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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 金属的结晶与塑性变形,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,.,
2、掌握变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,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 T,0,T,1,。,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,。,3.金属结晶的规律,纯金属的结晶过程：,晶核形
3、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（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。,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,T,；,2,）变质处理；,3,）附加振动等细化晶粒的方
4、法。,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。,纯铁的同素异构转变,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,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
5、：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,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,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。,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
6、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,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,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
7、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
8、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,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。,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,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
9、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。,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,=(0.250.3)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
10、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。,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。,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
11、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),。,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,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。,210,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。,思考题,为什么铸件的加工余量过大会使加工后的铸件强度降低？,某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到,700,，保温,1h,后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原因。,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，试分析其原因。,
机械工程材料及成型工艺第三章
