【正文】 本次課內(nèi)容 ?單晶體的塑性變形 ?多晶體的塑性變形 一、單晶體的塑性變形 晶體在外力作用下任何晶面的分力： ??晶面 正應力：使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂； 切應力：使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形。 單晶體金屬在正應力作用下的變形示意圖 F 單晶體的塑性變形方式：滑移和孿生 滑移的概念：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一 部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動。 滑移的特點： 1）滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最 小切應力稱為 臨界切應力 。 ? 滑移 2）滑移的實現(xiàn) —— 借助于 位錯運動 3）滑移總是沿著原子排列最緊密的原子面進行 6）晶格位向不變 7）滑移的間距是原子間距的整數(shù)倍 4）滑移的結(jié)果產(chǎn)生滑移帶 5）滑移伴隨著轉(zhuǎn)動 ?孿生 在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生 切變 ，產(chǎn)生塑性變形。 孿生的特點： 1）位向發(fā)生改變； 2）切應力大； 3）變形速度快； 4）相鄰原子面的位移量小于一個原子間距。 幾種晶體結(jié)構(gòu)的變形方式 單晶體的塑性變形究竟以何種方式進行，主要取決于晶體結(jié)構(gòu)和外部條件： 面心立方晶格： 一般不發(fā)生孿生變形； 體心立方晶格： 一般以滑移的方式進行，只有在低溫或受到?jīng)_擊時才發(fā)生孿生變形； 密排六方晶格： 以孿生變形為主。 二、多晶體的塑性變形 ?多晶體的塑性變形主要受晶粒的位向及晶界對位錯運動的阻礙。 ?多晶體變形的特點： （ 1）變形抗力高； （ 2）變形和應力不均勻性； （ 3）晶界和晶粒間位向差共同作用。 3．塑性變形對金屬組織和性能的影響 (1) 晶粒拉長， 纖維組織 → 各向異性 (沿纖維方向的強度、塑性最大） 變形 10% 100 變形 40% 100 變形 80% 纖維組織 100 工業(yè)純鐵 不同變形度 的顯微組織 （ 2） 織構(gòu) 絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。 晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。 晶粒拉長，且出現(xiàn) 織構(gòu) 。 （ 3） 加工硬化 （形變強化 —— 強化材料的手段之一） 加工硬化的原因 塑性變形 → 位錯密度增加，相互纏結(jié) (亞晶界 )，運動阻力加大 → 變形抗力 ↑ 金屬在冷變形時，強度、硬度 ↑ ，塑性、韌性 ↓。 P21，圖 117 （ 4）殘余內(nèi)應力 —— 由金屬內(nèi)部不均勻變形引起 殘余內(nèi)應力的危害 引起零件加工過程變形、開裂。 耐蝕性 ↓ 塑性變形后的金屬在加熱時 組織和性能的變化 1． 回復 2． 再結(jié)晶 3． 晶粒長大 1. 回復 塑性變形后的金屬在低溫加熱時，發(fā)生 回復過程 （ 去應力退火 ） ： 位錯和點缺陷大大 ↓，內(nèi)應力顯著 ↓ ，強度、硬度略有 ↓ 。 回復溫度 =（ ~ ） T0 2. 再結(jié)晶 塑性變形后的金屬在較高溫度加熱時，發(fā)生 再結(jié)晶 過程（ 再結(jié)晶退火 ）： 通過重新形核、長大，生成新的等軸晶粒，晶格類型不變。 加工硬化消除 —— 強度、硬度大大 ↓ ，塑性、韌性大大 ↑ 。 最低再結(jié)晶溫度 TR 純金屬 TR =（ ~ ） T0 合金 TR =（ ~ ） T0 溫度單位：絕對溫度 ( K ) 預變形度對 TR的影響 再結(jié)晶后的晶粒度 加熱溫度 T ↑ → 晶粒直徑 D↑ 預變形度的影響 3. 晶粒長大 變形 80% 工業(yè)純鐵 再結(jié)晶退火 顯微照片 100 變形 80% 600℃ 退火 8小時 變形 80% 400℃ 退火 8小時 加熱溫度 T 和 加熱時間 t ↑ → 晶界遷移、晶粒合并長大。 金屬材料的熱加工和冷加工 1． 熱加工對組織和性能的影響 2． 冷加工對組織和性能的影響 1．熱加工對組織和性能的影響 熱加工 —— 在 TR 以上溫度進行的變形加工， 如鋼材的熱鍛和熱軋。 熱加工時，塑性變形引起的加工硬化效應隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除。 熱加工對組織和性能的影響 1）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成等軸晶，機械性能改善。 2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和機械性能。 3）產(chǎn)生 流線 分布 —— 非金屬夾雜物沿變形方向分布，引起各向異性。 鍛造曲軸 切削加工曲軸 ２．冷加工對組織和性能的影響 冷加工 —— 在 TR 以下溫度進行的變形加工， 如低碳鋼的冷拔、冷沖 。 冷加工時，無 再結(jié)晶過程，與前述塑性變形對組織和性能的影響相同， 如產(chǎn)生加工硬化等。 小結(jié) 重點要求 一般要求 1. 金屬在冷加工時組織和性能的變化。 2. 金屬再結(jié)晶時組織和性能的變化。 3. 加工硬化、細晶強化的概念。 1. 塑性變形的本質(zhì)和滑移機理。 2. 熱加工對金屬組織和性能的影響。 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象 第三章 二元合金相圖及其應用 ? （一）基本概念 ? 在介紹合金的結(jié)晶之前，先介紹幾個基本的概念 ： ? 1．合金 ? 是指由兩種或兩種以上元素經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的材料。 ? 2．組元 ? 組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是元素，也可以是穩(wěn)定的化合物，如Fe3C，在鐵、碳合金中它也可以作為組元 ? 3．相 ? 合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)、成分基本相同并有明確界面與其它部分分開的均勻組成部分。這個界面稱為相界面。 ? 4．組織 ? 是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的不同組成相的形狀、分布及各相之間的組合狀態(tài)稱為組織 ? 5．合金系 ? 由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系；由兩個組元組成的合金系叫二元合金系；三個組元組成的合金系叫三元合金系；三個以上組元組成的合金系叫多元合金系。如鐵、碳二元合金中，鐵和碳可以以不同的比例，配制成若干種 FeC二元合金。所以、對于 FeC二元合金來說，不是一種，而是由不同配比組成的一系列不同成分的合金，所以叫 FeC二元合金系。不同成分的合金具有不同的性能。 相圖的建立 1．勻晶相圖 相圖 （平衡圖、狀態(tài)圖） 平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。 Cu Ni Ni% T,?C 20 40 60 80 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L ? L+ ? 銅 鎳合金勻晶相圖 Cu Ni Ni% T,?C 20 40 60 80 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L ? L+ ? 純銅熔點 純鎳熔點 液相線 固相線 液相區(qū) 固相區(qū) 液固兩相區(qū) 勻晶合金的結(jié)晶過程 a b c d T,?C t L ? L ? L 勻晶轉(zhuǎn)變 L? ? ? 冷卻曲線 Cu Ni Ni% T,?C 20 40 60 80 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L ? L+ ? 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進行結(jié)晶。 杠桿定律 Cu Ni Ni% T,?C 20 40 60 80 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L ? L+ ? 1 2 a c b a1 b1 c1 T1 T2 1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。 2. 隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。杠桿定律 ： 在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的溫度 T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即 QL/Q?=b1c1/a1b1 杠桿定律推論： 在兩相區(qū)內(nèi)，對應溫度 T1時兩相在合金 b中的相對質(zhì)量各為 QL/QH=b1c1/a1c1 Q?/QH=a1b1/a1c1 =1 QL/QH 例：求 30%Ni合金在 1280 ?時 ?相的相對量 Cu Ni Ni% T,?C 20 40 60 80 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L ? L+ ? a c 30 a1 b1 c1 1280 ?C 解：作成分線和溫度線如圖。 66 18 根據(jù)杠桿定律推論， Q? / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4 答：所求 合金在1280 ?時 ?相的相對質(zhì)量為 1/4。 2．共晶相圖 Pb Sn Sn% T,?C 鉛 錫合金共晶相圖 液相線 L 固相線 ? ? ? + ? L + ? L + ? ?固溶線 ?固溶線 共晶轉(zhuǎn)變分析 Pb Sn T,?C L ? ? ? + ? L + ? L + ? 共晶反應線 表示從 c點到 e點范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應。 c e 共晶點 表示 d點成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。 d Ld ? ?c + ?e 共晶反應要點 Pb Sn T,?C L ? ? ? + ? L + ? L + ? 183 c e d ? 共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進行。 ? 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個不同的固相。 ? 存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。 ? 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。 X1合金結(jié)晶過程分析 c e f g X1 T,?C t L ? L ? L L+ ? ? 冷卻曲線 ? ? + ? Ⅱ ?Ⅱ 1 2 3 4 { Pb Sn T,?C L ? ? ? + ? L + ? L + ? 183 d X1合金結(jié)晶特點 T,?C t L ? L ? L L+ ? ? 冷卻曲線 ? ? + ? Ⅱ ? Ⅱ ，而是經(jīng)過勻晶反應形成單相 ?固相。 ，室溫 組織組成物 為? + ? Ⅱ 組織組成物 組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。 X2合金結(jié)晶過程分析 （ 共晶合金 ） X2 T,?C t L (?+ ?) L (?+ ?) L L?(?+ ?) 共晶體 冷卻曲線 (?+ ?) Pb Sn T,?C L ? ? ? + ? L + ? L + ? 183 c e d X3合金結(jié)晶過程分析 （ 亞共晶合金 ） X3 T,?C t L L+ ? (?+ ?)+ ? + ? Ⅱ 1 2 (?+ ?)+ ? Pb Sn T,?C L ? ? ? + ? L + ? L + ? 183 c e d L+(?+ ?)+? 標注了組織組成物的相圖 3．包晶相圖 包晶轉(zhuǎn)變 ： Ld + ?c ? ?e Pt Ag Ag% T,?C 鉑 銀合金包晶相圖 L ? ? ? + ? L + ? L + ? c e d f g T,?C t L L + ? L + ? ? ? ?+ ? Ⅱ 4. 共析相圖 共析轉(zhuǎn)變 ： ? ? (? + ?) 共析體 A B T,?C ? ? ? ? + ?