第三章金属的结晶与塑性变形

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院13.1 3.1 金属的结晶金属的结晶凝固：物质由液态转变成固态的过程。结晶：金属由液态转变为原子呈规则排列的固态晶体的过程。重结晶：而金属在固态下由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程称。晶体液体液体结晶结晶第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院2第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形3.1.1 3.1.1 冷却曲线和过冷度冷却曲线和过冷度理论结晶温度实际结晶温度过冷现象 过冷度 T = T0 T1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。

2、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。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。a-理论结晶温度曲线 b-实际结晶温度曲线材料科学与工程学院材料科学与工程学院3冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度 TT= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院43.1.2 3.1.2 金属结晶过程的一般规律金属结晶过程的一般规律 纯金属的结晶过程：晶核形成和长大。近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程

3、有序结构第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院5液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院6 金属晶核形成的方式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。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院7 金属晶核长大的方式金属晶核长大的方式 树枝状

4、生长平面生长第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院8金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院93.1.3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。 晶粒度晶粒度/（晶粒数（晶粒数/mm2）b/MPas/MPa(%)6.32374635.3512747044.819429410847.5第三章第三章 金属的结晶与

5、塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院10晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8级（级（p111)p111)。晶粒度晶粒度1 12 23 34 45 56 67 78 8单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/mm/mm2 2）16326412825651210242048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：比较： 细晶强化细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、

6、韧性第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院11 金属结晶后晶粒大小与单位时间、单位体积内的形核数量即形核率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。;GNKZ。长大速度（形核率，形核数量；常数，常取)/mm);/(9 . 03sGmmsNK影响晶核的形核率和晶体长大率的因素： 过冷度的影响 未熔杂质的影响第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院12 细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动与搅拌第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形

7、材料科学与工程学院材料科学与工程学院13（1）提高过冷度形核率形核率N 、长大速度、长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系TG，NGNV V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院14（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动与搅拌振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。第三章第三章

8、金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院153.1.4 3.1.4 金属的同素异构转变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。 1394 C912 Cbccfccbcc - Fe -Fe -Fe纯铁的同素异晶转变反应式纯铁的同素异晶转变反应式:第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院16 纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912

9、- Fe - Fe - Fe第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院17弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象。弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象。塑性变形：外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象。塑性变形：外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象。 金属塑性变形的实质，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。 实质是内部应力迫使晶粒内部和晶粒间产生滑移和转动，从而产生塑性变形。 单晶体塑性变形：滑移。多晶体塑性变形：滑移+晶粒转动。

10、3.2 3.2 金属的塑性变形金属的塑性变形plastic deformation第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院183.2.1 单晶体金属的塑性变形-滑移slipslipu滑移：是指晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对滑动（相对切变）。 这个晶面称为滑移面，这个晶向称为滑移向，滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后晶体各部分的位向不变，滑移的结果使大量的原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，而产生宏观的塑性变形。滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没

11、有产生滑移，滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院19滑移线和滑移带示意图第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院20塑性变形主要是通过塑性变形主要是通过“滑移滑移”方式进行的。无数的滑移就变方式进行的。无数的滑移就变成了宏观的塑性变。成了宏观的塑性变。滑移的实质是通过位错的运动来实现的。滑移的实质是通过位错的运动来实现的。未变形未变形 弹性变形弹性变形 弹塑性变形弹塑性变形

12、 塑性变形塑性变形 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院21原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。时，晶体就产生了塑性变形。 实际晶体内部存在大量缺陷。滑移通过实际晶体内部存在大量缺陷。滑移通过位错位错在滑移面在滑移面上的运动来实现。上的运动来实现。 滑移的机理滑移的机理滑移常沿晶

13、体中原子的密排面和密排方向进行； 滑移距离为原子间距的整数倍； 滑移变形的要点：滑移变形的要点： 滑移只在切应力作用下发生； 材料科学与工程学院材料科学与工程学院222、孪生 twiningu孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)和一定方向(孪生方向)相对于另一部分作均匀的切变（协同位移）所产生的变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。变形与未变形的两部分晶构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。孪晶面（twining plane）：孪晶方向（twining direction）： 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形

14、材料科学与工程学院材料科学与工程学院23fcc晶体孪生变形示意图1第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院24孪生的特点 孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻的应力集中区。孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变晶体取向，使滑移转到有利位置。 孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。 孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院25 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

15、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。3.2.2 多晶体塑性变形多晶体塑性变形第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院26晶粒本身的变形（滑移变形）主要的晶粒之间的变形（晶间变形，滑动、转动）次要的金属受外力作用时，其晶内通过位错滑移实现晶内变形，晶间通过滑动、转动实现晶件变形。许多个晶粒的晶内及晶间变形的综合效果就是金属的塑性变形。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶

16、与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院271、影响多晶体的塑性变形的因素、影响多晶体的塑性变形的因素 晶界的阻碍：双晶粒拉伸出现竹节现象晶界处变形困难原因:晶界处原子排列紊乱，阻碍位错的滑移。 双晶粒拉伸试验晶界受晶粒位向的影响：多晶体每个晶粒的变形需与周围其它晶粒的变形相协调。因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体 。 晶粒大小的影响：晶粒越多，晶界越多，晶粒位向影响越大，变形越分散，各晶粒变形均匀，不易导致应力集中，故断裂前变形量较大。 2、细晶强化：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。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材

17、料科学与工程学院283.2.3合金的塑变合金的塑变 1、固溶体的塑性变形、固溶体的塑性变形与纯金属基本相同，但存在固溶强化。 Solidsolution Strenthening原因是： 溶质原子对位错运动的阻碍作用。 用“溶质原子气团”理论解释 。2、多相合金的塑性变形、多相合金的塑性变形两相合金一般是： 固溶体 + 金属间化合物 基体相 塑性好 强化相 硬、脆、难以变形 合金的性能取决于强化相的分布状态： 在晶界上网状分布： 、k较差，强度低； 在晶内层状分布： 、k较好，有一定的强度； 在晶内弥散分布： 强化作用显著。 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程

18、学院材料科学与工程学院293.2.4塑性变形对金属组织及性能的影响1）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；2）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；3）造成晶粒破碎，产生碎晶。）造成晶粒破碎，产生碎晶。 图：变形前后晶粒形状变化示意图图：变形前后晶粒形状变化示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院30（1）晶粒沿变形方向被拉长，形成纤维组织，性能趋于各向异性； （2）晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化； （3）产生形变织构（晶粒位向的择优取向），性能趋于各向异性。 丝织构板织构冷冲件的“制耳”现象 1

19、. 对组织结构的影响对组织结构的影响3.2.4塑性变形对金属组织及性能的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院312. 对性能的影响对性能的影响u产生加工硬化现象产生加工硬化现象结果：金属的强度、硬度提结果：金属的强度、硬度提 高，塑性、韧性下降。高，塑性、韧性下降。020406080%变形程度36032028024020016012080407006005004003002001000220180160140120延 伸率 %冲 击韧度/J cm-2HB强度极 限/MPa强 度 极 限布 氏硬度延 伸率 %冲击 韧度 图：常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响图：常温下塑性变形对低碳钢力学性

20、能的影响金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降加工硬化塑性变形位错开动位错大量增殖相互作用运动阻力加大变形抗力弹度、硬度塑性、韧性位错强化：位错密度强度、硬度材料科学与工程学院材料科学与工程学院32 1）有利：强化金属，形变强化提高材料强度、耐磨性；例：自行车链条片16Mn钢（Q345） 原：厚=3.5mm b=520MPa 150HBS； 五次冷轧后：厚=1.2mm（65%）b=1200MPa 275HBS 构件使用安全系数（如钢丝绳） 有利于金属进行均匀的变形。 有害：变形抗力，继续压力加工困难，对模具不利，设备吨位 加工硬化的结果使金属的晶体构造处

21、于不稳定的应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行） 2）消除方法：加热 回复和再结晶 加工硬化work hardened材料科学与工程学院材料科学与工程学院33冷变形会产生残余内应力：冷变形会产生残余内应力： 有三类内应力有三类内应力： 外力去除后残留于金属内部并自相平衡的的应力。 第一类：宏观残余应力 工件各个部分变形不均匀引起的，在整个金属体积范围内存在。 第二类：微观残余应力 晶粒或亚晶粒变形不均匀引起的，在晶粒或亚晶尺度范围内存在。 第三类：晶格畸变应力 由位错和点缺陷引起的，在原子尺度范围内存在。 此类应力是主要的，占存储能的80-90%。 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形

22、金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院343.2.5变形金属在加热时组织及性能的变化变形金属在加热时组织及性能的变化 冷变形金属由于组织变化， 导致加工硬化， 内应力很大， 不稳定， 通常施以退火：去应力退火， 去应力，改善某些物化性能。 再结晶退火， 消除加工硬化。 冷变形金属加热时的变化分为以下三个阶段：冷变形金属加热时的变化分为以下三个阶段： 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院351、回复recovery ：金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶格扭曲，应力大大降低。加工硬化部分消除（晶粒形状、大

23、小及金属的性能变化不大），原子获得能量。震动加剧，回复正常排列。 T回（0.250.3）T熔 （室温273K） T回、T熔分别为金属回复、熔化的绝对温度。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院36作用：作用： a）晶格扭曲消除）晶格扭曲消除 b）内应力明显下降）内应力明显下降回复只能部分消除加回复只能部分消除加工硬化工硬化图：冷变形金属在加热时组织图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图和性能的变化示意图 材料科学与工程学院材料科学与工程学院372、再结晶recrystallization ：温度上升到金属熔化温度的0.4-0.5倍时，金

24、属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，生长成新的晶粒。 实质：无畸变组织代替变形组织，完全消除加工硬化。 T再0.4T熔 T再金属绝对再结晶温度，单位 K。 T熔绝对熔化温度， 单位 K 再结晶退火：经冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除变形强化和残余应力的工艺。通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。 高温下受力塑性变形硬化与再结晶同时存在。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院383、晶粒长大、晶粒长大 自发过程 符合能量最低原理：晶粒长大可减少晶界面积，使晶

25、界能下降，组织更稳定。 需控制长大： T加热，t加热 。正常晶粒长大： 异常晶粒长大（又称二次再结晶）： 很多晶粒同步均匀长大。 少数晶粒产生急剧长大而形成粗大组织。当冷变形度在2-10%时， 金属畸变能小，再结晶驱动力小，再结晶晶核少，少数再结晶晶粒持续长大而形成粗大组织。变形度一般采取30-70%的变形度。变形度太大也会产生异常晶粒长大。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院391）冷加工cold working（冷变形）冷变形T再以下发生的变形。 冷变形后具有加工硬化组织，能获得较高的表面光洁度及硬度，但变形程度不宜过大，避免破裂。 冷

26、变形的特点：制作精度好、表面粗糙度小、劳动条件好，可提高材料的强度和硬度，但变形抗力大，对工模具要求高，且易产生应力、塑性下降，有加工硬化现象。 冷变形常常需要中间退火。 冷变形后的件若继续加工，要再结晶退火。3.3金属的热加工金属的热加工 3.3.1 冷、热加工的区别冷、热加工的区别 第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院40热变形T再以上发生的变形。 热变形可得到再结晶组织，变形程度大，无加工硬化，获得良好的机械性的组织。 热加工的特点：塑性良好，变形抗力小，容易加工变形；但易氧化，制件的尺寸精度差，表面粗糙，劳动条件差，需专门加热设备。

27、2）热加工hot working（热变形）第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院41例：钨（熔点为例：钨（熔点为3380）在）在800变形为冷加工，而变形为冷加工，而铅（熔点为铅（熔点为327 ）在室温变形就可称为热加工。）在室温变形就可称为热加工。T=0.4T =0.43380+273 =1461K T=800+273=1073KTT 再结晶熔加工加工再结晶对铅：（）铅的铅在室温变形时属于热变形（热加工）。第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院421、改善金属的铸锭的组织和性能消除铸态金属的某些缺陷，提高致密度及力性。气孔、疏松焊合；消除某些偏析；改善夹杂物的形态、分布 。2、细化晶粒3、形成热加工的纤维组织（流线），性能各向异性。对象：枝晶偏析、非金属夹杂物纵向横向，流线应与零件受力最大的方向一致 4、出现带状组织 横向、k下降，切削性能恶化。 3.3.2热加工对金属组织与性能的影响第三章第三章 金属的结晶与塑性变形金属的结晶与塑性变形材料科学与工程学院材料科学与工程学院43锻造流线forging flow line ：锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长