工程材料的结构第讲工程材料教学课件市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第第2 2章章 工程材料结构工程材料结构 1第1页材料结构材料结构表明材料组元及其排列和运动方式。表明材料组元及其排列和运动方式。对材料内部结构水平认识：对材料内部结构水平认识：宏观、微观宏观、微观。2第2页What?“组织结构组织结构”3第3页相相：凡凡是是化化学学成成份份相相同同、晶晶体体结结构构相相同同并并有有界界面面与与其它部分分开均匀组成部分。元素不一定单一。其它部分分开均匀组成部分。元素不一定单一。广义讲广义讲组织结构包含了组织结构包含了成份、相、组织、结构成份、相、组织、结构等概念。等概念。组组织织：用用肉肉眼眼或或显显微微镜镜观观察察到到材材料料微微观观形形貌貌，它它能能够够是是单单相相，也也能能够够是是由由一一定定数数量量、形形态态、大大小小和和分分布布方方式各种相组成。式各种相组成。4第4页2.1 金属晶体结构和组织金属晶体结构和组织2.2 合金晶体结构和组织合金晶体结构和组织2.3 塑性变形和回复、再结晶塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能影响对金属材料组织、性能影响5第5页2.1 金属晶体结构和组织金属晶体结构和组织一、理想晶体一、理想晶体1晶体与非晶体晶体与非晶体晶体晶体：材料原子（离子、分子）在三维空间呈规则、：材料原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。周期性排列。非晶体非晶体：材料原子（离子、分子）无规则堆积，和液：材料原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相同，亦称为体相同，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。(a)、是否含有周期性、对称性；、是否含有周期性、对称性；(b)、是否长程有序；、是否长程有序；(c)、是否有确定熔点；、是否有确定熔点；(d)、是否各向异性。、是否各向异性。区区别别6第6页2晶体结构描述晶体结构描述a.理想晶体理想晶体实际晶体理想化实际晶体理想化p三维空间无限延续，三维空间无限延续，无边界无边界；p严格按周期性规划排列，是严格按周期性规划排列，是完整、无缺点完整、无缺点；p原子在其平衡位置原子在其平衡位置静止不动静止不动。b.理想晶体晶体学抽象理想晶体晶体学抽象（见下列图见下列图）空空间间规规则则排排列列原原子子刚刚球球模模型型晶晶格格（刚刚球球抽抽象象为为晶晶格格结结点点，组组成成空空间间格格架架）晶晶胞胞（含含有有周周期期性性最最小组成单元）小组成单元）晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）排列方式。晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）排列方式。7第7页理想晶体晶体学抽象示意理想晶体晶体学抽象示意8第8页3晶胞描述晶胞描述晶体学参数：晶体学参数：a,b,c,晶格常数：晶格常数：a,b,c晶系晶系轴(棱边)之间夹角三斜晶系三斜晶系 单斜晶系单斜晶系 斜方晶系斜方晶系 正方晶系正方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 立方晶系立方晶系 cXZYOba七个晶系：七个晶系：9第9页布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞10第10页晶晶向向(crystal(crystal direction):direction):在在晶晶格格中中,任意两原子之间连线所指方向。任意两原子之间连线所指方向。晶晶向向指指数数:用用密密勒勒(Miller)(Miller)指指数数对对晶晶格格中中某某一一原原子子排排列列在在空空间间位位向向进进行行标定。标定。n确定方法确定方法:n设置坐标设置坐标;n求投影坐标求投影坐标;n取最小整数。取最小整数。11第11页晶面晶面(crystal face):(crystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所组成平面称为晶面。一系列原子所组成平面称为晶面。n确定方法确定方法:n设置坐标设置坐标;n求截距求截距;n取倒数。取倒数。晶面指数晶面指数(indicesofcrystallographicplane):用密勒用密勒(Miller)(Miller)指数对晶格中指数对晶格中 某一某一晶面进行标定。晶面进行标定。12第12页4三种经典金属晶体晶胞三种经典金属晶体晶胞(图图)属于这类结构金属于这类结构金属有：碱金属、难属有：碱金属、难溶金属（溶金属（V V、NbNb、TaTa、CrCr、MoMo、W W）a-Fea-Fe等等属于这类结构金属属于这类结构金属有：有：Al、珍贵金属、珍贵金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢以及奥氏体不锈钢等等。属于这类结构金属于这类结构金属有：属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。等。体心立方晶胞体心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp13第13页14第14页1、体心立方晶胞、体心立方晶胞BCCBody-CenteredCube晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68%15第15页晶胞原子数晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含原子数目。：是指在一个晶胞中所含原子数目。8*1/8+1=2原子半径原子半径：是指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子间平：是指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子间平衡距离二分之一，或晶胞中相距最近两个原子间距二分之一。衡距离二分之一，或晶胞中相距最近两个原子间距二分之一。体心立方晶胞：体心立方晶胞：r=sqr(3)a/4致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占：是指晶胞中原子本身所占有体积百分数，也称密排系数。有体积百分数，也称密排系数。致密度致密度=（晶胞中原子所占有体积（晶胞中原子所占有体积/晶胞体积）晶胞体积）X100%属于这类结构金属有：属于这类结构金属有：碱金属、难溶金属（碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等等配位数配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离原子数目。：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离原子数目。BCC为为1216第16页2、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC-Face-CenteredCube晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74%17第17页FCC刚球模型刚球模型属于这类结构属于这类结构金属有：金属有：Al、珍贵、珍贵金属、金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥以及奥氏体不锈钢等。氏体不锈钢等。18第18页3、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP-HexagonalClose-Packed晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 HCP a=bc,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o a/2 6 12 74%19第19页属于这类结构属于这类结构金属有：金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。等。HCP刚球模型刚球模型20第20页BCC、FCC、HCP晶胞主要参数晶胞主要参数晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68%FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74%HCP a=bc,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o a/2 6 12 74%21第21页密排面与密排方向密排面与密排方向110,111,底面底面,底面上任底面上任意相邻原子连线意相邻原子连线22第22页二实际晶体二实际晶体理想晶体理想晶体+晶体缺点晶体缺点实际晶体实际晶体实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致各向异性多晶体多晶体：由许多位向各不相同单晶体块组成各向同性晶体缺点：晶体缺点：实际晶体中存在着偏离实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性部分（破坏）晶格周期性和规则性部分。a、点缺点点缺点b、线缺点线缺点（位错）c、面缺点面缺点单晶体单晶体多晶体多晶体23第23页A、点缺点点缺点晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体改变。晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体改变。u空位空位(vacancy)：晶格结点处无原子晶格结点处无原子u置换原子置换原子(gapatom)：晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据u间隙原子间隙原子(substitutionalatom)：原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙空位、间隙原子、置换原子示意图空位、间隙原子、置换原子示意图空位空位24第24页点缺点造成晶格畸变点缺点造成晶格畸变置换原子置换原子引发晶格畸变引发晶格畸变空位引发晶格畸变空位引发晶格畸变25第25页B B、线缺点线缺点(linedefect)位错位错(dislocation)：二维尺度很小，另一维尺度很大原子错排。二维尺度很小，另一维尺度很大原子错排。u刃型位错刃型位错(screwdislocation)u螺型位错螺型位错(bladedislocation)26第26页c、面缺点面缺点(surface-defect)一维尺度很小，而二维尺度较大原子错排区域。一维尺度很小，而二维尺度较大原子错排区域。晶界晶界(grainboundary):晶粒与晶粒之间界面。晶粒与晶粒之间界面。亚晶界亚晶界(sub-boundary):相邻晶粒位向很小相邻晶粒位向很小(普普通通1 12)2)小角度晶界。小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面与内部不一样。表面与内部不一样。区域：区域：大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界27第27页28第28页Cu-Ni合金中亚结构合金中亚结构29第29页三、晶体中扩散三、晶体中扩散扩散扩散原子在晶体中移动距离超出其平均原原子在晶体中移动距离超出其平均原子间距迁移现象。子间距迁移现象。1、概念、概念扩散热激活过程（以克服晶格约束）30第30页2影响扩散原因影响扩散原因(1)温度温度使原子能量提升使原子能量提升（最主要原因）（最主要原因）D=Doexp(-Q/RT）Do扩散系数扩散系数(cm2/s),Q扩散激活能扩散激活能(2)晶体结构晶体结构致密度小致密度小克服能垒小克服能垒小扩散轻易扩散轻易(3)表面及晶体缺点表面及晶体缺点晶格畸变晶格畸变高能态原子高能态原子激活能小激活能小(体扩散体扩散0.6-0.7)扩散快扩散快100-1000倍倍uDo，Q与温度无关，决定于晶体成份和结构；u温度提升10-15度，D提升一倍。31第31页四、纯金属结晶及其组织四、纯金属结晶及其组织1结晶与凝固区分结晶与凝固区分凝固凝固：LSS能够是非晶能够是非晶结晶结晶：一个原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另：一个原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一个原子规则排列状态（晶态）转变过程。一个原子规则排列状态（晶态）转变过程。一次结晶：一次结晶：LS晶态晶态二次结晶：二次结晶：SS晶态晶态LiquidSolid32第32页2结晶驱动力结晶驱动力F0，而不是过冷度，而不是过冷度T自然界自发过程进行热力学条件都是自然界自发过程进行热力学条件都是F0体体系系中中各各种种能能量量总总和和叫叫做做内内能能U，其其中中能能够够对对外外做做功或向外释放能量叫功或向外释放能量叫自由能自由能F，F=U-TS（熵）（熵）过冷度：过冷度：T=Tm-Tn,F用来克服界面能用来克服界面能Tma当温度当温度TTm时，时，FsFL,液相稳液相稳定定b当温度当温度TTm时，时，FsL+初初-L+初初+（c+e)-初初+（c+e)-+II+（+）亚共晶合金组织亚共晶合金组织61第61页62第62页相组成物相组成物：，室温下室温下：组织相对量组织相对量：在共晶温度时在共晶温度时：室温下室温下：初初-+II63第63页L=M+fg64第64页合金合金IV：（：（过共晶合金）过共晶合金）-作业作业组织标注相图组织标注相图IVIIII(+)相（%）组织（%）65第65页四、合金性能与相图关系四、合金性能与相图关系1、合金使用性能与相图关系、合金使用性能与相图关系66第66页p溶质元素溶质元素晶格畸变大晶格畸变大强度、硬度强度、硬度，（，（50%最大）最大）p复复相相组组织织区区域域内内（如如共共晶晶转转变变范范围围内内），合合金金强强度度和和硬硬度度随随成成份份改改变变呈呈直直线线关关系系，大大致致是是两两相相性性能能算算术术平平均均值值。HB=HB*%+HB*%p对对组组织织较较敏敏感感性性能能强强度度，与与组组成成相相或或组组织织组组成成物物形形态态有有很很大大关关系系。组组成成相相或或组组织织组组成成物物越越细细密密，强强度度越越高高（共共晶晶点点处处，共共晶晶组组织织呈呈细细小小、均均匀匀细细密密复复相相组组织织，强强度度可可达达最高值最高值。）。）67第67页2、合金工艺性能、合金工艺性能68第68页na.铸造性能铸造性能液态合金流动性以及产生缩孔，裂纹倾向液态合金流动性以及产生缩孔，裂纹倾向性等。液固相线距离愈小，性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小结晶温度范围愈小合金流动合金流动性好性好有利于浇注有利于浇注。液固相线距离大液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成份散缩孔倾向也愈大，使铸造性能恶化，所也愈差，形成份散缩孔倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金成份常取以铸造合金成份常取共晶成份共晶成份和和靠近共晶成份靠近共晶成份或或选择结晶选择结晶温度间隙最小温度间隙最小成份。成份。nb.铸造、轧制性能铸造、轧制性能u单相固溶体合金单相固溶体合金u单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好69第69页2.3 塑性变形和回复、再结晶对塑性变形和回复、再结晶对金属材料组织、性能影响金属材料组织、性能影响70第70页静载单向静拉伸应力应变曲线(低碳钢)简单回顾简单回顾四阶段四阶段71第71页一一、金属材料塑性变形、金属材料塑性变形变形变形是工程材料在外力作用下会发生最基本是工程材料在外力作用下会发生最基本失效失效方式，变形通常包含弹性变形与塑性变形两种。方式，变形通常包含弹性变形与塑性变形两种。塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。不不需需要要塑塑性性变变形形：抵抵抗抗塑塑性性变变形形是是普普通通工工程程构构件件基基本本要要求求，不希望结构件在承载时产生不可恢复塑性变形；不希望结构件在承载时产生不可恢复塑性变形；需需要要塑塑性性变变形形：塑塑性性变变形形是是金金属属材材料料一一个个主主要要加加工工成成形形方方法法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。72第72页(一一)、单晶体塑性变形、单晶体塑性变形单晶体变形规律：滑移晶体学单晶体变形规律：滑移晶体学多晶变形是各个晶粒变形总和。多晶变形是各个晶粒变形总和。（A A）塑性变形方式）塑性变形方式：滑移：滑移.塑性变形方式塑性变形方式滑移滑移和和孪生孪生在在外外加加切切应应力力作作用用下下，晶晶体体一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿一一定定晶晶面（滑移面）上一定方向（滑移方向）发生相正确滑动。面（滑移面）上一定方向（滑移方向）发生相正确滑动。73第73页关键点关键点1：滑移变形起因外力：滑移变形起因外力P在滑移面上分解在滑移面上分解正应力正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超出原子间结协力时，：仅使晶格产生弹性伸长，当超出原子间结协力时，使将使将晶体拉断；晶体拉断；切应力切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超出滑移抗力时引发：使晶格产生弹性歪扭，在超出滑移抗力时引发滑移面两侧晶体发生滑移面两侧晶体发生相对滑动。相对滑动。74第74页滑移就是晶体滑移面两侧部分或滑移就是晶体滑移面两侧部分或整体整体相对移动（刚性移动）。相对移动（刚性移动）。在在外外加加切切应应力力作作用用下下，晶晶体体一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿一一定定晶晶面（面（滑移面滑移面）上一定方向（）上一定方向（滑移方向滑移方向）发生相正确滑动。）发生相正确滑动。滑移面滑移面最大最大密排面密排面滑移方向滑移方向最大最大密排晶向密排晶向关键点关键点2：滑移变形怎样进行相对移动位置与方向：滑移变形怎样进行相对移动位置与方向75第75页位错位错滑移滑移塑性变形塑性变形切切应应力力作作用用下下，晶晶体体中中位位错错沿沿着着滑滑移移面面逐逐步步移移动动，最最终终移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模台阶。移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模台阶。大大量量位位错错（原原子子距距）移移出出晶晶体体滑滑移移线线（1000原原子距）子距）滑移带滑移带关键点关键点3：滑移变形本质位错机制：滑移变形本质位错机制76第76页晶体滑移是经过位错在滑移面上运动来实现，而勿需使晶晶体滑移是经过位错在滑移面上运动来实现，而勿需使晶体两部分作整体相对移动。体两部分作整体相对移动。滑移实现滑移实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出临界借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出临界切应力值实测值）切应力值实测值）金属计算值(MN/m2)实测值(MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然过程发生总是沿着阻力最小方式进行！自然过程发生总是沿着阻力最小方式进行！77第77页滑移系滑移系：滑移面和该面上一个滑移方向滑移面和该面上一个滑移方向金属三种常见晶格滑移系金属三种常见晶格滑移系关键点关键点4：不一样金属滑移变形特征：不一样金属滑移变形特征78第78页Why?体心立方（体心立方（-Fe）和面心立方金属（）和面心立方金属（Cu、Al）滑移系数目相同，但面心立方金属塑性变形）滑移系数目相同，但面心立方金属塑性变形能力更加好能力更加好?79第79页滑移系数目滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，材料塑性。（滑移方向作用大于滑移面作用滑移方向作用大于滑移面作用）FCC和和BCC滑移系为滑移系为12个，个，HCP为为3个；个；FCC滑移方向（滑移方向（3个）多于个）多于BCC（2个）个）。金属塑性：金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）80第80页晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向晶体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。（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生部分（切变部分）发生孪生部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。称为孪生带或孪晶。（B B）塑性变形方式）塑性变形方式 ：孪生：孪生WhyWhy发生孪生变形？何种情况下发生？发生孪生变形？何种情况下发生？特点：1.1.均匀切变，切变部分位向改变，均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动距离是不相等。原子移动距离是不相等。2.2.临界分切应力临界分切应力滑移分切应力；滑移分切应力；3.3.形变量很小；形变量很小；4.4.形变速度快，靠近声速。形变速度快，靠近声速。81第81页孪生仅会在滑移不易产生情况下发生：.FCC金属普通不发生孪生，少数（金属普通不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。）在极低温度下发生。.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。金属仅在室温或受冲击时发生。.HCP金属较轻易发生孪生。金属较轻易发生孪生。82第82页(C(C）滑移和孪生异同）滑移和孪生异同1.滑滑移移和和孪孪生生均均在在切切应应力力作作用用下下，沿沿一一定定晶晶面面一一定定晶晶向向进进行行，产生塑性变形；产生塑性变形；2.孪孪生生借借助助于于切切变变进进行行，所所需需切切应应力力大大，速速度度快快，在在滑滑移移较较难进行时发生难进行时发生；3.滑滑移移原原子子移移动动相相对对位位移移是是原原子子间间距距整整数数值值不不引引发发晶晶格格位位向向改改变变；孪孪生生原原子子移移动动相相对对位位移移是是原原子子间间距距分分数数值值孪生晶格位向改变孪生晶格位向改变促进滑移促进滑移；4.孪孪生生产产生生塑塑性性变变形形量量小小（滑滑移移变变形形量量10），但但引引发发晶晶格畸变大。格畸变大。83第83页（二）、实际金属（多晶）塑性变形（二）、实际金属（多晶）塑性变形主要影响原因：晶界、晶粒和位向（A）晶界：）晶界：.滑移主要障碍滑移主要障碍：原子混乱排列区，较不规则缺点、杂质集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。.协调变形协调变形：晶界本身变形以维持相邻晶粒变形保持连续。位错塞积位错塞积位错运动到晶界附近，位错运动到晶界附近，受到晶界妨碍而堆积起来。受到晶界妨碍而堆积起来。84第84页（B B）晶粒）晶粒 .Hall-Pitch .Hall-Pitch关系：关系：s=0+Kyd-1/2 .细晶强化：细晶强化：晶粒细化晶粒细化强度、硬度提升、塑性、韧性也提强度、硬度提升、塑性、韧性也提升，原因？升，原因？晶粒小晶粒小晶界面积大晶界面积大变形抗力大变形抗力大强度大强度大晶粒小晶粒小单位体积晶粒多单位体积晶粒多变形分散变形分散相邻晶粒不一样滑相邻晶粒不一样滑移系相互协调移系相互协调晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂纹传输不利于裂纹传输断裂前承受较大塑性断裂前承受较大塑性变形变形细晶强化是金属一个非常主要强韧化伎俩！细晶强化是金属一个非常主要强韧化伎俩！85第85页二、二、塑性变形对金属组织与性能影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能影响（一）、冷塑性变形对金属组织性能影响86第86页晶粒形貌及结构改变晶粒形貌及结构改变 晶粒拉长，纤维组织晶粒拉长，纤维组织各同异性各同异性a.a.纤维组织（组织）纤维组织（组织）b.b.亚结构形成（晶内结构改变）亚结构形成（晶内结构改变）形变形变位错密度位错密度（-）位错缠结位错缠结胞胞壁壁亚晶亚晶钢纤维组织（变形度钢纤维组织（变形度80%87第87页织构织构择优取向（组织）择优取向（组织）择优取向择优取向变形量足够大时，原来处于不一样位向晶粒在空变形量足够大时，原来处于不一样位向晶粒在空间位向上会展现出一定程度一致。间位向上会展现出一定程度一致。形变织构形变织构金属塑性变形到很大程度（金属塑性变形到很大程度（70%）时，因为晶粒发生转）时，因为晶粒发生转动，使各晶粒位向趋于一致，形成特殊择优取向，这种有序化结构叫做动，使各晶粒位向趋于一致，形成特殊择优取向，这种有序化结构叫做形变织构。形变织构。有害：有害：“制耳制耳”现象现象有利：硅钢片：电机、变压器铁芯有利：硅钢片：电机、变压器铁芯88第88页.加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化（形变硬化、冷作硬化）（性能）加工硬化加工硬化金属在冷态下进行塑性变形时，伴随变形度增加，其强金属在冷态下进行塑性变形时，伴随变形度增加，其强度、硬度提升，塑性、韧性下降。度、硬度提升，塑性、韧性下降。89第89页加工硬化机理：加工硬化机理：1 1）一一个个主主要要强强化化伎伎俩俩，对对不不能能用用热热处处理理方方法法强强化合金尤其主要；化合金尤其主要；2 2）冷加工成形得以顺利进行；）冷加工成形得以顺利进行；3 3）金金属属含含有有很很好好变变形形强强化化能能力力，含含有有预预防防短短时时超载断裂能力，确保构件安全性；超载断裂能力，确保构件安全性；4 4）塑性，塑性，切削性能；切削性能；不利：塑性变形困难不利：塑性变形困难中间退火中间退火消除消除塑性变形塑性变形位错移动位错移动位错大量增殖位错大量增殖相互作用相互作用运动阻力运动阻力加大加大变形抗力变形抗力强度强度、硬度、硬度、塑性、塑性、韧性、韧性位错强化：位错密度位错强化：位错密度强度、硬度强度、硬度意义意义90第90页4 4残余内应力（性能）残余内应力（性能）第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不一样区域变形不均；微观，晶粒间或晶内不一样区域变形不均；第三类内应力第三类内应力超微观，晶粒畸变（超微观，晶粒畸变（90%）。）。去除外力后残留于且平衡于金属内部应力。去除外力后残留于且平衡于金属内部应力。91第91页1、塑性变形金属在加热时组织性能改变、塑性变形金属在加热时组织性能改变（二）、金属在加热条件下塑性变形（二）、金属在加热条件下塑性变形92第92页2、回复、再结晶和晶粒长大、回复、再结晶和晶粒长大 1 1）回复）回复原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低降低，强度和硬度略有降低去应力退火。去应力退火。驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）93第93页2 2）再结晶）再结晶1）新形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能恢）新形核一长大过程，无新相生成，加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著改变复，显微组织发生显著改变等轴晶粒，强度大大下降。等轴晶粒，强度大大下降。再结晶退火：消除加工硬化热处理工艺再结晶退火：消除加工硬化热处理工艺再结晶温度：纯金属：再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K)驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）94第94页性能恶化，尤其是塑性显著下降。在工艺处理应注意预防产生。性能恶化，尤其是塑性显著下降。在工艺处理应注意预防产生。3 3）晶粒长大）晶粒长大95第95页影响再结晶晶粒度原因影响再结晶晶粒度原因温度温度TD晶界迁移晶界迁移晶粒度长大晶粒度长大预变形度预变形度96第96页TR以上加工，不引发加工硬化以上加工，不引发加工硬化提升金属致密度、提升金属致密度、消除枝晶偏析，打坏柱状晶、树枝晶、流线分布等。消除枝晶偏析，打坏柱状晶、树枝晶、流线分布等。3 3、热加工对金属组织性能影响、热加工对金属组织性能影响97第97页塑性变形对金属组织和性能影响塑性变形对金属组织和性能影响变形类型变形类型 工艺方法工艺方法 组织改变性能改变冷变形冷变形 加工加工 冷轧、拉拔、冷轧、拉拔、冷挤压、冷挤压、冷冲压、冷冲压、冷镦等冷镦等 晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织纤维组织 趋于各向异性趋于各向异性 晶粒破碎，形成亚结构，晶粒破碎，形成亚结构，位错密度增加位错密度增加 强度提升，塑性下降，造成加工硬化，密度下降冷拉、冷轧冷拉、冷轧等等 晶粒位向趋于一致，形成晶粒位向趋于一致，形成 形变织构形变织构 趋于各向异性趋于各向异性 热变形热变形 加工加工 自由锻、模自由锻、模锻、锻、热轧、热挤热轧、热挤压等压等 焊合铸造组织中存在气孔，缩松等缺点力学性能提升，密度提升击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析降低，晶粒细化夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，迟缓冷却可形成带状组织趋于各向异性，沿流线方向力学性能提升98第98页CH2作业作业术语：术语：相、组织、晶体结构、晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒度、相、组织、晶体结构、晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒度、过冷度、变质处理、合金、固溶体、枝晶偏析、细晶强化、再结晶过冷度、变质处理、合金、固溶体、枝晶偏析、细晶强化、再结晶简答题：简答题：1、试画图分析指出、试画图分析指出BCC、FCC、HCP原子半径、晶胞原子数、配位原子半径、晶胞原子数、配位数、致密度；数、致密度；2、晶体缺点有哪些？它们对材料性能有什么影响？、晶体缺点有哪些？它们对材料性能有什么影响？3、结晶与凝固异同点有哪些？纯金属结晶过程是怎样？、结晶与凝固异同点有哪些？纯金属结晶过程是怎样？4、实际生产中总希望取得晶粒度较细小金属或合金，为何？结晶过程、实际生产中总希望取得晶粒度较细小金属或合金，为何？结晶过程中又怎样控制晶粒度？中又怎样控制晶粒度？5、什么是固溶强化？强化机理是什么？、什么是固溶强化？强化机理是什么？6、计算任意、计算任意X成份过共晶成份过共晶Pb-Sn合金室温相组成和组织组成相对含量合金室温相组成和组织组成相对含量？（要画图示意）？（要画图示意）7、塑性变形有哪些基本方式？各方式异同点是什么？、塑性变形有哪些基本方式？各方式异同点是什么？8、在、在BCC、FCC、HCP中，为何中，为何FCC金属塑性变形能力更加好？金属塑性变形能力更加好？9、细晶强化机理是什么？、细晶强化机理是什么？10、什么是加工硬化？加工硬化机理是什么？有什么意义？、什么是加工硬化？加工硬化机理是什么？有什么意义？11、简述塑性变形金属在加热过程中组织和性能改变特点。、简述塑性变形金属在加热过程中组织和性能改变特点。99第99页普通要求普通要求u1.晶格致密度，晶体各向异性；u2.金属中扩散;u3.复习并深入熟悉强度，塑性等机械性能指标;u4.相关滑移和孪生理论解释;u5.金属铸锭组织特征及缺点；u6.形成稳定化合物相图；u7.合金相图与性能关系。100第100页重点掌握重点掌握n1.相关晶体结构基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶体，三种常见金属晶格。实际晶体缺点；n2.合金相结构基本类型：固溶体、化合物及混合物，以及这些合金相结构结构特点与性能特点。n3.金属变形及其本质；n4.塑性变形对金属材料组织和性能影响；n5.经冷变形金属，在加热时组织和性能改变；n6.内应力产生及危害。n7.金属结晶、结晶过程、晶核形成，长大规律及其影响原因；n8.二元合金相图基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；n9.二元合金相图分析方法，熟悉几个最基本二元合金相图；n10.杠杆定律及其应用。101第101页