金属材料专业英语翻译.doc

结晶机制，在熔体中，原子没有固定的排列方式，相反地，而是随意分布且连续不断运动着，构成少量金属的大量原子钟，一些原子的位置在任意时刻是和在固态下的有序排列一致的。这些偶然的偏聚并不是永恒的而是不断地散并在其它地方重新聚集。它们的寿命受温度的聚集 尺寸这两个因素的影响。温度越高，原子运动形成聚集体的速度越快。如果聚集体仅由几个原子形成，那么丢失甚至只是这些原子当中的一个原子都会破坏聚集体。如果是由很多原子形成的聚集体，则通过获得别的原子来补偿丢失的那个原子的机会越大。小聚集体不稳定，寿命短，可能只有大约几千分之一秒的寿命。而很大的聚集体的寿命长当熔体冷却时，原子运动减慢，聚集体的寿命延长，同时越来越多的聚集体出现了。在同一温度下，材料在固态时所具有的内能要比液态的低。因此凝固时放热。然而，一个界面必须存在于两相之间（在这条件下是液相和固相）。介面的形成需要能量，因此只有当凝固时释放的能量大于介面形成所需的能量时聚集体才能凝固。凝固时释放的能量是和聚集体中的原子数量成正比的：介面形成所需能量的表面大小成正比。当聚集体足够大，系统的总自由能下降时，凝固成为可能。在纯金属中，只有当金属刚好低于它的凝固点这一有限的时间内才能得到凝固条件。在很多情况下，纯金属必须过冷大约200-400F才能观察到结晶。对于不含杂质的金属，特别是固态，这确实是真的。杂质能减少形成便捷持循，降低了形成介面所需的能量，因而加快了反应速率，因而商用金属和合金常常含有杂质，这样，只过冷几度就可以发生结晶了。现在已经凝固的聚集体作为进一步结晶的核心或中心。随着金属的继续冷却，越来越多原子凝固。这些原子自身形成新核心或可能加入已存在的核心连接。每个核心随着持续凝固的原子的增加而生长。这些原子在合适的位置和核心连接，因此核心在某一方向上显著生长。这种优先生长引起一种叫做枝晶的典型结构。开始时，核心及其形成的枝晶被液体包围并可以在各方向生长。一会儿后枝晶长到一定阶段并相遇，形成晶界，仍处于液态的自由原子在枝晶臂内凝固，愈合它们之间的缝隙，直到所有的金属是多边形晶体的形式凝固，从核心到最终的晶体这一结晶过程如图表5-1用示意图所示，晶体和枝晶之间的关系如图表5-2所示。一般地结晶的第一个核心有不同的方向，它们形成的枝晶确定核心方位，所以产生的晶体是随机定向的。第二课 晶粒大小晶粒尺寸 在凝固中形成的晶粒大小是由形成晶核的数量所决定。如果晶核的数量足够多，就可以形成大量的小晶体，生产出细晶材料。相反，如果只形成少量的晶核，生产出来的晶体体积就大。冷却速度是控制晶粒大小的最重要因素。假若熔融金属散热很快，造成明显的过冷和形成一些晶核。速度若下降很慢，只有少量的晶核形成，而且它们长成的晶粒较大。因此慢冷产生粗晶材料。这些论述假设在凝固时，熔融金属或合金的温度是均匀的，并且冷却是使熔体各处温度不产生差异。锁依晶核的形成遍布熔体内，并且树枝晶遍及其内。实际上，模子内金属的散热只能通过与较冷的模子或空气接触的金属外表面发生。这造成熔体外面温度比中心低的温度梯度。明显，外面比中心要先达到凝固点并开始凝固。因此，在铸锭外表面形成含有大量细晶的一层，凝固进行时，这些晶体常常向各个方向生长。但因立即遇上相邻的晶体，它们在相当程度上不能向一侧生长。只有向中心方向的生长是自由的，即造成柱状晶。金属的凝固伴随着收缩，并且当铸件外表面收缩与模子分离的时候，铸件与模子间留有一薄空气层。因为空气的热导性小和铸件散热的突然变慢，这改变了凝固的条件，因为铸件外面的散热不够吸热快引起内外温差减少和几乎消失。柱状晶生长慢下来和当中心已达到凝固温度时，新的晶核开始形成和生长，直到剩下的金属完全凝固为止。所以如图5-3所示，铸件常常形成三部分：表面细等轴晶，中间柱状晶区，中心粗等轴晶。合金成分也明显影响凝固的过程。在大多数合金中，形成固体和与之平衡的液体之间存在成分的差异。当比合金富含A金属的少量固体形成，包围着它的液体变得富含B金属。直到A金属扩散补充到液体，固体的生长才能进一步发生。这减慢了第一批晶核的生长，并且有利于新晶核的产生，因而减少最终晶粒的大小。比如浇铸温度，模子类型和温度，铸件设计等其它因素，明显地影响了铸件的晶粒大小和三典型层的厚度。一般来说，有利细等轴晶的形成通过：（1）薄铸件横截面，（2）在接近凝固点的浇铸温度（3）模子的高热导性，（4）固液相间大的成分差异，（5）母子相对的高温。有利于柱状晶的形成通过：（1）模子的低热导性 （2）大的铸件横截面和（3）在高于凝固点的浇铸温度。有着低热导性和几乎没有骤冷影响的沙模用于制造第三区占主导且和其它两区几乎看不见的铸件。金属模子中的铸件，散热很快，其金属稍微高于熔点，有利于第一层的形成，并且在薄的铸件中第二，三层可能完全消失，有唯一凝固温度的纯金属或有窄凝固范围的固熔合金中，柱状晶常常占主导；这在金属浇铸温度远高于其熔点时特别明显，因为在这种情况下温度梯度增加了。因我们通常想得到细晶材料，控制这些影响晶粒大小的因素是值得的。一般说来，铸件中的合金成分，模子类型，铸件横截面不能明显地调整，并且晶粒尺寸很少通过这些方法来控制。浇铸温度是控制晶粒尺寸的最重要因素之一。但是，浇铸温度决定于铸件的设计，因为温度越低熔融金属越粘稠。所以必须应用最低的温度使金属仍有足够的流动性填充整个模子。在有很薄横截面积和很厚横截面积相接触的铸件制造中，晶粒大小的问题变得很严峻，填充薄截面需要破坏厚截面中晶粒大小的高温。因为模子吸热速度影响晶粒大小，一种补救方法是使与厚截面接触的模子部分保持更冷，或者利用在模子中比其它部分有更高热导性的插入物。但是这因柱状晶的形成或残余应力可能产生麻烦。晶粒细化剂是一种材料-当加入销量到熔融金属中时-生产出有低冷却速度的细晶材料。当浇铸热金属时，它们的作用十分地明显。图5-4所示加入和没有加入细晶细化剂的同一种材料的铸件。细晶细化剂的工作方法还不是很清楚：它们明显创造出中在熔体中有利于大量晶核形成的条件。这种效果的发生是因为小粒子的晶粒细化剂担当结晶的晶核或是因为晶粒细化剂改变熔体中的条件以便于稳定大量的聚结还不知道。晶粒细化剂的应用延伸到有色金属铸造工业，特别是铝和镁。第三课 成型工艺的分类金属在现代技术中的重要性主要归功于它能形成有用的形状，例如：管状 棒状和板型。有用的形状可由两种主要方式产生：1.通过塑性成型工艺。在这个工艺过程中金属的体积和质量都没有减少，同时金属也发生了位移。2.通过金属切削或者机加工工艺。在这个工艺中金属为了获得要求的形状而被切削。第四部分地主要重点是塑性成型工艺。然而，金属切削的一些基础知识再这本书的上个章节都有提及。有成型工艺产生的机加工性能的控制和由塑性成型工艺产生的有效成型一样重要。例如：为了提高传导性和断裂韧性，铸淀中的通风孔和多孔性可由热锻或热轧消除。许多产品的机加工性能取决于工艺过程中应变硬化的控制，然而在其它情况下，为了使金属具有最佳的组织和性能，要求在工艺过程中精确控制成型过程 温度和应变率。型变热处理中热力加工工艺就是一个好的例子。我们已经开发了上百个特种金属加工工艺。然而，以工件成型时施加在其身上的作用力的类型为分类依据，这些工艺只能分成少数几个种类。分类如下：1.直接压力加工类型工艺 2.间接压力加工工艺3.拉力加工类型工艺4.弯曲加工工艺5.剪切加工工艺在直接压力加工工艺中，作用力施加在工件表面，同时，金属沿着压力指向的角度流动。这种工艺类型的主要例子是锻造和轧制。间接压力加工工艺包括线材拉拔和管材拉拔 挤压和杯型的深拉。初始作用力通常是拉力。但是由工件与博局接触产生的直接压缩力能达到很高的数值。因此，在包含高压力的纯合应力状态作用下，金属将向着至少一个主要应力方向流动。拉力类型成型工艺最好的例子是拉伸成型。在这种工艺中，金属板材在拉力作用下包裹在模具的轮廓上。弯曲加工涉及作用上板材上的弯矩的应用，而剪切加工涉及到可以使金属在剪切平面上开裂的剪切力的应用。图15-1用简捷的方式说明了这些工艺。塑性加工工艺被称为初始机加工工艺，它被设计来压缩铸锭或pei料，使其形成简单形状的标准工厂制品，比如板材，薄板 棒材。使工件形成最终形状的成型工艺称为次要机加工工艺。大部分板金成型加工，线材拉拔和管材拉拔都是次要工艺。在这领域的术语描述得不是很精确。通常，第一种类型被认为是加工处理，而第二种称为制造。成型加工状态最好被认为是一个整体系统。成型区域和应力 应变分布 颗粒流动速度和完成加工所需的总压力有关。很明显，施加的力必须达到材料的屈服点，而要不能使金属产生局部裂纹。诸如应变硬化 再结晶和开裂的金属冶金现象，在高温高应变速率的特殊情况下是很重要的。材料的流动应力是受应变 应变速率和温度强烈影响的函数。通常这些参数的值在实际实验室里很难模拟。工件将会和没有变形的工具或模具发生接触。沿着界面的摩擦和从工件到模具的热传导都是值得重点考虑的因素。这些因素是诸如工具摩损和制品表面光洁度的实际考虑因素。第十二课 变形(Deformation)Mechanism. It has already been shown that when机制 我们已经知道当晶体受到足够大的外加应力时，就会产生塑性变形以及原子的持续运动。原子的移动并不是偶然发生的，而是在晶格中的确定的方位发生的the lattice。When slip takes places, one part of当滑移产生时，一部分晶格点阵就会相对于其他部分发生移动，就如图7-1a所示。发生滑移的原子面在晶格中一般是彼此间距离最大的。这些滑移面间的结合力是最小的，因此，假若这些施加在晶体上的外应力，至少有一部分是作用在正确的方向上的话，这些面是最容易产生滑移的。产生最初的 滑移的那部分外应力就称作临界切应力。滑移是金属变形时最容易发生的类型，而且大部分金属发生塑性变形时，大部分变形是由滑移产生的place by slip。Twinning is a movement of atoms in the孪晶是原子在晶格中的一种迁移，它是导致晶格点阵分开形成对称而又不同方向的两部分。尽管最终结果可以看成一部分晶格相对于另外一部分晶格旋转而成，但原子本身没有旋转，但每个原子有单独地运动，如图7-2b所示，就像滑移一样，孪晶优先发生在特定的原子面上，这种情况下称作孪晶面in this case。Slip planes and twinning planes are more滑移与孪晶或多或少取决于各种类型的晶体。因此，在面心立方晶体中，111面即是滑移面也是孪生面；在体心立方晶体中110面是滑移面而112是孪生面。在密排六方晶体中0001是最常见的滑移面以及1012面是孪生面，但是一些金属中，其他面也有可能充当滑移面或孪生面twinning planes。The direction in which slip occurs is the direction发生滑移的方向是原子排列最紧密的方向。例如，在面心立方晶体中，滑移方向常常是【101】；在大多数体心立方中，滑移方向是【111】；密排六方晶体的滑移方向则是【210】。Strain hardening. From Fig 7-1应变硬化。从图7-1可以看出经过变形的晶体是完全没有变化的。然而，变形的过程没有像示意图描述的一样简单。当晶体变形时，晶格就会畸变，当变形进一步发展，晶格畸变就会增加而且会通过变形抗力的增大来证明畸变的存在。变形程度愈大，畸变程度愈大。畸变的程度在滑移面达到最大且随着远离滑移面而逐渐减小。原子在扭曲的晶格中比在没有畸变的晶格中的平衡状态时具有更高的内能。在大量的变形发生在晶格中后，滑移面急剧扭曲，但其在滑移面中间区域则很少扭曲。因此内能遍及变形的晶体，但不是平均的，而是由一个能量高低起伏的分配，能量的峰值相对应于畸变点distorted points。Effect on Properties. Plastic deformation性质的影响。塑性变形影响着所有那些取决于晶格解结构的金属性质。因此，不仅机械性能，例如抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、硬度等，都会被影响，而且物理性能和化学性能，例如导电性和耐腐蚀性也是。图7-4展示了用由横截面积的减少百分率所表示的性质随变形程度的变化来度量变形抗力的属性，例如抗拉强度、屈服强度和硬度是递增的，但相反，那些度量塑性的，例如断面收缩率、延伸率是递减的。导电性是降低的，这是因为晶格畸变妨碍了电子流。耐腐蚀性降低是因为晶体中的能量升高了。另外，密度降低是因为原子不在平衡的位置上positions。Particularly important is the narrowing of the 尤其重要的是缩小当变形程度增加时抗拉强度和屈服强度之间的差距。为了获得可感知的塑性变形，外载荷必需是高于屈服强度而低于抗拉强度。当差距很大时，严谨的外载控制是没有必要的。当两者的差距很小时，愈来愈严谨的控制是必需的了。这就是为什么那些需要严格控制外载的生产制造操作是不容易成功的原因is limited。The strain-hardening characteristics of不同材料的应变硬化特征变化是很明显的。高纯度金属和一些合金能够抵抗大量的变形。在其他合金中甚至少量的变形就会使材料变硬变脆。因此，更进一步加工是不切实际的impractical。第十三课 再结晶应力减轻 当产生塑性变形的荷载消除后，所有随之产生的弹性变形都应该消除，但很少出现这种情况。在多晶材料里，各晶粒的晶向是不同的，一些晶粒因为周围晶粒的阻止而保留弹性变形。这就导致了锁定应力。当有内应力的材料被切削加工时（即机加工）就会释放出应力。产生我们不想得到的尺寸变化。因为任何材料的强度都会随着温度的升高而降低，所以如果加热有内应力的材料，就会达到一个内应力刚好等于弹性极限的温度。当比这个温度更高时，应力就会超过弹性极限，产生塑性变形，这样就会消耗内应力。这个新增的塑性变形可能会在一定程度下增大拉伸强度和屈服强度，但退火处理最重要的影响在于释放内应力以保证材料的稳定性，这种退火就叫去应力退火。再结晶 被冷加工的金属处于不平衡状态，因为它的晶格被扭曲了，这时存在一个趋向平衡的力，然而，在常温下，原子的一动很小，该驱动力不足以促使原子产生可破坏这种扭曲的位移。当金属被加热时，尽管驱动力值发生了很小的变化，原子的可移动性却显著地增加，最终到达一个原子的移动性足以重新排列成一个非扭曲的晶格的温度，该温度即为再结晶温度。我们并不知道移动的过程。有一些证据表明在任一变形的晶体中会发生亚晶的重排，许多的未被扭曲的粒子的取向略有不同，然后聚集在一起形成一个或一些晶粒。这是第一个阶段，被称为多边形化，伴随着它的软化过程即是回复。再结晶核心的形成是从晶体扭曲最严重的部分开始的，那时的内能最大，当外界的能量以热的形式添加的时候，它们最先达到移动所需的门槛值，从而重排形成核心。随着越来越多的热能的加入，晶体扭曲不太严重的部分的原子就能移动到新的地方。同一材料的再结晶温度是可变的。只有当晶格里的能量足以克服原子移动的阻力时，才能发生再结晶。因为所需能力只有一部分是靠外界提供的，省下的部分都是由存在晶格内的畸变能提供，所以晶格内的畸变能越高，所需的外界能力就越低，这一点已经得到证实。相反地，外界提供的能量越多-也就是说，促使发生再结晶的温度越高-能形核的地方就越多。承受过大的变形的材料含有更多的能力，从而可再结晶的温度就越低，