1、第三節(jié) 金屬塑性變形與再結(jié)晶 本章授課學(xué)時：2學(xué)時 本章重點(diǎn)內(nèi)容：1.單晶體材料塑性變形的兩種方式；2.多晶體材料塑性變形的過程；3.塑性變形對金屬材料組織和性能的影響；4.變形金屬在加熱時組織和性能的變化。 本章難點(diǎn)內(nèi)容：1.多晶體材料塑性變形的特點(diǎn)；2.回復(fù)與再結(jié)晶對金屬材料組織性能的變化規(guī)律 第一節(jié) 金屬的塑性變形 目的要求:通過講授金屬的塑性變形 ,使學(xué)生掌晶體塑性變形的本質(zhì),及單晶體與多晶體塑性變形的差異。 重 點(diǎn):塑性變形本質(zhì)的理解。 難 點(diǎn):多晶體塑性變形。 教學(xué)方法 :課堂講授和多媒體演示結(jié)合。 授課內(nèi)容： 一、單晶體的塑性變形 單晶體塑性變形的方式有兩種:滑移和孿生。 1、滑

2、移：滑移是單晶體中最主要的一種塑性變形方式。所謂滑移是晶體中的一部分相對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對的滑動?；谱冃斡腥缦绿攸c(diǎn): <1>、滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。 <2>、滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。 <3>、滑移時晶體的一不能粉相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍,滑移結(jié)果在晶體的表面上造成臺階。 <4>、滑移的同時必然伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動。 2、孿生:在切應(yīng)力作用下,單晶體有時還可以通過另一種方式發(fā)生塑性變形,即晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面(孿生面)產(chǎn)生一定角度的切變(即轉(zhuǎn)動),這種變形方式叫做孿

3、生。 二、多晶體的塑性變形 多晶體的塑性變形與單晶體比較無本質(zhì)上的差別。但由于晶界的存在,晶粒間位向的差異,以及變形過程中晶粒之間的相互牽制等等,多晶體的塑性變形過程要比單晶體復(fù)雜得多。 1、晶界和晶粒位向的影響 晶界和晶粒位向?qū)λ苄宰冃斡酗@著的阻礙作用。因此,多晶體的塑性變形抗力總是高于單晶體。 2、多晶體塑性變形過程 當(dāng)金屬受力產(chǎn)生塑性變形時,處于軟位向與外力成45度夾角方向的晶粒首先發(fā)生塑性變形,但它的塑性變形要受到周圍不同位向晶粒的阻礙,特別是受到處于硬位向的晶粒阻礙,這使得塑性變形的抗力增大,即強(qiáng)度,硬度增加。 第二節(jié) 塑性變形對金屬組織和性能的影響 目的要求:通過講授金屬在塑性變形

4、過程中組織和性能的變化。使學(xué)生掌握其基本規(guī)律及應(yīng)用。 重 點(diǎn):塑性變形后金屬組織和性能轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律。 難 點(diǎn):塑性變形后金屬組織性能變化的利弊。 授課內(nèi)容: 一、塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1、晶粒形狀的變化 塑性變形后晶粒的外形沿著變形方向被壓扁或拉長形成纖維組織。 2、亞結(jié)構(gòu)的形成     隨著塑性變形的發(fā)生 ,位錯之間產(chǎn)生一系列復(fù)雜的交互作用,產(chǎn)生了位錯纏結(jié)現(xiàn)象。隨著變形的增加,位錯纏結(jié)現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展,便會把各晶粒破碎成為細(xì)碎的亞晶粒,隨著變形的方向被拉長。 3、形變結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生 在定向變形情況下,當(dāng)變形量達(dá)到一定值(70%-90%以上),金屬中的每個晶粒的

5、位向都趨于大體一致,這種現(xiàn)象稱為織夠現(xiàn)象,或稱擇優(yōu)取向。 二、塑性變形對金屬性能的影響     組織上的變化,必然引起性能上的變化。如纖維組織的形成,使金屬的性能具有方向性,縱向的強(qiáng)度和塑性高于橫向。晶粒破碎和位錯密度增加,使金屬的強(qiáng)度和硬度提高,塑性和韌性下降,產(chǎn)生了所謂加工硬化(或冷作硬化)現(xiàn)象。 三、內(nèi)應(yīng)力的形成 1、第一類內(nèi)應(yīng)力：它是由于金屬的表面和心部塑性變形不均勻造成的,存在于宏觀范圍內(nèi),故又稱宏觀內(nèi)應(yīng)力。 2、第二類內(nèi)應(yīng)力：它是由于晶粒之間變形不均勻造成的,存在于晶粒間,故稱微觀內(nèi)應(yīng)力或晶間內(nèi)應(yīng)力。 3、第三類內(nèi)應(yīng)力：它是由于晶格畸變,原子偏離平衡位

6、置造成的,存在于原子之間,又稱晶格畸變應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是使金屬強(qiáng)化的主要原因,也是變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力。 第三節(jié) 回復(fù)與再結(jié)晶 目的要求:通過講授變形金屬在加熱時組織和性能的變化,使學(xué)生掌握其變化規(guī)律及應(yīng)用。 重 點(diǎn):回復(fù)與再結(jié)晶本質(zhì)的理解。 難 點(diǎn):組織性能的變化規(guī)律。 授課內(nèi)容: 一、變形金屬在加熱時組織和性能的變化1、回復(fù) ：加熱溫度較低時,變形金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯,在某些晶內(nèi)發(fā)生遷移變化的過程,稱為回復(fù)。由于回復(fù)階段原子活動能力不大,金屬的晶粒大小和形狀無明顯變化(仍為纖維組織),故金屬的強(qiáng)度和塑性變化不大,而內(nèi)應(yīng)力和電阻等理化性能顯著降低。因此生產(chǎn)中要求保留加工硬化性能而需要

7、降低內(nèi)應(yīng)力或改善某些理化性能所用的低溫退火,就是利用回復(fù)的原理。 2、再結(jié)晶：變形金屬加熱到較高溫度時,原子具有較強(qiáng)的活動能力,有可能再破碎的亞晶界處重新形核和長大,使原來破碎拉長的晶粒變成新的,內(nèi)部缺陷較少的等軸晶粒。這一過程,使晶粒的外形發(fā)生了變化,而晶格的類型無任何變化,故稱為再結(jié)晶。經(jīng)過再結(jié)晶得到了新的等軸晶,消除了變形金屬的一切組織特征,加工硬化核內(nèi)應(yīng)力也被完全消除,各種性能完全回復(fù)到變形前的狀態(tài)。所以再結(jié)晶退火常作為金屬進(jìn)一步加工時的中間退火工序。 3、晶粒長大：再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長加熱時間,晶粒會不斷長大。晶粒長大是靠晶界的遷移,小晶粒逐漸被吞并到相鄰的較大晶粒中,晶界

8、本身趨于平直化,晶粒粗大,使金屬的機(jī)械性能顯著降低,故一般不希望發(fā)生。 二、金屬的再結(jié)晶溫度 變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為金屬的 再結(jié)晶溫度。影響再結(jié)晶溫度的因素如下: <1>、預(yù)先的變形程度。變形程度愈大,金屬畸變能愈高,向低能狀態(tài)變化的傾向也愈大,因此再結(jié)晶溫度愈低。 <2>、原始晶粒大小。金屬原始晶粒越小,則變形的抗力越大,變形后存儲的能量較高,再結(jié)晶溫度則較低。 <3>、金屬的純度及成分。金屬的化學(xué)成分對再結(jié)晶溫度的影響比較復(fù)雜,當(dāng)金屬中含有少量元素,特別是高熔點(diǎn)元素時,常會阻礙原子擴(kuò)散或晶界的遷移,而使再結(jié)晶溫度升高。再鋼中再加入少量的 W

9、,Mo,V等,還會更進(jìn)一部提高再結(jié)晶溫度。 <4>、加熱速度核保溫時間。再結(jié)晶過程需要有一定時間才能完成,故加熱速度的增加會使再結(jié)晶推遲到較高溫度才發(fā)生;而保溫時間延長,原子擴(kuò)散充分,可使再結(jié)晶過程在較低溫度下完成。在工業(yè)生產(chǎn)中,金屬通常以大變形量(約70%以上),經(jīng)1h保溫能完全在結(jié)晶的溫度,定義為該金屬的最低在結(jié)晶溫度。大量的實(shí)驗(yàn)資料證明,工業(yè)純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)間存在以下關(guān)系 T再0.4T熔 式中各溫度均以絕對溫度計(jì)算。 三、再結(jié)晶退火后的晶粒度的因素：<1>加熱溫度和時間。顯而易見,再結(jié)晶退火時得加熱溫度愈高,晶粒愈粗。加熱溫度一定時,時間愈長,晶粒也

10、愈粗,但其影響程度不如溫度得影響大。 <2>變形度變形度愈大,變形愈均勻,再結(jié)晶后的晶粒度便愈細(xì)。當(dāng)變形度很小時,由于晶格畸變小,不足以引起再結(jié)晶,故晶粒度保持原樣。當(dāng)變形度在2%-10%時再結(jié)晶后的晶粒十分粗大。這個變形度稱為臨界變形度,生產(chǎn)中應(yīng)設(shè)法避免。第四節(jié) 金屬的熱加工 目的要求:通過講授使學(xué)生掌握冷 ,熱加工的區(qū)別及熱加工對金屬組織和性能的影響。 重 點(diǎn)：熱加工后組織性能的變化 難 點(diǎn):熱加工的應(yīng)用。 授課內(nèi)容: 一、熱加工與冷加工的區(qū)別 熱加工與冷加工的區(qū)別應(yīng)以金屬的再結(jié)晶溫度為界限 ,即凡在再結(jié)晶溫度以上的加工過程稱為熱加工,反之稱為冷加工。 二、熱加工對金屬組織和性

11、能的影響熱加工雖然不致引起加工硬化,但仍能使金屬的組織和性能發(fā)生顯著的變化。 <1>可使鋼中的氣孔焊合,分散縮孔壓實(shí),從而使材料的致密度增加。 <2>可使鋼中的粗大枝晶合柱狀晶破碎,從而使晶粒破碎,從而使晶粒細(xì)化,機(jī)械性能提高。 <3>可使鋼中的各種夾雜物沿著變形方向伸長,形成了纖維組織。這種組織使鋼的機(jī)械性能有了方向性,在沿著纖維的方向上(縱向)具有較高的機(jī)械性能,而且在垂直方向上(橫行)性能較低。 第五節(jié) 金屬強(qiáng)化理論簡介 目的要求:要求學(xué)生掌握技術(shù)金屬強(qiáng)化機(jī)制。 重 點(diǎn):強(qiáng)化金屬的基本方法。 授課內(nèi)容 : 一、位錯強(qiáng)化理論 ：強(qiáng)度一般指對塑性變形的抗力

12、。金屬的塑性變形是位錯運(yùn)動引起的,因此,位錯直接影響金屬的強(qiáng)度。理論合實(shí)驗(yàn)證明,金屬強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系如圖5-23所示。從圖中可以看出,金屬的位錯密度再某一數(shù)值左右(通常1010-1012cm -2 )時,其強(qiáng)度最低,相當(dāng)于金屬的退火狀態(tài),在次基礎(chǔ)上,增加位錯密度或降低位錯密度都可以使金屬強(qiáng)度提高。因此,位錯在與金屬強(qiáng)度的關(guān)系中扮演了雙重角色。在實(shí)際工程材料中,一切阻礙位錯運(yùn)動的因素都會使金屬的強(qiáng)度提高,造成硬化。 二、金屬的強(qiáng)化機(jī)制1、固溶強(qiáng)化：合金組織大多存在于固溶體,由于其中的溶質(zhì)原子與溶劑金屬原子大小不同,溶劑晶格發(fā)生畸變,并在周圍造成一個彈性應(yīng)力場,此應(yīng)力場與運(yùn)動位錯的應(yīng)力場發(fā)生交互作用,增大了位錯運(yùn)動的阻力,使金屬的滑移變形困難,從而提高合金的強(qiáng)度合硬度,這便是固溶強(qiáng)化。 2、細(xì)晶強(qiáng)化：晶界是一種面缺陷,能有效地阻礙位錯運(yùn)動,使金屬強(qiáng)化。晶粒越細(xì),晶界越多也越曲折,強(qiáng)化作用越顯著。鋼中常用來細(xì)化晶粒地元素有鈮,釩,鋁,鈦等。細(xì)化晶粒在提高鋼地強(qiáng)化