机械工程材料成型及工艺5

本次课内容单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形晶体在外力作用下任何晶面的分力：FF晶面正应力：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。单晶体金属在正应力作用下的变形示意图FF单晶体的塑性变形方式：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。3．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×变形80%纤维组织100×工业纯铁不同变形度的显微组织（2）织构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。（3）加工硬化（形变强化——强化材料的手段之一）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→变形抗力↑金属在冷变形时，强度、硬度↑，塑性、韧性↓。P21，图1-17（4）残余内应力——由金属内部不均匀变形引起残余内应力的危害引起零件加工过程变形、开裂。耐蚀性↓2.3.2塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化1．回复2．再结晶3．晶粒长大1.回复塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程（去应力退火）：位错和点缺陷大大↓，内应力显著↓，强度、硬度略有↓。回复温度=（0.25~0.3）T02.再结晶塑性变形后的金属在较高温度加热时，发生再结晶过程（再结晶退火）：通过重新形核、长大，生成新的等轴晶粒，晶格类型不变。加工硬化消除——强度、硬度大大↓，塑性、韧性大大↑。最低再结晶温度TR纯金属TR=（0.4~0.35）T0合金TR=（0.5~0.7）T0温度单位：绝对温度(K)预变形度对TR的影响再结晶后的晶粒度加热温度T↑→晶粒直径D↑预变形度的影响3.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小时加热温度T和加热时间t↑→晶界迁移、晶粒合并长大。2.3.3金属材料的热加工和冷加工1．热加工对组织和性能的影响2．冷加工对组织和性能的影响1．热加工对组织和性能的影响热加工——在TR以上温度进行的变形加工，如钢材的热锻和热轧。热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除。热加工对组织和性能的影响1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械性能。3）产生流线分布——非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。锻造曲轴切削加工曲轴２．冷加工对组织和性能的影响冷加工——在TR以下温度进行的变形加工，如低碳钢的冷拔、冷冲。冷加工时，无再结晶过程，与前述塑性变形对组织和性能的影响相同，如产生加工硬化等。小结重点要求一般要求1.金属在冷加工时组织和性能的变化。2.金属再结晶时组织和性能的变化。3.加工硬化、细晶强化的概念。1.塑性变形的本质和滑移机理。2.热加工对金属组织和性能的影响。材料的同素异构现象第三章二元合金相图及其应用•（一）基本概念•在介绍合金的结晶之前，先介绍几个基本的概念：•1．合金•是指由两种或两种以上元素经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的材料。•2．组元•组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元可以是元素，也可以是稳定的化合物，如Fe3C，在铁、碳合金中它也可以作为组元•3．相•合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构、成分基本相同并有明确界面与其它部分分开的均匀组成部分。这个界面称为相界面。•4．组织•是指用肉眼或显微镜所观察到的不同组成相的形状、分布及各相之间的组合状态称为组织•5．合金系•由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系；由两个组元组成的合金系叫二元合金系；三个组元组成的合金系叫三元合金系；三个以上组元组成的合金系叫多元合金系。如铁、碳二元合金中，铁和碳可以以不同的比例，配制成若干种Fe-C二元合金。所以、对于Fe-C二元合金来说，不是一种，而是由不同配比组成的一系列不同成分的合金，所以叫Fe-C二元合金系。不同成分的合金具有不同的性能。相图的建立1．匀晶相图相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程abcdT,CtLLL匀晶转变L冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12acba1b1c1T1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1-QL/QH例：求30%Ni合金在1280时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ac30a1b1c11280C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，Q/QH=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280时相的相对质量为1/4。2．共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶转变分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLdc+e共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced•共晶转变在恒温下进行。•转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。•存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。•成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183cedX1合金结晶特点T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。2.要经过脱溶反应，室温组织组成物为+Ⅱ组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+L+L+183cedX3合金结晶过程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+标注了组织组成物的相图3．包晶相图包晶转变：Ld+cePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L+L+cedfgT,CtLL+L++Ⅱ4.共析相图共析转变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L相图与性能的关系1.合金的使用性能与相图的关系●固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑●组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。2.合金的工艺性能与相图的关系●铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。●锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。1．铁碳相图2．结晶过程3．成分-组织-性能关系4．Fe-Fe3C相图的应用铁碳合金的结晶第七讲1．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相●Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体(3)相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2．铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢＜0.77%共析钢＝0.77%过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程室温组织F+Fe3CⅢ(微量)500×第八讲(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500×(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程室温组织:F+P，500×(4)过共析钢(C%=1.2%)结晶过程室温组织:P+Fe3CII400×(5)共晶白口铁(C%=4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Le′（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,500×莱氏体Le′的性能：硬而脆标注了组织组成物的相图3．铁碳合金的成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓4．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(在A区）制定热处理工艺复习——相与组织相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。过共析钢x400第四章金属热处理及材料改性热处理的概念把固态金属