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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料及成型工艺第三章（37页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 三 章 金 属 的 结 晶 与 塑 性 变 形l教 学 目 的 和 要 求1.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 ； 了 解 金 属 晶 核 长 大 方 式 ； 掌 握晶 粒 细 化 的 方 法 2.掌 握 同 素 异 构 转 变 的 概 念 以 及 铁 的 同 素 异 构 转 变 3.掌 握 单 晶 体 的 塑 性 变 形 方 式 及 其 特 点 ， 了 解 多 晶 体 和 合金 的 塑 性 变 形 ； 掌 握 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.掌 握 变

2、形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 ； 了 解 热 加 工对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响l教 学 内 容 提 纲1.金 属 的 结 晶 2.金 属 的 塑 性 变 形 3.金 属 的 热 加 工 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 2.过 冷 度 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

3、 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 。 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 4. 金 属 晶 核 形 成 的 方 式 自 发 形 核 : 以 过 冷 液 体 中 的 相 起 伏 （

4、 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 。 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 /m m 2） b/MPa s/MPa (%)6.3 237 46 35.351 274 70 44.819

5、4 294 108 47.5 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 。;GNKZ 。长 大 速 度 （形 核 率 ， 形 核 数 量；常 数 ， 常 取 )/m m );/(9.0 3sG mmsNK 生 产 中 常 采 用 1） 增 加 过 冷 度 T； 2） 变 质 处 理 ； 3） 附加 振 动 等 细 化 晶 粒 的 方 法 。 6 金 属 的 同 素 异 构

6、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

7、中 引 起 较 大 的 内 应 力 。 纯 铁 的 同 素 异 构 转 变 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 FF 单 晶 体 金 属 在 正 应 力 作 用 下 的 变 形 示 意 图F F 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

8、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 。n 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 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 n孪 生在 切 应 力 作 用 下 ， 晶 体 的 一 部 分 相 对

9、 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 。 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 。 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

10、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 。 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 位错 运 动 的 阻 碍l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 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

11、）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 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

12、 冷 拔 后 , 其 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。 晶 粒 拉 长 ， 但 未 出 现 织 构 。晶 粒 拉 长 ， 且 出 现 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 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

13、在 冷 变 形 时 ， 强 度 、 硬 度 ， 塑 性 、 韧 性 。 P21， 图 1-17 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

14、 。 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 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

15、 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 。 1.再 结 晶 过 程 及 其 对 金 属 组 织 、

16、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

17、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 。 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 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 。 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 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 不 易 保 温 、 加 工 后 的 强 度 和 硬 度 不 及 冷 变 形 加 工 。