机械工程材料 - 图文(6)

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结晶后晶粒的尺寸决定于形核速率和长大速度。

形核率：单位时间、单位体积内形成晶核的数目称为“形核率”用“N”来表示。

长大速度：单位时间内晶核生长的长度。用“G”来表示。可见，N/G越大晶粒越细小。 （三）控制晶粒尺寸的方法

1、控制过冷度

通常，冷却速度增大，过冷度增加，N/G值增大，晶粒越细。过冷度对N和G的影响见图3。

图3 过冷度对形核率和长大速度的影响

2、变质处理

有意相液态金属中加入非自发形核物质，从而细化晶粒的方法。所加入的物质称为“变质剂”。金属不同所加入的变质剂不同。

3、振动的、搅拌 结晶时，通过机械振动、电磁搅拌及超声波等方法，打碎树枝晶，并输入能量，促进形核，从而细化晶粒。

4、晶粒大小对金属性能的影响

常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属强度、硬度越高。同时，晶粒越细，可同时变形的晶粒越多，故塑性韧性越好，这被称为“细晶强化”。

高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动和迁移，对强度无益。 但晶粒过于粗大，易产生应力集中。因而高温下晶粒过粗，过细均无好的结果。 三、重要考点 判断题 1、（ ）金属材料在正常条件下通常是以结晶的形式凝固的。 2、（ ）凝固是物质内部原子由混乱排列到有序排列的转变过程，是一种相变过程 。 3、（ ）任何一种液体物质结晶都包括晶核生成和长大的过程。 答案：1、对；2、错；3、对。

《机械工程材料》辅导资料六

主 题：第四章 金属的塑性变形与再结晶

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学习时间：2013年11月4日－11月10日

内 容：

这周我们将结束本课程课件第4章的学习，即金属的塑性变形与再结晶。具体学习内容如下：

一、学习要求

1、掌握单晶体和多晶体金属的塑性变形原理。

2、掌握单相固溶体合金、多相混合物合金的塑性变形与固溶强化过程。 3、掌握残余内应力的概念。 4、掌握冷加工与热加工的区别。

5、理解冷变形金属在加热时的组织和性能变化过程曲线。 6、理解再结晶温度-变形度曲线。

7、理解热加工对金属组织和性能的影响。 二、主要内容

一、金属的塑性变形

金属在外力作用下，产生“永久变形”,而不破坏的性质称为“塑性”。 当外力去除以后所残留的变形称为“塑性变形”。 （一）单晶体金属的塑性变形

单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可以分解成正应力σ和切应力τ，见图1。

正应力只能引起弹性变形和解理断裂，只有在切应力作用下才能使金属晶体产生塑性变形。正常情况下，塑性变形有两种形式：滑移和孪生，多数情况下金属的塑性变形是以滑移形式进行的。

图1 单晶体的拉伸变形

（二）多晶体金属的塑性变形

1、晶界与晶粒位向差的影响

晶界对金属塑性变形的阻碍作用：晶界原子排列混乱，故位错移动到晶界，引起位错的塞积，要想继续使位错运动则必须增加外力，宏观上体现为变形抗力的增加，即强度增加。

晶界两侧的晶粒位向差不同，位错穿过晶界进入另一个晶粒时，必引起位向上的变化，开动新的位错，使强度增加。

2、多晶体金属的塑性变形过程

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金属滑移的不均允性和不同时性：软位向晶粒首先滑移（滑移系和外力成45°角的晶粒称为“软位向晶粒”）。

其他晶粒的转动和晶界的滑移：软位向晶粒滑移的同时，伴随着晶粒的转动（如前所述）带来其它较硬位向的晶粒朝着软位向的转动使得这些晶粒相继发生滑移，使塑性变形连续进行。

3、晶粒大小对金属力学性能的影响

晶粒越细，晶界总面积越大，金属强度越高。晶粒越细位于软位向的晶粒越多，同时开始滑动的晶粒数越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，金属的变形量越大。故“细晶强化”既可以提高金属的强度、硬度，又可以提高金属的塑性、韧性。 二、合金的塑性变形与强化

就合金的组织而言，基本上可分为单相固溶体和多项混合物两种。由于合金元素的存在，使得合金的塑性行为与纯金属有着显著的不同。 （一）单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化

固溶体合金的组织与纯金属相同，因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但由于溶质原子的存在，使晶格发生畸变，从而 产生了“固溶强化”。

产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格畸变产生畸变，而且易吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错钉扎住从而是变形抗力增加。 （二）多相合金的塑性变形与弥散强化

当合金的由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金的基本性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。

第二相可以是纯金属，也可以是固溶体或化合物，工业合金中的第二相多数是化合物。 当第二相呈网状分布时，对合金的强度和塑性都不利；

当在晶内呈片状分布时，可提高强度和硬度，但会降低塑性和韧性；

当在晶内呈颗粒状分布时，虽塑性、韧性略有下降，但强度、硬度可显著提高，而且第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，这种方法称为“弥散强化”或“沉淀强化”。

弥散强化的原因：由于硬的颗粒不易被切变，从而阻碍了位错运的运动，提高了变形抗力。 三、塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）塑性变形对金属组织结构的影响

组织影响：晶粒沿最大变形方向被拉长；变形量足够大时，晶界变得模糊不清； 使晶粒破碎形成碎晶（亚晶粒）；晶格产生畸变；如图2所示。

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图2 工业纯

铁在塑性变形前后的组织变化

（二）塑性变形对金属性能的影响

金属发生冷塑性变形后，产生加工硬化。原因是：

1、随变形量的增加，位错密度增加。使变形抗力增加；

2、随变形量的增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动起阻碍作用； 3、随变形量的增加，空位密度增加；

4、硬位向晶粒数量增加，发生几何硬化，变形抗力增加。 （三）残余内应力

内应力：平衡于金属内部的应力。它是金属在外力作用下，内部不均允塑性变形而引起的。金属在塑性变形过程中，大约10％的功残留在金属内部成为内应力。

内应力分为三类：

1、第一类内应力，又称为“宏观内应力”，平衡于金属内部一部分与另一部分之间，（如表面与心部之间）；

2、第二类内应力，又称为“微观内应力”，它存在于金属内部晶粒与晶粒（或晶粒内不同区域）之间；

3、第三类内应力，又称为“超微观内应力”，它平衡于金属内部原子之间，是由晶格缺陷引起的畸变应力。

第三类内应力是形变金属的主要内应力，也是金属强化的主要原因。第一、二类内应力都使金属的强度降低。内应力的存在，使金属的耐蚀性下降，并易引起零件在加工、淬火过程中变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。 四、回复与再结晶

（一）冷变形金属在加热时的组织和性能变化

金属冷变形之后处于不稳定状态，有自发恢复到稳定状态的趋势，但因温度低，原子扩散困难，达到暂时的平衡。一旦温度增加，是原子的扩散条件得以改善金属将依次发生回复、再结晶、晶粒长大过程，塑性变形金属加热时段的组织与性能的变化如图3所示。

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图3 冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图

1、回复

冷变形以后的金属重新加热到(0.25-0.3)T熔温度时,晶内原子就近迁移到接近平衡位臵，境内缺陷减少,由塑性变形带来的第三类应力部分消除,由位错运动带来的无序状态垂直分布.形成亚晶界,这一过程称为“多边形化”,即“回复”。

在回复阶段强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。在工业上这种处理方法称为“稳定化处理或定型处理” 。冷拉钢丝的低碳钢弹簧经缠绕后，要在250～300?条件下进行定形处理，使其定型。

经深冲工艺制成的黄铜弹壳要进行260?的稳定化处理，以防止以防止晶间应力腐蚀开裂等。

2、再结晶

当温度T再达到0.4T熔时金属内部以碎晶或杂质为核心.再次生成等轴晶粒,这一过程称为“再结晶”。再结晶不是相变过程,只是一个晶粒恢复的过程,再结晶前后新、旧晶体的晶格类型和成分完全相同。由于再结晶的作用,金属的强度、硬度下降,塑性、韧性提高,加工硬化完全消失。

3、结晶后的晶粒长大

再结晶完成后,继续加热或延长加热时间,将发生晶粒长大,这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。 晶粒粗大会使金属的强度尤其是塑性、韧性下降。 （二）再结晶温度

再结晶不是一个恒温过程.受某些条件限制,它是自某一温度开始,在一个温度范围内连续进行的过程,发生再结晶的最低温度称为“再结晶温度”。 影响再结晶温度的因素如下：

1、金属的预先变形度

金属变形度越大,则再结晶温度越低。当变形度达到一定值后,再结晶温度趋于某最低值称为“最低再结晶温度”。

2、金属的纯度

金属中的杂质或合金元素,特别是高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高。如纯铁的再结晶温度为724K（451?），加入少量的碳变成低碳钢后，提高到813K（540?）。

3、加热速度和保温时间

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