微粒 符合前面所述的条件 即可作为晶核 异质微粒含量适当时 可以获得细晶粒金属 三 细晶强化方法与应用 1 细晶强化的主要方法2 细晶强化的应用 1 细晶强化的主要方法 就方法而言 1 提高过冷度 提高液态金属的冷却速度 金属型铸造 设计铸件的壁厚适当 2 进行变质处理 在液态合金中加入一定量的变质剂作为异质晶核以获得细晶粒铸件 3 振动 促进形核 破碎枝晶 对正在结晶的金属进行机械振动 超声波振动或电磁振动 使晶核数目显著增加 2 细晶强化的应用 主要应用于铸造生产领域 细晶强化实例 灰铸铁的孕育处理和铝活塞采用金属型铸造 就具体热加工工艺方法而言 1 对铸态使用的合金 合理控制冶铸工艺 如增大过冷度 加入变质剂 进行搅拌和振动等 2 对热轧或冷变形后退火态使用的合金 控制变形度 再结晶退火温度和时间 3 对热处理强化态使用的合金 控制加热和冷却工艺参数 利用相变重结晶来细化晶粒 第三章金属的合金化 一 合金化强化原理二 合金化强化方法与应用 一 合金化强化原理 1 固溶强化溶质原子溶入金属基体而形成固溶体 使金属的强度 硬度升高 塑性 韧性有所下降 这一现象称为固溶强化 例如单相的黄铜 单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强度和硬度的 如置换型溶质原子或面心立方晶体中的间隙型溶质原子或体心立方晶体中的间隙型溶质原子造成点阵畸变 其应力场将与位错应力场发生弹性交