電工學(xué)第三章

1、第三章第三章 改變材料性能的主要途徑改變材料性能的主要途徑 1.金屬塑性變形對(duì)材料性能的影響金屬塑性變形對(duì)材料性能的影響 一一.塑性變形過程及組織、性能的變化塑性變形過程及組織、性能的變化 1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形 （1）單晶體塑性變形的基本形式）單晶體塑性變形的基本形式滑移變形滑移變形是金屬中最主要的一種塑性變是金屬中最主要的一種塑性變形方式形方式 孿生變形孿生變形 所需切應(yīng)力大，變形量小，速所需切應(yīng)力大，變形量小，速度快（音速）度快（音速）(2)滑移變形與位錯(cuò)滑移變形與位錯(cuò) 滑移變形是通過晶內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖滑移變形是通過晶內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖3-2所示所示 材料強(qiáng)

2、度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（如下圖）材料強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（如下圖）一般材料中的位錯(cuò)密度為一般材料中的位錯(cuò)密度為106108，當(dāng)當(dāng)0 0式中：式中：o為為o時(shí)的切應(yīng)力；時(shí)的切應(yīng)力；K常常數(shù)數(shù) （3）位錯(cuò)增殖位錯(cuò)增殖:在滑移變形過程中造成位錯(cuò)數(shù)量增多的現(xiàn)象在滑移變形過程中造成位錯(cuò)數(shù)量增多的現(xiàn)象位錯(cuò)的增殖，則材料強(qiáng)度、硬度上升，而塑性迅速下降，使得變形位錯(cuò)的增殖，則材料強(qiáng)度、硬度上升，而塑性迅速下降，使得變形抗力明顯增大抗力明顯增大 （4）滑移系滑移系 :一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向合稱為一個(gè)滑移一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向合稱為一個(gè)滑移系系.滑移系多的晶體則容易變形，呈現(xiàn)較好的塑性。三種常見金屬晶

3、滑移系多的晶體則容易變形，呈現(xiàn)較好的塑性。三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系見表體結(jié)構(gòu)的滑移系見表31。具有面心立方晶格的金屬具有良好的塑。具有面心立方晶格的金屬具有良好的塑性性 2多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形（1）多晶體的塑性變形是每個(gè)晶粒變形的總和）多晶體的塑性變形是每個(gè)晶粒變形的總和 軟位向晶粒軟位向晶粒:滑移面與滑移方向與外力成滑移面與滑移方向與外力成45o的晶粒的晶粒.（2）多晶體金屬的晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的壁壘）多晶體金屬的晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的壁壘（竹節(jié)狀現(xiàn)象）（竹節(jié)狀現(xiàn)象）（3）冷變形纖維組織）冷變形纖維組織 （4）變形織構(gòu)）變形織構(gòu) 加工硬化加工硬化：隨變形量的增大，材料的強(qiáng)度、硬度上升，

4、塑性、韌：隨變形量的增大，材料的強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。性下降的現(xiàn)象。低碳鋼冷軋強(qiáng)度、塑性與變形度的關(guān)系，如圖低碳鋼冷軋強(qiáng)度、塑性與變形度的關(guān)系，如圖3-9所示所示塑性變形金屬的再結(jié)晶塑性變形金屬的再結(jié)晶1再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程金屬經(jīng)冷變形后金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶回復(fù)、再結(jié)晶和和晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大。 加熱

5、溫度加熱溫度 黃銅黃銅 回復(fù)回復(fù)回復(fù)：是指在加熱溫度較低回復(fù)：是指在加熱溫度較低（約（約（0.250.3）T熔熔）時(shí)，由時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。變化?；貜?fù)階段回復(fù)階段，金屬組織變化不，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。種熱處理

6、方法稱去應(yīng)力退火。 再結(jié)晶再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫（約（約（0.350.4）T熔熔）度時(shí)，由度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種這種冷變形組織在加熱時(shí)重新冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱徹底改組的過程稱再結(jié)晶。再結(jié)晶。再再結(jié)晶也是一個(gè)結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成晶核形成和和長(zhǎng)長(zhǎng)大大的過程，但不是相變過程，的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格晶格類型類型和和成分成分完全相同。完全相同。鐵素體變形鐵素體變形

7、80%670加熱加熱650加熱加熱由于再結(jié)晶后組織的復(fù)由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而原，因而金屬的強(qiáng)度、金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的的再結(jié)晶組織分后的的再結(jié)晶組織再結(jié)晶的特點(diǎn)再結(jié)晶的特點(diǎn)：與液態(tài)金屬不一樣，：與液態(tài)金屬不一樣，沒有一個(gè)固定的溫度，隨著溫度和時(shí)沒有一個(gè)固定的溫度，隨著溫度和時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶不斷進(jìn)行，開始的間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶不斷進(jìn)行，開始的再結(jié)晶溫度稱為最低再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度稱為最低再結(jié)晶

8、溫度(T再再)，即即 ：T再再(0.350.4)T熔熔(K)T再再與變形度有關(guān)與變形度有關(guān)，當(dāng)變形度增大到，當(dāng)變形度增大到一定數(shù)值時(shí)一定數(shù)值時(shí),再結(jié)晶溫度趨于一個(gè)極再結(jié)晶溫度趨于一個(gè)極限溫度限溫度,如圖如圖3-11所示所示如：純鐵如：純鐵 T再再=450 碳鋼碳鋼 T再再=500650 再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這這是一個(gè)自發(fā)的過程。是一個(gè)自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C580C保溫保溫1

9、515分后的組織分后的組織700C700C保溫保溫1010分后的組織分后的組織2再結(jié)晶后的晶粒度再結(jié)晶后的晶粒度影響金屬和合金在再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素是影響金屬和合金在再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素是再結(jié)晶退火溫再結(jié)晶退火溫度度和和預(yù)先冷變形度預(yù)先冷變形度臨界變形度臨界變形度 一般在一般在210之間之間 變形度超過變形度超過90時(shí)，可能產(chǎn)生變形織構(gòu)而使晶粒變大時(shí)，可能產(chǎn)生變形織構(gòu)而使晶粒變大 二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶：在金屬的變形度較?。ㄔ冢涸诮饘俚淖冃味容^?。ㄔ?210）時(shí)，再結(jié)晶晶）時(shí)，再結(jié)晶晶核很少，少數(shù)再結(jié)晶晶粒持續(xù)長(zhǎng)大而得到非常粗大的組織。核很少，少數(shù)再結(jié)晶晶粒持續(xù)長(zhǎng)大而得到非常粗大

10、的組織。三三.金屬的熱變形金屬的熱變形一般以金屬的一般以金屬的再結(jié)晶溫度為界限進(jìn)行區(qū)分再結(jié)晶溫度為界限進(jìn)行區(qū)分，在其再結(jié)晶溫度以上的，在其再結(jié)晶溫度以上的加工變形稱為熱變形；在再結(jié)晶溫度以下的加工變形稱為冷變形。加工變形稱為熱變形；在再結(jié)晶溫度以下的加工變形稱為冷變形。軋制軋制模鍛模鍛拉拔拉拔l如如 Fe 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為451，其在，其在400 以下的加以下的加工仍為冷加工。而工仍為冷加工。而 Sn 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為-71，則其，則其在室溫下的加工為熱加工。在室溫下的加工為熱加工。l熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟

11、化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。巨型自由鍛件巨型自由鍛件l熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合氣孔焊合，使，使粗大的粗大的樹枝晶或柱狀晶破碎，樹枝晶或柱狀晶破碎，從而從而使組織致密、成分均勻、使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。 鍛壓鍛壓熱加工動(dòng)態(tài)再熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖結(jié)晶示意圖l熱加工使鑄態(tài)金屬中的熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向非金屬夾雜沿變形方向拉長(zhǎng)，形成彼此平行的拉長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作宏觀條紋，稱作流線流線，具有這種流線的組織稱具有這種流線的組織稱纖維組織

12、纖維組織。它使鋼產(chǎn)生。它使鋼產(chǎn)生各向異性，各向異性，在制定加工在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。向一致。 滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布吊鉤中的纖維組織吊鉤中的纖維組織四四.形變強(qiáng)化的應(yīng)用形變強(qiáng)化的應(yīng)用形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化 主要用于不能采用熱處理強(qiáng)化或強(qiáng)化效果不顯著的，室主要用于不能采用熱處理強(qiáng)化或強(qiáng)化效果不顯著的，室溫時(shí)又具有良好的塑性，并能進(jìn)行適當(dāng)程度的冷塑性變形的金屬和溫時(shí)又具有良好的塑性，并能進(jìn)行適當(dāng)程度的冷塑性變形的金屬和合金。合金。 生產(chǎn)中常用的形變強(qiáng)化方法有生產(chǎn)中常用的形變強(qiáng)化方法有冷擠、冷拉、

13、冷扎、冷鐓、冷壓、冷擠、冷拉、冷扎、冷鐓、冷壓、滾壓和噴丸滾壓和噴丸等等 。冷擠、冷拉、冷扎主要用于原材料的生產(chǎn)；冷鐓主冷擠、冷拉、冷扎主要用于原材料的生產(chǎn)；冷鐓主要用于標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)；冷壓、滾壓和噴丸主要用于零件表面強(qiáng)化，要用于標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)；冷壓、滾壓和噴丸主要用于零件表面強(qiáng)化，并可提高零件表面硬度、疲勞強(qiáng)度和表面質(zhì)量。并可提高零件表面硬度、疲勞強(qiáng)度和表面質(zhì)量。2.金屬的晶粒度對(duì)材料性能的影響金屬的晶粒度對(duì)材料性能的影響 細(xì)化晶粒是提高金屬強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性的重要途徑細(xì)化晶粒是提高金屬強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性的重要途徑 。影響晶粒度的因素影響晶粒度的因素過冷度過冷度 （通過控制液態(tài)金屬的冷卻

14、速度）異質(zhì)晶核異質(zhì)晶核 三三.細(xì)晶強(qiáng)化方法與應(yīng)用細(xì)晶強(qiáng)化方法與應(yīng)用 1細(xì)晶強(qiáng)化的主要方法細(xì)晶強(qiáng)化的主要方法 提高過冷度提高過冷度 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 振動(dòng)與攪拌振動(dòng)與攪拌 2細(xì)晶強(qiáng)化的應(yīng)用細(xì)晶強(qiáng)化的應(yīng)用 細(xì)晶強(qiáng)化主要應(yīng)用于鑄件生產(chǎn)領(lǐng)域。常用于鑄鐵件和非鐵合金鑄件（即有色金屬及合金），如灰鑄鐵的孕育處理和鋁活塞采用金屬型鑄造等都屬細(xì)晶強(qiáng)化的實(shí)例。3 金屬的合金化金屬的合金化 1固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （固溶體中溶質(zhì)使晶體中的晶格產(chǎn)生畸變 ）2第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化（又稱彌散強(qiáng)化） 彌散強(qiáng)化：細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)均勻地分布在金屬基體上使金屬強(qiáng)化 。一般希望第二相質(zhì)點(diǎn)呈彌散分布，并使質(zhì)點(diǎn)細(xì)小且間距也小，造成位錯(cuò)切過第二相的方法來提