机械工程材料成型及工艺6

本次课内容塑性变形对金属组织和性能的影响；变形金属在加热时组织和性能的影响；一、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(形变织构）金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构。例如低碳钢经高度冷拔后,其100平行于拔丝方向;另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向,称为板织构,低碳钢的板织构为{001}110。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图3.加工硬化（形变强化）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↑；晶粒破碎细化。金属在冷变形时，强度、硬度↑，塑性、韧性↓。P21，图1-17加工硬化的实际意义•有效的强化机制；•均匀塑性变形和压力加工的保证；•零件安全的保证。4）形成亚结构；•金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚晶粒。金属经变形后的亚结构6）残余内应力：外力去除后，残留于金属内部且平衡于金属内部的应力。由金属内部不均匀变形引起，残余应力分为第一类应力；第二类应力和第三类应力。残余内应力的危害：•引起零件加工过程变形、开裂；•耐蚀性↓。5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低。二、塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化加热时冷变形金属组织和性能随温度的升高可分为三个阶段：1．回复2．再结晶3．晶粒长大回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度T回复为：T回复=(0.25～0.3)T熔点式中：T熔点表示该金属的熔点,单位为绝对温度(K)。由于加热温度不高,原子扩散能力不很大,只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保留加工硬化效果。再结晶1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。2.再结晶温度变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再),通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：T再=(0.35～0.4)T熔点式中的温度单位为绝对温度(K)。最低再结晶温度与下列因素有关：①预先变形度：金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大,金属的晶体积缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后,金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。②金属的熔点：熔点越高,最低再结晶温度也就越高。③杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80℃,而工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到了290℃。④加热速度和保温时间：再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生,而保温时间越长,再结晶温度越低。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小时再结晶后的晶粒度影响因素：1）加热温度T、保温时间t↑→晶粒直径D↑；2）预变形度的影响。2～10％金属材料塑性变形的加工：热加工和冷加工1．冷、热加工的划分的标准：再结晶温度来划分。2．金属热加工时组织和性能的变化。•形成流线锻造曲轴切削加工曲轴细化晶粒；焊合气孔、疏松，消除成分不均匀；热加工时金属塑性好；热加工时金属表面有氧化、对某些金属不易加工、对薄壁或细的轧件不易保温、加工后的强度和硬度不及冷变形加工。三、材料的同素异构现象把—种金属具有两种或两种以上的晶格结构称为同素异构性，这种金属的晶格结构随温度变化而改变的现象，称为同素异构转变。同素异构转变与液态金属结晶存在着明显区别，主要表现在：同素异构转变时晶界处能量较高，新的晶核往往在原晶界上形成；固态下原子扩散比较困难，固态转变需要较大的过冷；固态转变时会产生体积变化，在金属中引起较大的内应力。纯铁的同素异构转变同位素、同素异构体、同分异构体的差别同位素：研究同种元素的不同原子,它们的中子数不同,比如碳12和碳14。同素异构体：元素相同，晶体结构不同，如铁的三种同素异构体。同分异构体：研究分子式相同的分子的不同结构,同分异构体原子的连接顺序,方式不同,如基团位置,官能团的差异,比如乙醇和甲醚。思考题某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到700℃，保温1h后起吊出炉，钢丝绳突然断裂，试分析其原因。一曲线尺（纯锡材料）经反复弯曲发现其逐渐变硬，在房间内放置一段时间后，其性能恢复如初，试分析其原因。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