金屬材料與熱處理

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金屬材料與熱處理,學(xué)習(xí)要點,,第2章 金屬的晶體結(jié)構(gòu),1、晶格類型 2、實際金屬的組織與結(jié)構(gòu) 3、單晶體金屬塑性變形 4、位錯運動 5、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 6、多晶體金屬塑性變形 7、金屬的結(jié)晶 8、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,第2章 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1 金屬晶體結(jié)構(gòu) 2.2金屬的結(jié)晶及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,1、晶體 ：物質(zhì)內(nèi)部的原子作有序、有規(guī)則的排列非晶體 ：在物質(zhì)內(nèi)部的原子呈無序堆積狀況。* 一般固態(tài)金屬都是晶體。,2、晶格：表示晶體中原子排列形式的空間格子 3、晶胞：能夠完整反映晶格特征最小幾何單元。,2.1 金屬晶體結(jié)構(gòu),晶格參數(shù)和晶面、晶向,晶格參數(shù)：晶格常數(shù)a、b、c和棱邊邊夾角α、β、γ,晶面：在晶格中由一系列原子組成的平面。 晶向：在晶格中原子列的位向。,1、體心立方晶格： 晶胞是一個立方體，金屬原子排列在立方體的中心和八個頂角上。 **金屬有α-Fe、Cr、Mo、V等。,晶格類型：,晶格致密度： 晶胞中原子所占有的體積與晶胞體積之比,2、面心立方晶格：晶胞是一個立方體，金屬原子排列在立方體的六個面的中心和八個頂角上。 金屬有γ-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。,單晶體：晶格位向完全一致晶體。 晶粒：外形不規(guī)則，晶格位向一致的小晶體。 多晶體:許多位向不同，外形不規(guī)則的小晶粒組成 晶界：多晶體金屬內(nèi)各晶粒間的交界面。,單晶體與多晶體,單晶體金屬塑性變形,理論上 整體滑移：每一個原子都移動。 整體滑移所需的理論力遠(yuǎn)大于實際所需的力。,位錯運動和孿生,線缺陷/位錯：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯運動機(jī)理：位錯的半原子面受到前后兩邊原子的排斥，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，只需加很小的力就能打破力的平衡，位錯的半原子面移動很小的距離（小于一個原子間距），達(dá)到虛線位置，使位錯前進(jìn)一個原子間距。在切應(yīng)力作用下，位錯繼續(xù)移動到晶體表面。大量位錯移動到晶體表面，就形成宏觀塑性變形。,實際滑移通過,實現(xiàn),金屬的塑性變形主要是由位錯運動引起滑移完成。,實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶格畸變：晶格中原子偏離平衡位置，使晶格發(fā)生扭曲 →破壞了原子的平衡狀態(tài)。點缺陷：晶格中存在空位、間隙原子、置換原子等點缺陷的存在，從而引起晶格畸變?！阅茏兓菏菇饘俚碾娮杪试黾樱瑥?qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。,線缺陷,線缺陷/位錯：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 常見的有刃型位錯和螺型位錯 金屬的塑性變形主要是由位錯運動引起滑移形成。 →阻礙位錯運動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。 →減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。,面缺陷,面缺陷/晶界：多晶體金屬內(nèi)各晶粒間的交界面。 晶界/大角晶界：相鄰晶粒位向相差15°以上。 亞晶粒：在一個晶粒內(nèi)部，晶格位向相差很小 （2-3 °）的小晶。 亞晶界/小角晶界：,晶界特性,1、晶界原子排列紊亂，對位錯運動有阻礙作用，是金屬中的強(qiáng)化部位（在常溫下，強(qiáng)度、硬度較高）。 →金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積就越（ ），金屬的強(qiáng)度也越（ ） 2、晶界處的原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，能量比晶內(nèi)的高(高出叫晶界能） →晶界熔點低、耐蝕性差、原子擴(kuò)散快。 →晶界的缺陷比晶內(nèi)多，因而外來原子易在晶界上偏聚，其濃度高于晶內(nèi)，稱為內(nèi)吸附。 →晶界還是固態(tài)相變的優(yōu)先形核部位。,多晶體金屬塑性變形,分析角度：晶粒位向、晶界、晶粒大小 1、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加，使塑性變形抗力增加。塑性變形不均勻和逐步擴(kuò)展，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,2、晶界：晶界原子排列紊亂，阻礙位錯移動,3、晶粒大小：粒小，晶界多，不同位向晶粒多，塑性變形抗力大強(qiáng)度（ ）。晶粒大小影響韌性、塑性：A 變形量均勻分散在更多的晶粒內(nèi)，不致集中少數(shù)晶粒，造成變形嚴(yán)重；B 晶粒小，晶界多且曲折，不利于裂紋傳播，斷裂前能承受大的塑性變形，吸收較多的功故韌性、塑性（ ）,冷塑性變形后金屬的組織與性能,1、位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化 優(yōu)點：A、強(qiáng)化金屬手段；B、增加構(gòu)件的安全性；C、有利于金屬進(jìn)行均勻變形，是塑性變形成形的重要因素； 缺點：進(jìn)一步冷塑性變形困難。 2、冷塑性變形引起各項異性：A、組織纖維化 B、結(jié)構(gòu)（晶粒）方向性 3、產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力,殘余內(nèi)應(yīng)力1,宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力：由于金屬材料各部分變形不均勻 而造成的宏觀范圍內(nèi)殘余應(yīng)力。,彎曲變形后,殘余內(nèi)應(yīng)力2,微觀殘余內(nèi)應(yīng)力：多晶體的各晶粒的變形不均勻， 而使各晶粒間產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。,殘余內(nèi)應(yīng)力3,晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，增加了位錯 及空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離 平衡而造成晶格畸變，從而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。 需要部分原子范圍內(nèi)（幾百，幾千）來相互平衡。,殘余內(nèi)應(yīng)力,殘余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。 類別：1、宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力2、微觀殘余內(nèi)應(yīng)力3、晶格畸變應(yīng)力（90%） 引起殘余內(nèi)應(yīng)力的原因： 塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變等 有害影響：1、降低工件的承載能力2、 使工件尺寸和形狀發(fā)生變化3、降低工件的耐蝕性,金屬結(jié)晶,1、結(jié)晶：液態(tài)金屬凝固成晶體結(jié)構(gòu)的過程。也是原子由不規(guī)則排列的液態(tài)逐步過渡到原子規(guī)則排列的晶體的過程。,2、理論/平衡結(jié)晶溫度：理論上凝固點與熔點一致的溫度 3、過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差。T0-T1=△T,,*冷卻速度越快，實際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大。,結(jié)晶過程,結(jié)晶過程：形核及晶核長大的過程。,晶核：結(jié)晶的核心質(zhì)點（原子小集團(tuán)）。,晶粒的大小取決于晶核的形成速率和長大速度 。,控制過冷度：過冷度對形核率和長大速度都有影響。,鑄錠的形成,1、表面細(xì)晶粒層 2、柱狀晶區(qū) 3、中心等軸區(qū),變形金屬加熱時組織和性能的變化,1、回復(fù)：加熱溫度低，顯微組織無明顯變化，機(jī)械性能變化不大，殘余殘余應(yīng)力顯著下降的階段。 2、原因：溫度低，原子短距離擴(kuò)散，使空位與間隙原子合并，空位與位錯發(fā)生交互作用而消失，晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力顯著下降。但位錯密度未顯著減少，加工硬化的主要原因未消除。機(jī)械性能在回復(fù)階段變化不大。,3、冷變熱處理方法應(yīng)用：去應(yīng)力退火 回復(fù)/冷卷彈簧（250-300 ℃ ），青銅絲彈簧（120-150 ℃ ）。,變形后的金屬，晶格畸變，原子內(nèi)能升（ ）而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)原來穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。室溫，原子活動能力（ ），而溫度高，（ ），其組織和性能（ ）。變化階段（ ）。,2、再結(jié)晶,4、冷變熱處理方法應(yīng)用： （再結(jié)晶退火）為工件 拉延、彎曲繼續(xù)進(jìn)行的中間熱處理。,1、再結(jié)晶：加熱溫度較高，顯微組織（ ），加工硬 化（性能）和殘余應(yīng)力（ ）。,2、再結(jié)晶過程：溫升，原子活動能力大，在晶界等晶格畸變嚴(yán)重處，形核，長大成等軸晶粒。晶格畸變輕，位錯密度減輕到變形前，殘余應(yīng)力和加工硬化（ ）。 注：再結(jié)晶前后，晶粒晶格（ ）。晶粒形狀（ ）。 3、再結(jié)晶溫度；溫度范圍最低溫度。T再=（0.35-0.4）T熔,3、晶粒長大,晶粒長大：溫升或保溫，晶界遷移位向改變， 晶粒被吞并而長大,金屬熱變形加工（熱鍛/熱軋）,1、冷熱變形加工區(qū)別：以再結(jié)晶溫度劃分。 鎢/1200℃，錫/-7 ℃。 2、熱加工特點：冷加工+再結(jié)晶同時進(jìn)行。 熱加工時，由于金屬原子結(jié)合力減小，而且 形變強(qiáng)化現(xiàn)象隨時被再結(jié)晶消除，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性提高，因此熱加工比冷加工易進(jìn)行。 3、適用場合：A、熱加工可應(yīng)用于截面尺寸大，變形量大、材料在室溫下脆性較高。B、冷加工適于截面尺寸小、加工尺寸和表面質(zhì)量要求較高的金屬制品。,金屬熱變形加工時組織和性能的變化,1）形成纖維組織2）消除和改善鑄態(tài)金屬的組織缺陷 （如：氣泡縮孔焊和、縮松壓實、使材料致密；鑄態(tài)時粗大的柱狀晶經(jīng)熱變形加工變成細(xì)小的等軸晶粒；大塊碳化物被打碎，使成分均勻。,金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下，隨著溫度改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。 遵守結(jié)晶的形核和晶核的生長。,固態(tài)轉(zhuǎn)變有著與結(jié)晶不同的特點： ①發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變時，形核一般在某些特定部位發(fā)生，如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等。因為晶界原子不穩(wěn)定，擴(kuò)散容易。 ②由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，固態(tài)相變組織通常要比結(jié)晶組織細(xì)。 ③固態(tài)轉(zhuǎn)變往往伴隨著體積變化，因而易產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使材料發(fā)生變形或開裂。,