机械工程材料及成型工艺第三章

机械工程材料及成型工艺第三章第1页，课件共37页，创作于2023年2月一、金属的结晶1金属结晶的温度a-理论结晶温度曲线b-实际结晶温度曲线金属结晶的冷却曲线示意图第2页，课件共37页，创作于2023年2月2.过冷度

过冷度：ΔT＝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。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。然而，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。第3页，课件共37页，创作于2023年2月3.金属结晶的规律

纯金属的结晶过程：晶核形成和长大。纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图第4页，课件共37页，创作于2023年2月4.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5页，课件共37页，创作于2023年2月5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/（晶粒数/mm2）σb/MPaσs/MPaδ(%)6.32374635.3512747044.819429410847.5第6页，课件共37页，创作于2023年2月

金属结晶后晶粒大小与单位时间、单位体积内的形核数量Z和形核率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。

生产中常采用1）增加过冷度ΔT；2）变质处理；3）附加振动等细化晶粒的方法。

第7页，课件共37页，创作于2023年2月6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。同素异构转变与液态金属结晶存在着明显区别，主要表现在：同素异构转变时晶界处能量较高，新的晶核往往在原晶界上形成；固态下原子扩散比较困难，固态转变需要较大的过冷；固态转变时会产生体积变化，在金属中引起较大的内应力。第8页，课件共37页，创作于2023年2月纯铁的同素异构转变第9页，课件共37页，创作于2023年2月单晶体的塑性变形

晶体在外力作用下任何晶面的分力：二、金属的塑性变形

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

晶面第10页，课件共37页，创作于2023年2月单晶体金属在正应力作用下的变形示意图第11页，课件共37页，创作于2023年2月单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生

滑移的概念：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。

滑移的特点：1）滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称为临界切应力。

滑移第12页，课件共37页，创作于2023年2月2）滑移的实现——

借助于位错运动第13页，课件共37页，创作于2023年2月3）滑移总是沿着原子排列最紧密的原子面进行

第14页，课件共37页，创作于2023年2月6）晶格位向不变

7）滑移的间距是原子间距的整数倍4）滑移的结果产生滑移带

5）滑移伴随着转动

第15页，课件共37页，创作于2023年2月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。第16页，课件共37页，创作于2023年2月孪生的特点：1）位向发生改变；2）切应力大；3）变形速度快；4）相邻原子面的位移量小于一个原子间距。第17页，课件共37页，创作于2023年2月几种晶体结构的变形方式

单晶体的塑性变形究竟以何种方式进行，主要取决于晶体结构和外部条件：

面心立方晶格：一般不发生孪生变形；

体心立方晶格：一般以滑移的方式进行，只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形；

密排六方晶格：以孪生变形为主。第18页，课件共37页，创作于2023年2月二、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形主要受晶粒的位向及晶界对位错运动的阻碍多晶体变形的特点：（1）变形抗力高（2）变形和应力不均匀性（3）晶界和晶粒间位向差共同作用第19页，课件共37页，创作于2023年2月三、塑性变形对金属组织和性能的影响1. 晶粒拉长，纤维组织→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

的显微组织第20页，课件共37页，创作于2023年2月2.织构(形变织构）金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构。例如低碳钢经高度冷拔后,其<100>平行于拔丝方向;另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向,称为板织构,低碳钢的板织构为{001}<110>。

第21页，课件共37页，创作于2023年2月晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。第22页，课件共37页，创作于2023年2月因形变织构造成深冲制品的制耳示意图

第23页，课件共37页，创作于2023年2月3.加工硬化（形变强化）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↑；晶粒破碎细化。金属在冷变形时，强度、硬度↑，塑性、韧性↓。P21，图1-17第24页，课件共37页，创作于2023年2月加工硬化的实际意义有效的强化机制；均匀塑性变形和压力加工的保证；零件安全的保证。第25页，课件共37页，创作于2023年2月4）形成亚结构；金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚晶粒。金属经变形后的亚结构第26页，课件共37页，创作于2023年2月

6）残余内应力：外力去除后，残留于金属内部且

平衡于金属内部的应力。由金属内部不均匀变形引起

，残余应力分为第一类应力；第二类应力和第三类应力。

残余内应力的危害：引起零件加工过程变形、开裂；耐蚀性↓。5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低。

第27页，课件共37页，创作于2023年2月四、塑性变形后的金属在加热时

组织和性能的变化加热时冷变形金属组织和性能随温度的升高可分为三个阶段：1．回复2．再结晶3．晶粒长大第28页，课件共37页，创作于2023年2月回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度T回复为：T回复=(0.25～0.3)T熔点

式中：T熔点表示该金属的熔点,单位为绝对温度(K)。由于加热温度不高,原子扩散能力不很大,只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保留加工硬化效果。

第29页，课件共37页，创作于2023年2月再结晶

1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响

变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。

第30页，课件共37页，创作于2023年2月

2.再结晶温度

变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再),通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：

T再=(0.35～0.4)T熔点

式中的温度单位为绝对温度(K)。第31页，课件共37页，创作于2023年2月晶粒长大变形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小时第32页，课件共37页，创作于2023年2月再结晶后的晶粒度影响因素：1）加热温度T、保温时间t↑→晶粒直径D↑；2）预变形度的影响。2～10％第33页，课件共37页，创作于2023年2月金属材料塑性变形的加工：热加工和冷加工1．冷、热加工的划分的标准：再结晶温度来划分。2．金属热加工时组织和性能的变化。形成流线锻造曲轴切削加工曲轴第34页，课件共37页，创作于2023年2月细化晶粒；焊合气孔、疏松，消除成分不均匀；热加工时金属塑性好；热加工时金属表面有氧化、对某些金属不易加工、对薄壁或细的轧件