机械工程材料及成型工艺第三章.ppt

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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l教学目的和要求教学目的和要求 1.1.掌握过冷度的概念以及过冷度和冷却速度的关系；掌握掌握过冷度的概念以及过冷度和冷却速度的关系；掌握结晶的规律和形核的方式结晶的规律和形核的方式；了解金属晶核长大方式；了解金属晶核长大方式；掌握掌握晶粒细化的方法晶粒细化的方法 2.2.掌握同素异构转变的概念以及铁的同素异构转变掌握同素异构转变的概念以及铁的同素异构转变 3.3.掌握单晶体的塑性变形方式及其特点掌握单晶体的塑性变形方式及其特点，了解多晶体和合，了解多晶体和合金的塑性变形；金的塑性变形；掌握塑性变形对金属组织和性能的影响掌握塑性变形对金属组织和

2、性能的影响 4 4.掌握变形金属在加热时组织和性能的变化；掌握变形金属在加热时组织和性能的变化；了解热加工了解热加工对金属组织和性能的影响对金属组织和性能的影响l教学内容提纲教学内容提纲 1.1.金属的结晶金属的结晶 2.2.金属的塑性变形金属的塑性变形 3.3.金属的热加工金属的热加工一、金属的结晶一、金属的结晶1金属结晶的温度金属结晶的温度 a-理论结晶温度曲线理论结晶温度曲线 b-实际结晶温度曲线实际结晶温度曲线金属结晶的冷却曲线示意图金属结晶的冷却曲线示意图2.2.过冷度过冷度 过冷度过冷度：T T T T0 0T T1 1。影响因素影响因素：冷却速度冷却速度、金属性质和纯度有关。、金

3、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，若冷却速度无限小越低。反之，若冷却速度无限小(即散热无限慢即散热无限慢)时，则实时，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，体总是在过冷情况下结晶，过冷是金属结晶的必要条件过冷是金属结晶的必要条件。3.金属结晶的规律金属结晶的规律纯金属的结晶过程：纯金属的结晶过程：晶核形成和长大晶核形成和长大。纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图4.金属晶核形成的方式金属晶核形成的方式 自发形核自发形核

4、:以过冷液体中的相起伏（液体中有规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；则排列的原子集团）为基础的形核；非自发形核非自发形核：依附于过冷液体中的某些杂质质点：依附于过冷液体中的某些杂质质点表面而形核。表面而形核。5 5 金属晶粒的细化方法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。在许多晶粒上，塑性、韧性也好。晶粒度/（晶粒数/mm2）b/MPas/MPa(%)6.32374635.351

5、2747044.819429410847.5 金属结晶后晶粒大小与单位时间、单位体积内的形核数金属结晶后晶粒大小与单位时间、单位体积内的形核数量量Z Z和形核率和形核率N N和长大速度和长大速度G G有关，若晶核的形成速率很大，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。而长大速度很小时，便可得到很细的晶粒。生产中常采用生产中常采用1 1）增加过冷度）增加过冷度TT；2 2）变质处理；）变质处理；3 3）附）附加振动等细化晶粒的方法。加振动等细化晶粒的方法。6 6 金属的同素异构转变金属的同素异构转变把把种金属具有两种或两种以上的晶格结构称为种金属具有两种或两种以上的晶格

6、结构称为同同素异构性素异构性，这种金属的晶格结构随温度变化而改变，这种金属的晶格结构随温度变化而改变的现象，称为的现象，称为同素异构转变同素异构转变。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。体积变化，在金属中引起较大的内应力。纯铁的同素异构转变纯铁的同

7、素异构转变l单晶体的塑性变形 晶体在外力作用下任何晶面的分力：晶体在外力作用下任何晶面的分力：二、金属的塑性变形二、金属的塑性变形正应力正应力：使晶格发生弹性变：使晶格发生弹性变形或断裂形或断裂切应力切应力：使晶格发生弹性歪：使晶格发生弹性歪扭或塑性变形扭或塑性变形 晶面晶面单晶体金属在正应力作用下的变形示意图单晶体金属在正应力作用下的变形示意图单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生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。部分沿一定晶面（滑移面）的一定

8、方向（滑移方向）发生滑动。滑移的特点：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）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小切应力称为临界切应力临界切应力。n滑移滑移2）滑移的实现 借助于位错运动3）滑移总是沿着原子排列最紧密的原子面进行）滑移总是沿着原子排列最紧密的原子面进行6）晶格位向不变）晶格位向不变7）滑移的间距是原子间距的整数倍）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）滑移的结果产生滑移带5）滑移伴随着转动）滑移伴随着转动n孪生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

9、）和晶向（孪生方向）发生面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变切变，产生塑性变，产生塑性变形。形。孪生的特点孪生的特点：1）位向发生改变；）位向发生改变；2）切应力大；）切应力大；3）变形速度快；）变形速度快；4）相邻原子面的位移量小于一个原子间距。）相邻原子面的位移量小于一个原子间距。几种晶体结构的变形方式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：要取决于晶体结构和外部条件：面心立方晶格：面心立方晶格：一般不发生孪生变形；一般不发生孪生变形；体心立方晶格：体心立方晶格：一般以滑移的方式进行，只一般以滑移的方式

10、进行，只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形；有在低温或受到冲击时才发生孪生变形；密排六方晶格：密排六方晶格：以孪生变形为主。以孪生变形为主。二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形l多晶体的塑性变形主要受晶粒的位向及晶界对位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错运动的阻碍l多晶体变形的特点：多晶体变形的特点：（1）变形抗力高）变形抗力高（2）变形和应力不均匀性）变形和应力不均匀性（3）晶界和晶粒间位向差共同作用）晶界和晶粒间位向差共同作用三、塑性变形对金属组织和性能的影响1.晶粒拉长，纤维组织晶粒拉长，纤维组织 各向异性各向异性(沿纤维方向的强度、塑性最大）沿纤维方向的强度、

11、塑性最大）变形变形10%100变形变形40%100 变形变形80%纤维组织纤维组织100 工业纯铁工业纯铁不同变形度不同变形度的显微组织的显微组织2.织构(形变织构）金属塑性变形到很大程度金属塑性变形到很大程度(70%以上以上)时时,由于晶粒发生转由于晶粒发生转动动,使各晶粒的位向趋近于一致使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向形成特殊的择优取向,这种这种有序化的结构叫做有序化的结构叫做形变织构形变织构。形变织构一般分两种：一种是。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各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构。称为丝织构。例如低碳钢经高度冷拔后例如低碳钢经高度冷拔后,

12、其其平行于拔丝方向平行于拔丝方向;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,称为板称为板织构织构,低碳钢的板织构为低碳钢的板织构为001。晶粒拉长，但未出现晶粒拉长，但未出现织构织构。晶粒拉长，且出现晶粒拉长，且出现织构织构。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图 3.加工硬化（形变强化）加工硬化（形变强化）加工硬化的原因：加工硬化的原因：塑性变形塑性变形 位错密度增加位错密度增加，相互缠结，相互缠结，亚晶界亚晶界，运动阻力加大，运动阻力加大 变形抗力变形抗力；晶粒破碎细化。；晶粒破碎细化。金属在冷变形时，强度、硬度金属在冷变形时，强度、硬度，塑性、

13、韧性，塑性、韧性。P21，图图1-17加工硬化的实际意义加工硬化的实际意义有效的强化机制；有效的强化机制；有效的强化机制；有效的强化机制；均匀塑性变形和压力加工的保证；均匀塑性变形和压力加工的保证；均匀塑性变形和压力加工的保证；均匀塑性变形和压力加工的保证；零件安全的保证。零件安全的保证。零件安全的保证。零件安全的保证。4 4 4 4）形成亚结构；）形成亚结构；）形成亚结构；）形成亚结构；金属经大的塑性变形时金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互由于位错的密度增大和发生交互作用作用,大量位错堆积在局部地区大量位错堆积在局部地区,并相互缠结并相互缠结,形成不均形成不均匀的分布匀的分布

14、,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而而在晶粒内产生亚晶粒。在晶粒内产生亚晶粒。金属经变形金属经变形后的亚结构后的亚结构6 6）残余内应力：外力去除后，残留于金属内部且）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，残余应力分为第一类应力；第二类应力和第三类应力。力。残余内应力的危害残余内应力的危害：引起零件加工过程变形、开裂；引起零件加工过程变形、开裂；耐蚀性耐蚀性。5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大）

15、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。耐腐蚀性降低。四四、塑性变形后的金属在加热时塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化组织和性能的变化加热时冷变形金属加热时冷变形金属组织和性能随温度组织和性能随温度的升高可分为三个的升高可分为三个阶段：阶段：1 1回复回复2 2再结晶再结晶3 3晶粒长大晶粒长大 回复回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度产生回复的温度T回复回复为为：T回复回复=(0.250.3)T熔点熔点式中：式中：T熔点熔点表示该金属的熔点表示该金属的熔点,单位为绝对温度单位为绝对温

16、度(K)。由于加热温度不高由于加热温度不高,原子扩散能力不很大原子扩散能力不很大,只是晶粒只是晶粒内部位错、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，大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微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，但低，塑性有增高，但残余应力残余应力则大大降低。工业上常利用则大大降低。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，回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力

17、，保留加工硬化效果。保留加工硬化效果。再结晶 1.1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响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、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。这个过程称为细小的等轴晶。这个过程称为再结晶再结晶。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，物和韧性大大提高，加

18、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。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。粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。2.2.再结晶温度再结晶温度 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晶温度(T(T再再),),通常用经大变形量通常用经大变形量(70%(70%以上以上)的冷塑性变形的冷塑性变形的金属的金属,经

19、一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。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：最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：T T再再=(0.35=(0.350.4)T0.4)T熔点熔点 式中的温度单位为绝对温度式中的温度单位为绝对温度(K)(K)。晶粒长大晶粒长大变形变形80%工业纯铁再结晶退工业纯铁再结晶退火火 显微照片显微照片 100变形变形80%600退火退火8小时小时 变形变形80%400退火退火8小时小时再结晶后的晶粒度再结晶后的晶粒度影响因素：影响因素：1）加热温度）加热温度 T、保温时间、保温时间t 晶粒直径晶粒直径 D；2）预变形度的

20、影响。）预变形度的影响。2 21010金属材料塑性变形的加工：热加工和冷加工金属材料塑性变形的加工：热加工和冷加工1 1冷、冷、热加工的热加工的划分的标准：再结晶温度来划分。划分的标准：再结晶温度来划分。2 2金属金属热加工热加工时组织和性能的变化。时组织和性能的变化。形成流线形成流线锻造曲轴锻造曲轴切削加工曲轴切削加工曲轴细化晶粒；细化晶粒；焊合气孔、疏松，消除成分不均匀；焊合气孔、疏松，消除成分不均匀；热加工时金属塑性好；热加工时金属塑性好；热加工时金属表面有氧化、对某些金属不易热加工时金属表面有氧化、对某些金属不易 加工、对薄壁或细的轧件不易保温、加工后加工、对薄壁或细的轧件不易保温、加

21、工后 的强度和硬度不及冷变形加工。的强度和硬度不及冷变形加工。思考题思考题l为什么铸件的加工余量过大会使加工后的铸件强度为什么铸件的加工余量过大会使加工后的铸件强度为什么铸件的加工余量过大会使加工后的铸件强度为什么铸件的加工余量过大会使加工后的铸件强度降低？降低？降低？降低？l某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到700700，保温保温保温保温1h1h1h1h后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原因。因。因。因。l一曲线尺（纯锡材料）经反复弯曲发现其逐渐变硬，一曲线尺（纯锡材料）经反复弯曲发现其逐渐变硬，一曲线尺（纯锡材料）经反复弯曲发现其逐渐变硬，一曲线尺（纯锡材料）经反复弯曲发现其逐渐变硬，在房间内放置一段时间后，其性能恢复如初，试分在房间内放置一段时间后，其性能恢复如初，试分在房间内放置一段时间后，其性能恢复如初，试分在房间内放置一段时间后，其性能恢复如初，试分析其原因。析其原因。析其原因。析其原因。