【文章內容簡介】 金屬應以液體狀態(tài)存在；低于熔點時 ， 金屬則以固體狀態(tài)存在 。 在 平衡結晶溫度時 ， 液體與固體同時存在 ， 這時液體的結晶速度與固體的熔化速度相同 ， 是動態(tài)平衡狀態(tài) 。 ? 液態(tài)金屬冷卻到镕點時是不能結晶成晶體的 ， 只有冷到低于熔點的溫度時 ，即有一定的 “ 過冷度 ” 時才能結晶 。 過冷度按下式計算： △ t＝ tR－ t 式中 ： △ t— 過冷度 tR—— 理論熔點 t— 實際結晶溫度 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 46 ? 金屬的實際結晶溫度可以用 熱分析法 測得 。 ?冷卻曲線有一水平線段 ， 說明金屬在結晶過程中溫度是恒定的 ． 這是由于金屬在由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時 ， 要放出 “ 結晶浴熱 ” 。 這種潛熱的釋放恰恰補償了金屬向周圍散逸的熱量 ， 而使結晶過程處于恒溫狀態(tài) 。 當結晶過程結束時 ， 即液態(tài)金屬都已轉變?yōu)榫w后 ， 金屬的溫度又隨著散熱而降低 ， 直至室溫 。 曲線上水平線段的長度代表結晶過程的時間 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 47 （ 二 ） 結晶的過程 ? 金屬的結晶過程一般包括兩個過程 ， 即 形核過程和晶核長大 過程 。 ? 形核過程是當溫度降到結晶溫度時 ， 熔液中開始出現時聚時散的類似晶體結構的小集團 ， 當小集團達到一定臨界值時 ， 逐漸穩(wěn)定 ， 這種最初形成的小晶體被稱為晶核 。熔液中晶核數目的多少與過冷度 、 熔液中含高熔點雜質數目等因素有關 ， 把 單位時間內單位體積中所產生晶核數用形核速率 （ 簡稱形核率 ） 來表示 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 48 ?長大過程是晶核逐漸長大的過程 ， 晶核的長大過程具有方向性 ， 一般沿過冷度大的方向生長 ， 這種生長方式類似樹枝的生長 ， 被稱為 樹枝狀長大 ，直到液相消耗完畢 。 晶核長大的速率稱為長大率 ， 用單位時間內晶體表面向前推進的線速度表示 。 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性能的關系 為：晶粒越細小 ， 金屬的強度 、 塑性 、 韌性越高 。 反之晶粒越粗大 ， 金屬的力學性能越差 。 ? 制備細晶粒材料的措施一般為在結晶過程提高形核率和抑制長大率 。 形核率和長大率的影響因素主要有以下三個方面： 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 50 1．過冷度影響 形核率 N和長大率 G與過冷度 Δt關系，一般隨著過冷度的增加，形核率和長大率先增加后下降。 3．金屬流動與振動 在金屬結晶時如果增加液體流速或給以機械振動、超聲波振動，都將達到增加形核率或抑制長大率的效果。 2．難熔雜質的影響 高熔點雜質的加入對細化晶粒的作用也非常明顯，由于液態(tài)金屬結晶時可以附著在未全部熔解的高熔點雜質的顆粒表面，所以加入高熔點雜質能提高形核率。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 51 四 、 固態(tài)金屬的同素異晶轉變 ? 多數金屬結晶后晶格類型保持不變 ， 但有些金屬如鐵 、 錳 、鈷 、 鈦 、 錫等在固態(tài)下晶格類型會隨溫度的變化而發(fā)生改變 ，由一種晶格向另一種晶格轉變 ， 金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格變化的過程稱為同素異晶轉變 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 52 純鐵的同素異晶轉變在實際生產中有重要意義，正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉變，生產中才有可能用熱處理的方法來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 ? 如果對單晶體鋅做拉伸試驗 ， 但單晶鋅被拉長后 ， 發(fā)現鋅的表面出現傾斜的近乎平行的細線 ， 稱為滑移線 。 在鋅晶體的內部 ，發(fā)生了一部分晶體相對于另一部分晶體的相對滑動 ， 即滑移 。 ? 對滑移后的晶體進行 x射線分析表明 ， 晶體發(fā)生相對浴動后仍然是完整的晶體 ， 且晶格位向不變 ， 滑動的距離是晶格常數的整數倍 。 這種由整個晶體沿著一個滑移的平面發(fā)生的整體滑動 ，稱為 “ 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力分量 σ， 和平行沿移面的切應力分量 τ。 由圖中分析可知 ， 作用在滑移面上的正應力 ， 只能引起晶格的彈性伸長 ， 即彈性交形 ， 應力取消時 ， 彈性使變形恢復原狀 。 只有在 σ很大很大(超過原子間的結合力 )時 ， 才能將晶體拉斷 。 ? 晶體在切應力作用下 ， 發(fā)生剪切彈性變形 。 這時 ， 如果取消外力 ， 晶體則恢復原狀 。 但當切應力分量大到一定值時 ， 品格發(fā)生剛性滑移 。 能使晶體滑移的最小分切應力 ， 稱為 “ 臨界切應力 ” 。 ? 從金屬晶體受力分析可知 ， 作用在滑移面上的正應力分量遠遠沒有達到晶體結合力時 ， 切應力分量已經達到臨界切應力值 。 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)生斷裂現象 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 55 ?晶體在產生滑移變形時，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 ? 當晶體沿著密徘面滑移時 ， 滑移的方向一定是沿著面內最密排的方向 。 這是因為密排方向上原子之間的距離小 ， 滑動一個原子間距所需的能量小的緣故 。 ? 一個密排面及面上一個密排的晶向 ， 組成一個可能滑移的通道 ， 稱為滑移系 。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 ， 但滑移方向對塑性的貢獻更大些 ， 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． 滑移的機理 ? 金屬晶體如果按照上述剛性滑移的機理發(fā)生滑移變形 ， 即部分晶體發(fā)生整體滑動時 ， 所需的切應力比實際晶體滑移時所需的臨界切應力大二至三個數量組 。 如鐵在剛性滑移時所需切應力為 2300MPa， 而實際測得的臨界切應力為 29MPa；銅在剛性滑移時所需切應力為 1540MPa， 而實際測得的臨界切應力為 1MPa。 這說明實際晶體滑移時 ， 并不是剛性滑移 。 ? 實驗證明 ， 滑移變形的真正機理是由位錯的移動來完成的 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 57 ?其微觀過程 ， 是由位錯的移動來完成的 。 金屬中存在著大量位錯 ， 位錯沿著滑移面運動 ， 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 ， 即其本質強度很高 ， 但在外力作用下 ， 金屬中所存在的大量位所在切應力很小時即可運動 ， 導致滑移變形 。 金屬經一定量的塑性變形后 ， 內部缺陷增加 ， 以致斷裂 。 因此 ， 金屬中位錯的數量 、 分布對金屬的性能影響很大 。 假如金屬中沒有位錯 ， 金屬的塑性變形只有依剛性滑移來進行 ， 金屬的強度就很高 。 隨著位錯數量的增加 ， 金屬的強度下降 ， 但當位錯數量增至很大時 ， 位錯線之間發(fā)生的交互作用 ， 反而阻礙位錯的移動 ， 金屬強度又有上升的趨勢 。 金屬強度與位錯密度的關系如圖 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 ） 相對于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生 。 與滑移變形相比 ， 孿生變形很少發(fā)生 。 因為孿生所需要的剪切應力很大 ， 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 ， 或受到沖擊變形的金屬中發(fā)生 。 二 、 多晶體的塑性變形 ? 多晶體塑性變形時 ， 每個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 晶界是相鄰兩個晶粒的邊界，晶界上的原子排列是無規(guī)則的，金屬中的雜質原于往往存在其間，這對于位錯的運動形成很大阻力。 用只有兩個晶粒的試樣進行拉伸試驗，變形后試樣出現了所謂 “竹節(jié)現象” ，如圖 1—39所示。這說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?。▎挝惑w積內晶粒數越多）時，該晶體的塑變抗力越大，即強度越高。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 61 （ 二 ） 位向差的作用 ? 外力的切應力分量在外力呈 45176。 角度時最大 。 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 ， 切應力分量最小 ， 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 ，當一個晶粒的位向接近 45176。 發(fā)生滑移時 ， 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 ，牽制作用越大 ， 從而增加了塑變抗力 ， 使強度提高 。 ? 金屬的晶粒越細時 ， 其強度越高 。 細晶粒的金屬不僅強度高 ， 塑性也好 ， 這是應為多晶體在應力作用下 ，塑性變形分散在更多的晶粒之中 ， 晶粒越細時 ， 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 ， 某些大晶粒的位向不利于滑移變形 ， 則在較大的體積內牽制塑性變形 ， 使塑性交形不均勻 。 ?在實際生產中 ， 希望金屬零件的晶粒越細越好 。 在電力設備中 ， 有些重要零件的晶粒度 ， 被限定在一定級別之內 ，尤其是承受沖擊的構件 ， 如碎煤機的錘頭和錘扦 ， 細晶粒金屬的強度高 、 塑性好 ， 則沖擊韌性也高 ， 能夠承受反復的沖擊而不易產生疲勞損壞 。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 62 三 、 冷塑性變形對金屬組織和性能影響 ? 金屬材料在外力作用下產生塑性變形 ， 其內部的組織和力學性能 、 物理 、 化學性能也發(fā)生一系列的變化 ， 主要的變化是加工硬化 ， 同時在金屬內部產生形變內應力 。 在電力工業(yè)中，碎煤機錘頭、磨煤機襯板、斗輪機斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進一步提高強度的。 (一 )加工硬化 ?金屬在受外力作用屈服后，如繼續(xù)變形則需要增加應力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強化、硬化，直至達到強度極限。 低碳鋼的加工硬化現象見圖 1— 41所示，出現了加工硬化后強度可提高 80％以上。建筑用鋼筋須先經過冷拔強化。但加工硬化會使金屬的電阻增加，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：會發(fā)現金屬的晶粒逐漸被拉長，甚至會變成細條狀、纖維狀，這說明晶粒發(fā)生碎化，亞晶的數量增加。晶界和亞晶界數量的增加，使位錯運動受阻，形變抗力加大，導致強度和硬度增加， ?性能：隨著塑性變形量的增加，位錯密度增加，使運動中的位錯發(fā)生復雜的交互作用，位錯線相互纏結、堆積，阻礙了位錯的運動，也會使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。 金屬材料 新干班教材 2022/2/13 63 (二 )形變內應力 ? 金屬經塑性變形后 ， 由于多晶體的變形不均勻 ， 有的晶粒須以彈性變形協調整體的變形 ，又由于塑性變形產生了大量的缺陷 ， 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 ， 稱為形變內應力 。