材料学基础第五章

1、材料学基础第五章 材料的制备与加工Preparation & Machining of Materials问题一：实际使用的材料是怎么制造出问题一：实际使用的材料是怎么制造出来的？来的？问题二：材料是如何加工成为零件的？问题二：材料是如何加工成为零件的？材料学基础5.1 金属材料的成形与加工Figuration & Machining of Metal问题一：金属材料怎样成形的？问题一：金属材料怎样成形的？问题二：金属材料是怎样加工成为零件的？问题二：金属材料是怎样加工成为零件的？问题三：金属材料的成形加工有什么特点？问题三：金属材料的成形加工有什么特点？材料学基础 金属材料通

2、过一定的加工工艺才能形成构件或设备，金属材料通过一定的加工工艺才能形成构件或设备，金属材料的成形加工分为冷加工和热加工。冷加工包括冷金属材料的成形加工分为冷加工和热加工。冷加工包括冷冲压、冷锻、冷挤压与机械加工，而热加工包括铸造、热冲压、冷锻、冷挤压与机械加工，而热加工包括铸造、热锻、热压、焊接与热处理。锻、热压、焊接与热处理。 本节主要介绍金属的塑性变形与再结晶、热塑性加工本节主要介绍金属的塑性变形与再结晶、热塑性加工和热处理。和热处理。 材料学基础一、金属的塑性变形与再结晶 金属的一个重要特性是塑性，利用塑性可以对金属进金属的一个重要特性是塑性，利用塑性可以对金属进行轧制、挤压、锻造和冲压

3、等各种压力加工，生产各种零行轧制、挤压、锻造和冲压等各种压力加工，生产各种零件或零件的毛坯，金属在这些加工中经历了塑性变形。件或零件的毛坯，金属在这些加工中经历了塑性变形。 1. . 金属的塑性变形金属的塑性变形 金属塑性变形的特点金属塑性变形的特点 金属塑性变形最基本的方式是金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指。所谓滑移，是指晶体的一部分沿一定的晶体的一部分沿一定的晶面和和晶向相对于另一部分发生相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。的现象。 材料学基础滑移的基本特点：滑移的基本特点： （1）滑移在切应力作用下产生）滑移在切应力作用下产生 （2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生）滑

4、移沿原子密度最大的晶面和晶向发生 （3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍倍 （4）滑移的同时伴随着晶体的转动）滑移的同时伴随着晶体的转动 材料学基础材料学基础材料学基础 2. 变形对材料组织和性能的影响变形对材料组织和性能的影响 显微组织的变化显微组织的变化 晶粒拉长，纤维状组织晶粒拉长，纤维状组织 形变织构形变织构 在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个晶粒在空相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个

5、晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，形变金属中的这种组织状态称为形变织构。形变金属中的这种组织状态称为形变织构。 由形变织构所造成的由形变织构所造成的“制耳制耳”材料学基础 塑性变形对金属力学性能的影响（加工硬化）塑性变形对金属力学性能的影响（加工硬化） 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则显著下降，这种现象称为加工硬化或冷作而塑性、韧性则显著下降，这种现象称为加工硬化或冷作强化。强化。 这种现象是因为随着塑性变形的进行，晶体缺陷

6、不断这种现象是因为随着塑性变形的进行，晶体缺陷不断增加，阻碍了位错的进一步运动，引起变形抗力增加，提增加，阻碍了位错的进一步运动，引起变形抗力增加，提高了金属的强度。高了金属的强度。 利：提高强度、使变形均匀利：提高强度、使变形均匀 弊：耗费能源、使继续变形困难、需要增加中间退火弊：耗费能源、使继续变形困难、需要增加中间退火材料学基础 残余应力残余应力 金属在塑性变形时，外力所做的功除大部分转化为热之外，金属在塑性变形时，外力所做的功除大部分转化为热之外，有一小部分能量以畸变能的形式储存在形变金属内，称为储存能，有一小部分能量以畸变能的形式储存在形变金属内，称为储存能，表现为材料的残余应力。材

7、料的残余应力可分为三种，即表现为材料的残余应力。材料的残余应力可分为三种，即 （1 1）第一类内应力（宏观内应力）第一类内应力（宏观内应力） 因不同部位之间变形不协调而形成，占形变储能的因不同部位之间变形不协调而形成，占形变储能的1 1以下，以下，但破坏性很强。但破坏性很强。 （2 2）第二类内应力（微观内应力）第二类内应力（微观内应力） 因不同晶粒间变形不协调形成，占形变储能的因不同晶粒间变形不协调形成，占形变储能的10102020，有，有一定破坏性。一定破坏性。 （3 3）第三类内应力（晶格畸变）第三类内应力（晶格畸变） 因晶体缺陷增殖而形成，占形变储能的因晶体缺陷增殖而形成，占形变储能的

8、80809090，是加工硬，是加工硬化的主要原因。化的主要原因。材料学基础 变形金属在加热过程中组织和性能的变化变形金属在加热过程中组织和性能的变化 金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），一般要其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），一般要对金属材料进行加热处理。对冷变形金属加热使原子扩散对金属材料进行加热处理。对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。材料学基础 回复回复 回复是指冷变形金属加热时，在光学显微

9、组织发生改变前回复是指冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能变化过程。（再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能变化过程。 再结晶再结晶 冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。 晶粒长大晶粒长大 冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，

10、若再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保轴晶粒，若再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。材料学基础 影响再结晶后晶粒度的因素影响再结晶后晶粒度的因素 （1）加热温度与保温时间的影响）加热温度与保温时间的影响 再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大。再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大。 （2）预先变形程度的影响预先变形程度的影响 预先变形程度的影响，实质上是变形均匀程度的作用。当变形程预先变形程度的影响，实质上是变形均匀程度的作用。当变形程度很小时，由于

11、金属的畸变能也很小，不足以引起再结晶，因而晶粒度很小时，由于金属的畸变能也很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形状。仍保持原来的形状。材料学基础 金属的热加工金属的热加工 热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的区别 从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。材料学基础 热加工对金属组织和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响 热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织

12、和性能发生显著的变化。变化。 （1）改善铸锭组织）改善铸锭组织 （2）热加工流线）热加工流线 由一条条热加工中的流线沟划出来的组织，叫做纤维组织。在制由一条条热加工中的流线沟划出来的组织，叫做纤维组织。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。 材料学基础 （3）带状组织）带状组织 复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状分布，这种组织称为带状组织

13、。 带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。材料学基础二、金属热处理 什么是热处理？什么是热处理？ 热处理是改善金属材料使用性能和加工性能的一种非热处理是改善金属材料使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。常重要的工艺方法。 金属的热处理通常指的是将金属在一定的介质中加热、金属的热处理通常指的是将金属在一定的介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一

14、种工艺过程。能的一种工艺过程。材料学基础材料学基础材料学基础5.2 高分子材料的变形High Polymers Deformation问题一：高分子材料的变形有什么特点？问题一：高分子材料的变形有什么特点？问题二：高分子材料是如何制备的？问题二：高分子材料是如何制备的？材料学基础一、热塑性聚合物的变形特点 热塑性聚合物在不同的温度下，可以呈现三种不同的热塑性聚合物在不同的温度下，可以呈现三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。 1. 玻璃态玻璃态 Tg是

15、高聚物的重要特征温度，叫玻璃化温度。它不是是高聚物的重要特征温度，叫玻璃化温度。它不是一个固定的温度值，而是随测试方法和条件不同而变化的。一个固定的温度值，而是随测试方法和条件不同而变化的。当温度低于当温度低于Tg时，高聚物是刚硬的，处于玻璃态。时，高聚物是刚硬的，处于玻璃态。材料学基础 2. . 高弹态高弹态 当高聚物温度高于玻璃化温度当高聚物温度高于玻璃化温度TgTg，低于粘流温度，低于粘流温度T Tf f 时，存时，存在着一种很难得的物理状态在着一种很难得的物理状态高弹态（也叫橡胶态）。高弹态（也叫橡胶态）。 3. . 粘流态粘流态 当温度进一步升高，超过粘流温度当温度进一步升高，超过粘

16、流温度Tf 时，分子链作为一时，分子链作为一个整体可以相对滑动，在外力的作用下，聚合物象液体一样个整体可以相对滑动，在外力的作用下，聚合物象液体一样粘性流动，形变变得不可逆了，这称为粘流态。粘性流动，形变变得不可逆了，这称为粘流态。材料学基础二、热固性塑料的变形 热固性塑料因为是刚硬的三维网络结构，分子不易运热固性塑料因为是刚硬的三维网络结构，分子不易运动，所以在通常拉伸试验时，它们表现出象脆性金属一样动，所以在通常拉伸试验时，它们表现出象脆性金属一样的变形特性。但是，在压应力下它们仍能发生大量的塑性的变形特性。但是，在压应力下它们仍能发生大量的塑性变形，存在所谓的应变软化现象。变形，存在所谓

17、的应变软化现象。材料学基础三、聚合物的合成 1. 加成聚合反应（链型聚合反应）加成聚合反应（链型聚合反应） 加成聚合反应又叫链型聚合反应，单体经加聚合成高聚加成聚合反应又叫链型聚合反应，单体经加聚合成高聚物，链节结构的化学式与单体分子式相同，如聚乙烯、聚氯物，链节结构的化学式与单体分子式相同，如聚乙烯、聚氯乙烯的合成。它是制备高聚物应用最广的一种反应。加聚反乙烯的合成。它是制备高聚物应用最广的一种反应。加聚反应是由小分子单体相互加成而连接成大分子链的过程。应是由小分子单体相互加成而连接成大分子链的过程。 2. 逐步聚合反应（缩聚反应）逐步聚合反应（缩聚反应） 逐步聚合反应又叫缩聚反应，它是制备高