【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 金屬應(yīng)以液體狀態(tài)存在；低于熔點(diǎn)時(shí) ， 金屬則以固體狀態(tài)存在 。 在 平衡結(jié)晶溫度時(shí) ， 液體與固體同時(shí)存在 ， 這時(shí)液體的結(jié)晶速度與固體的熔化速度相同 ， 是動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài) 。 ? 液態(tài)金屬冷卻到镕點(diǎn)時(shí)是不能結(jié)晶成晶體的 ， 只有冷到低于熔點(diǎn)的溫度時(shí) ，即有一定的 “ 過(guò)冷度 ” 時(shí)才能結(jié)晶 。 過(guò)冷度按下式計(jì)算： △ t＝ tR－ t 式中 ： △ t— 過(guò)冷度 tR—— 理論熔點(diǎn) t— 實(shí)際結(jié)晶溫度 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 46 ? 金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度可以用 熱分析法 測(cè)得 。 ?冷卻曲線(xiàn)有一水平線(xiàn)段 ， 說(shuō)明金屬在結(jié)晶過(guò)程中溫度是恒定的 ． 這是由于金屬在由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí) ， 要放出 “ 結(jié)晶浴熱 ” 。 這種潛熱的釋放恰恰補(bǔ)償了金屬向周?chē)⒁莸臒崃?， 而使結(jié)晶過(guò)程處于恒溫狀態(tài) 。 當(dāng)結(jié)晶過(guò)程結(jié)束時(shí) ， 即液態(tài)金屬都已轉(zhuǎn)變?yōu)榫w后 ， 金屬的溫度又隨著散熱而降低 ， 直至室溫 。 曲線(xiàn)上水平線(xiàn)段的長(zhǎng)度代表結(jié)晶過(guò)程的時(shí)間 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 47 （ 二 ） 結(jié)晶的過(guò)程 ? 金屬的結(jié)晶過(guò)程一般包括兩個(gè)過(guò)程 ， 即 形核過(guò)程和晶核長(zhǎng)大 過(guò)程 。 ? 形核過(guò)程是當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時(shí) ， 熔液中開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)聚時(shí)散的類(lèi)似晶體結(jié)構(gòu)的小集團(tuán) ， 當(dāng)小集團(tuán)達(dá)到一定臨界值時(shí) ， 逐漸穩(wěn)定 ， 這種最初形成的小晶體被稱(chēng)為晶核 。熔液中晶核數(shù)目的多少與過(guò)冷度 、 熔液中含高熔點(diǎn)雜質(zhì)數(shù)目等因素有關(guān) ， 把 單位時(shí)間內(nèi)單位體積中所產(chǎn)生晶核數(shù)用形核速率 （ 簡(jiǎn)稱(chēng)形核率 ） 來(lái)表示 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 48 ?長(zhǎng)大過(guò)程是晶核逐漸長(zhǎng)大的過(guò)程 ， 晶核的長(zhǎng)大過(guò)程具有方向性 ， 一般沿過(guò)冷度大的方向生長(zhǎng) ， 這種生長(zhǎng)方式類(lèi)似樹(shù)枝的生長(zhǎng) ， 被稱(chēng)為 樹(shù)枝狀長(zhǎng)大 ，直到液相消耗完畢 。 晶核長(zhǎng)大的速率稱(chēng)為長(zhǎng)大率 ， 用單位時(shí)間內(nèi)晶體表面向前推進(jìn)的線(xiàn)速度表示 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 49 （ 三 ） 影響晶粒大小的因素 ? 金屬晶粒的大小是影響金屬性能的重要因素 。 ? 晶粒大小與常溫力學(xué)性能的關(guān)系 為：晶粒越細(xì)小 ， 金屬的強(qiáng)度 、 塑性 、 韌性越高 。 反之晶粒越粗大 ， 金屬的力學(xué)性能越差 。 ? 制備細(xì)晶粒材料的措施一般為在結(jié)晶過(guò)程提高形核率和抑制長(zhǎng)大率 。 形核率和長(zhǎng)大率的影響因素主要有以下三個(gè)方面： 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 50 1．過(guò)冷度影響 形核率 N和長(zhǎng)大率 G與過(guò)冷度 Δt關(guān)系，一般隨著過(guò)冷度的增加，形核率和長(zhǎng)大率先增加后下降。 3．金屬流動(dòng)與振動(dòng) 在金屬結(jié)晶時(shí)如果增加液體流速或給以機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)，都將達(dá)到增加形核率或抑制長(zhǎng)大率的效果。 2．難熔雜質(zhì)的影響 高熔點(diǎn)雜質(zhì)的加入對(duì)細(xì)化晶粒的作用也非常明顯，由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)可以附著在未全部熔解的高熔點(diǎn)雜質(zhì)的顆粒表面，所以加入高熔點(diǎn)雜質(zhì)能提高形核率。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 51 四 、 固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 ? 多數(shù)金屬結(jié)晶后晶格類(lèi)型保持不變 ， 但有些金屬如鐵 、 錳 、鈷 、 鈦 、 錫等在固態(tài)下晶格類(lèi)型會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變 ，由一種晶格向另一種晶格轉(zhuǎn)變 ， 金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格變化的過(guò)程稱(chēng)為同素異晶轉(zhuǎn)變 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 52 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中有重要意義，正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)中才有可能用熱處理的方法來(lái)改變鋼的組織和性能。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 53 第三節(jié) 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 一 、 單晶體的塑性變形 晶體塑性變形的主要形式是 滑移和孿生 。 （ 一 ） 滑移 ? 如果對(duì)單晶體鋅做拉伸試驗(yàn) ， 但單晶鋅被拉長(zhǎng)后 ， 發(fā)現(xiàn)鋅的表面出現(xiàn)傾斜的近乎平行的細(xì)線(xiàn) ， 稱(chēng)為滑移線(xiàn) 。 在鋅晶體的內(nèi)部 ，發(fā)生了一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體的相對(duì)滑動(dòng) ， 即滑移 。 ? 對(duì)滑移后的晶體進(jìn)行 x射線(xiàn)分析表明 ， 晶體發(fā)生相對(duì)浴動(dòng)后仍然是完整的晶體 ， 且晶格位向不變 ， 滑動(dòng)的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍 。 這種由整個(gè)晶體沿著一個(gè)滑移的平面發(fā)生的整體滑動(dòng) ，稱(chēng)為 “ 剛性滑移 ” 。 發(fā)生滑移的晶面 ， 叫做滑移面 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 54 1． 滑移的受力分析 ? 作用在滑移面上的拉力 P可以分解為垂直滑移面的正應(yīng)力分量 σ， 和平行沿移面的切應(yīng)力分量 τ。 由圖中分析可知 ， 作用在滑移面上的正應(yīng)力 ， 只能引起晶格的彈性伸長(zhǎng) ， 即彈性交形 ， 應(yīng)力取消時(shí) ， 彈性使變形恢復(fù)原狀 。 只有在 σ很大很大(超過(guò)原子間的結(jié)合力 )時(shí) ， 才能將晶體拉斷 。 ? 晶體在切應(yīng)力作用下 ， 發(fā)生剪切彈性變形 。 這時(shí) ， 如果取消外力 ， 晶體則恢復(fù)原狀 。 但當(dāng)切應(yīng)力分量大到一定值時(shí) ， 品格發(fā)生剛性滑移 。 能使晶體滑移的最小分切應(yīng)力 ， 稱(chēng)為 “ 臨界切應(yīng)力 ” 。 ? 從金屬晶體受力分析可知 ， 作用在滑移面上的正應(yīng)力分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到晶體結(jié)合力時(shí) ， 切應(yīng)力分量已經(jīng)達(dá)到臨界切應(yīng)力值 。 因此 ， 金屬受力后總是先發(fā)生塑性交形 ， 在大量塑性變形后才發(fā)生斷裂現(xiàn)象 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 55 ?晶體在產(chǎn)生滑移變形時(shí)，不是沿著任何晶面都能滑移的，只有在原子最密排的晶面上才能發(fā)生滑移。晶體中原子排列最密的品面，稱(chēng)為 密排面 。這些密排面往往就是滑移變形的滑移面，如圖 1－ 34所示。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 56 ? 當(dāng)晶體沿著密徘面滑移時(shí) ， 滑移的方向一定是沿著面內(nèi)最密排的方向 。 這是因?yàn)槊芘欧较蛏显又g的距離小 ， 滑動(dòng)一個(gè)原子間距所需的能量小的緣故 。 ? 一個(gè)密排面及面上一個(gè)密排的晶向 ， 組成一個(gè)可能滑移的通道 ， 稱(chēng)為滑移系 。晶體中滑移系越多 ， 其塑性越好 。 ? 面心立方晶格與體心立方晶格金屬的滑移系比密排六方晶格金屬的滑移系多 ，因此密排六方晶格的金屬鎂 、 鋅等塑性較差 。 面心立方晶格與體心立方晶格的滑移系雖然形同 ， 但滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)更大些 ， 因此具有面心立方晶格的銅 、 鋁 、 鎳等比具有體心立方晶格的鉻 、 鉬 、 鎢 、 釩等塑性好 。 2． 滑移的機(jī)理 ? 金屬晶體如果按照上述剛性滑移的機(jī)理發(fā)生滑移變形 ， 即部分晶體發(fā)生整體滑動(dòng)時(shí) ， 所需的切應(yīng)力比實(shí)際晶體滑移時(shí)所需的臨界切應(yīng)力大二至三個(gè)數(shù)量組 。 如鐵在剛性滑移時(shí)所需切應(yīng)力為 2300MPa， 而實(shí)際測(cè)得的臨界切應(yīng)力為 29MPa；銅在剛性滑移時(shí)所需切應(yīng)力為 1540MPa， 而實(shí)際測(cè)得的臨界切應(yīng)力為 1MPa。 這說(shuō)明實(shí)際晶體滑移時(shí) ， 并不是剛性滑移 。 ? 實(shí)驗(yàn)證明 ， 滑移變形的真正機(jī)理是由位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)完成的 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 57 ?其微觀過(guò)程 ， 是由位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)完成的 。 金屬中存在著大量位錯(cuò) ， 位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng) ， 在宏觀上引起金屬的塑性變形 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 58 ? 金屬的健合力是很高的 ， 即其本質(zhì)強(qiáng)度很高 ， 但在外力作用下 ， 金屬中所存在的大量位所在切應(yīng)力很小時(shí)即可運(yùn)動(dòng) ， 導(dǎo)致滑移變形 。 金屬經(jīng)一定量的塑性變形后 ， 內(nèi)部缺陷增加 ， 以致斷裂 。 因此 ， 金屬中位錯(cuò)的數(shù)量 、 分布對(duì)金屬的性能影響很大 。 假如金屬中沒(méi)有位錯(cuò) ， 金屬的塑性變形只有依剛性滑移來(lái)進(jìn)行 ， 金屬的強(qiáng)度就很高 。 隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加 ， 金屬的強(qiáng)度下降 ， 但當(dāng)位錯(cuò)數(shù)量增至很大時(shí) ， 位錯(cuò)線(xiàn)之間發(fā)生的交互作用 ， 反而阻礙位錯(cuò)的移動(dòng) ， 金屬?gòu)?qiáng)度又有上升的趨勢(shì) 。 金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系如圖 l— 37所示 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 59 （ 二 ） 孿生 ? 孿生是晶體的另一種塑性變形方式 。 在切應(yīng)力作用下 ， 晶體的一部分沿一定的晶面（ 孿晶面 ） 和晶向 （ 攣晶方向 ） 相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變稱(chēng)為孿生 。 與滑移變形相比 ， 孿生變形很少發(fā)生 。 因?yàn)閷\生所需要的剪切應(yīng)力很大 ， 孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發(fā)生 ， 或在滑核系很少的密排六方晶格金屬中發(fā)生 ， 或受到?jīng)_擊變形的金屬中發(fā)生 。 二 、 多晶體的塑性變形 ? 多晶體塑性變形時(shí) ， 每個(gè)晶粒的塑性變形與單晶體塑性變形基本相同 ， 但由于晶界的作用及相鄰晶粒之間位向不同 ， 多晶體的塑性變形與單晶體相比又有所不同 。 實(shí)際使用的金屬材料幾乎都是多晶體。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 60 （一）晶界的影響 晶界是相鄰兩個(gè)晶粒的邊界，晶界上的原子排列是無(wú)規(guī)則的，金屬中的雜質(zhì)原于往往存在其間，這對(duì)于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形成很大阻力。 用只有兩個(gè)晶粒的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，變形后試樣出現(xiàn)了所謂 “竹節(jié)現(xiàn)象” ，如圖 1—39所示。這說(shuō)明晶界附近晶體的塑變抗力很大。由此可以推斷，多晶體金屬的晶粒越細(xì)?。▎挝惑w積內(nèi)晶粒數(shù)越多）時(shí)，該晶體的塑變抗力越大，即強(qiáng)度越高。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 61 （ 二 ） 位向差的作用 ? 外力的切應(yīng)力分量在外力呈 45176。 角度時(shí)最大 。 因此 ， 晶體中與外力方向接近 45176。 的滑移系最容易發(fā)生滑移 ， 而接近 0176。 與 90176。 時(shí) ， 切應(yīng)力分量最小 ， 晶體不易發(fā)生滑移 。 由于多晶體金屬中相鄰晶粒位向不同 ，當(dāng)一個(gè)晶粒的位向接近 45176。 發(fā)生滑移時(shí) ， 必然受到相鄰晶粒的牽制作用 ， 相鄰晶粒間的位向差越大時(shí) ，牽制作用越大 ， 從而增加了塑變抗力 ， 使強(qiáng)度提高 。 ? 金屬的晶粒越細(xì)時(shí) ， 其強(qiáng)度越高 。 細(xì)晶粒的金屬不僅強(qiáng)度高 ， 塑性也好 ， 這是應(yīng)為多晶體在應(yīng)力作用下 ，塑性變形分散在更多的晶粒之中 ， 晶粒越細(xì)時(shí) ， 多晶體各處的塑性變形越均勻 。 相反 ， 多晶體的晶粒很措大時(shí) ， 某些大晶粒的位向不利于滑移變形 ， 則在較大的體積內(nèi)牽制塑性變形 ， 使塑性交形不均勻 。 ?在實(shí)際生產(chǎn)中 ， 希望金屬零件的晶粒越細(xì)越好 。 在電力設(shè)備中 ， 有些重要零件的晶粒度 ， 被限定在一定級(jí)別之內(nèi) ，尤其是承受沖擊的構(gòu)件 ， 如碎煤機(jī)的錘頭和錘扦 ， 細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度高 、 塑性好 ， 則沖擊韌性也高 ， 能夠承受反復(fù)的沖擊而不易產(chǎn)生疲勞損壞 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 62 三 、 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能影響 ? 金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形 ， 其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能 、 物理 、 化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化 ， 主要的變化是加工硬化 ， 同時(shí)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力 。 在電力工業(yè)中，碎煤機(jī)錘頭、磨煤機(jī)襯板、斗輪機(jī)斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進(jìn)一步提高強(qiáng)度的。 (一 )加工硬化 ?金屬在受外力作用屈服后，如繼續(xù)變形則需要增加應(yīng)力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強(qiáng)化、硬化，直至達(dá)到強(qiáng)度極限。 低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象見(jiàn)圖 1— 41所示，出現(xiàn)了加工硬化后強(qiáng)度可提高 80％以上。建筑用鋼筋須先經(jīng)過(guò)冷拔強(qiáng)化。但加工硬化會(huì)使金屬的電阻增加，耐腐蝕性下降，特別是金屬的塑性．韌性下降，甚至趨于零。 ?金屬的顯微組織：會(huì)發(fā)現(xiàn)金屬的晶粒逐漸被拉長(zhǎng)，甚至?xí)兂杉?xì)條狀、纖維狀，這說(shuō)明晶粒發(fā)生碎化，亞晶的數(shù)量增加。晶界和亞晶界數(shù)量的增加，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，形變抗力加大，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度增加， ?性能：隨著塑性變形量的增加，位錯(cuò)密度增加，使運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)發(fā)生復(fù)雜的交互作用，位錯(cuò)線(xiàn)相互纏結(jié)、堆積，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 63 (二 )形變內(nèi)應(yīng)力 ? 金屬經(jīng)塑性變形后 ， 由于多晶體的變形不均勻 ， 有的晶粒須以彈性變形協(xié)調(diào)整體的變形 ，又由于塑性變形產(chǎn)生了大量的缺陷 ， 因此 ， 外力所做的功有一小部分以彈性能的形式殘存于晶體中 ， 稱(chēng)為形變內(nèi)應(yīng)力 。