殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力課件

1、金屬材料與熱處理學(xué)習(xí)要點第2章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶格類型2、實際金屬的組織與結(jié)構(gòu)3、單晶體金屬塑性變形4、位錯運動5、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)6、多晶體金屬塑性變形7、金屬的結(jié)晶8、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第2章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1 金屬晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬的結(jié)晶及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1、晶體 ：物質(zhì)內(nèi)部的原子作有序、有規(guī)則的排列 非晶體 ：在物質(zhì)內(nèi)部的原子呈無序堆積狀況。 * 一般固態(tài)金屬都是晶體。2、晶格：表示晶體中原子排列形式的空間格子3、晶胞：能夠完整反映晶格特征最小幾何單元。2.1 金屬晶體結(jié)構(gòu)晶格參數(shù)和晶面、晶向晶格參數(shù)：晶格常數(shù)a、b、c和棱邊邊夾角、晶面：在晶格中由一系列原子組成的平面。晶向：在晶格中

2、原子列的位向。1、體心立方晶格： 晶胞是一個立方體，金屬原子排列在立方體的中心和八個頂角上。 *金屬有-Fe、Cr、Mo、V等。晶格類型：晶格致密度： 晶胞中原子所占有的體積與晶胞體積之比晶格常數(shù)晶胞中原子數(shù)目最近原子間距致密度a1/88123 a/20.682、面心立方晶格：晶胞是一個立方體，金屬原子排列在立方體的六個面的中心和八個頂角上。 金屬有-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。晶格常數(shù)晶胞中原子數(shù)目最近原子間距致密度a1/881 /26 42 a/20.74單晶體：晶格位向完全一致晶體。晶粒：外形不規(guī)則，晶格位向一致的小晶體。多晶體:許多位向不同，外形不規(guī)則的小晶粒組成晶界：多晶體金屬內(nèi)

3、各晶粒間的交界面。單晶體與多晶體單晶體金屬塑性變形理論上整體滑移：每一個原子都移動。整體滑移所需的理論力遠大于實際所需的力。位錯運動和孿生線缺陷/位錯：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯運動機理：位錯的半原子面受到前后兩邊原子的排斥，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，只需加很小的力就能打破力的平衡，位錯的半原子面移動很小的距離（小于一個原子間距），達到虛線位置，使位錯前進一個原子間距。在切應(yīng)力作用下，位錯繼續(xù)移動到晶體表面。大量位錯移動到晶體表面，就形成宏觀塑性變形。實際滑移通過實現(xiàn)金屬的塑性變形主要是由位錯運動引起滑移完成。實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格畸變：晶格中原子偏離平衡位置，使晶格發(fā)生扭

4、曲 破壞了原子的平衡狀態(tài)。 點缺陷：晶格中存在空位、間隙原子、置換原子等點缺陷的存在，從而引起晶格畸變。 性能變化：使金屬的電阻率增加，強度、硬度升高，塑性、韌性下降。線缺陷線缺陷/位錯：晶格中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 常見的有刃型位錯和螺型位錯金屬的塑性變形主要是由位錯運動引起滑移形成。阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。面缺陷面缺陷/晶界：多晶體金屬內(nèi)各晶粒間的交界面。晶界/大角晶界：相鄰晶粒位向相差15以上。亞晶粒：在一個晶粒內(nèi)部，晶格位向相差很小（2-3 ）的小晶。 亞晶界/小角晶界：晶界特性1、晶界原子排列紊亂，對位錯運動有阻

5、礙作用，是金屬中的強化部位（在常溫下，強度、硬度較高）。金屬的晶粒越細，晶界總面積就越（ ），金屬的強度也越（ ）2、晶界處的原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，能量比晶內(nèi)的高(高出叫晶界能）晶界熔點低、耐蝕性差、原子擴散快。晶界的缺陷比晶內(nèi)多，因而外來原子易在晶界上偏聚，其濃度高于晶內(nèi)，稱為內(nèi)吸附。晶界還是固態(tài)相變的優(yōu)先形核部位。多晶體金屬塑性變形分析角度：晶粒位向、晶界、晶粒大小1、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加， 使塑性變形抗力增加。 塑性變形不均勻和逐步擴展，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力2、晶界：晶界原子排列紊亂，阻礙位錯移動3、晶粒大?。毫Ｐ?，晶界多，不同位向晶粒多，塑性變形抗力大 強度（ ）。 晶粒大小影響韌

6、性、塑性：A 變形量均勻分散在更多的晶粒內(nèi)，不致集中少數(shù)晶粒，造成變形嚴重；B 晶粒小，晶界多且曲折，不利于裂紋傳播，斷裂前能承受大的塑性變形，吸收較多的功故韌性、塑性（ ）冷塑性變形后金屬的組織與性能1、位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化優(yōu)點：A、強化金屬手段；B、增加構(gòu)件的安全性；C、有利于金屬進行均勻變形，是塑性變形成形的重要因素；缺點：進一步冷塑性變形困難。2、冷塑性變形引起各項異性：A、組織纖維化 B、結(jié)構(gòu)（晶粒）方向性3、產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力1宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力：由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)殘余應(yīng)力。彎曲變形后殘余內(nèi)應(yīng)力2微觀殘余內(nèi)應(yīng)力：多晶體的各晶粒的變形不均勻，而使各

7、晶粒間產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力3晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，增加了位錯及空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離平衡而造成晶格畸變，從而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。需要部分原子范圍內(nèi)（幾百，幾千）來相互平衡。殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。類別：1、宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力 2、微觀殘余內(nèi)應(yīng)力 3、晶格畸變應(yīng)力（90%）引起殘余內(nèi)應(yīng)力的原因：塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變等有害影響：1、降低工件的承載能力 2、 使工件尺寸和形狀發(fā)生變化 3、降低工件的耐蝕性金屬結(jié)晶1、結(jié)晶：液態(tài)金屬凝固成晶體結(jié)構(gòu)的過程。也是原子由不規(guī)則排列的液態(tài)逐步過渡到原子規(guī)則排列的晶體的過程。2、理論/平

8、衡結(jié)晶溫度：理論上凝固點與熔點一致的溫度3、過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差。T0-T1=T *冷卻速度越快，實際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大。結(jié)晶階段結(jié)晶過程結(jié)晶過程：形核及晶核長大的過程。晶核：結(jié)晶的核心質(zhì)點（原子小集團）。晶粒的大小取決于晶核的形成速率和長大速度 ?？刂七^冷度：過冷度對形核率和長大速度都有影響。 鑄錠的形成1、表面細晶粒層2、柱狀晶區(qū)3、中心等軸區(qū)變形金屬加熱時組織和性能的變化1、回復(fù)：加熱溫度低，顯微組織無明顯變化，機械性能變化不大，殘余殘余應(yīng)力顯著下降的階段。2、原因：溫度低，原子短距離擴散，使空位與間隙原子合并，空位與位錯發(fā)生交互作用而消失，晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力

9、顯著下降。但位錯密度未顯著減少，加工硬化的主要原因未消除。機械性能在回復(fù)階段變化不大。3、冷變熱處理方法應(yīng)用：去應(yīng)力退火回復(fù)/冷卷彈簧（250-300 ），青銅絲彈簧（120-150 ）。 變形后的金屬，晶格畸變，原子內(nèi)能升（ ）而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)原來穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。室溫，原子活動能力（ ），而溫度高，（ ），其組織和性能（ ）。變化階段（ ）。2、再結(jié)晶4、冷變熱處理方法應(yīng)用： （再結(jié)晶退火）為工件拉延、彎曲繼續(xù)進行的中間熱處理。1、再結(jié)晶：加熱溫度較高，顯微組織（ ），加工硬化（性能）和殘余應(yīng)力（ ）。2、再結(jié)晶過程：溫升，原子活動能力大，在晶界等晶格畸變嚴重處，形核，長大成

10、等軸晶粒。晶格畸變輕，位錯密度減輕到變形前，殘余應(yīng)力和加工硬化（ ）。注：再結(jié)晶前后，晶粒晶格（ ）。晶粒形狀（ ）。3、再結(jié)晶溫度；溫度范圍最低溫度。 T再=（0.35-0.4）T熔3、晶粒長大晶粒長大：溫升或保溫，晶界遷移位向改變，晶粒被吞并而長大金屬熱變形加工（熱鍛/熱軋）1、冷熱變形加工區(qū)別：以再結(jié)晶溫度劃分。鎢/1200，錫/-7 。2、熱加工特點：冷加工+再結(jié)晶同時進行。熱加工時，由于金屬原子結(jié)合力減小，而且 形變強化現(xiàn)象隨時被再結(jié)晶消除，從而使金屬的強度、硬度提高，塑性提高，因此熱加工比冷加工易進行。3、適用場合：A、熱加工可應(yīng)用于截面尺寸大，變形量大、材料在室溫下脆性較高。 B、冷加工適于截面尺寸小、加工尺寸和表面質(zhì)量要求較高的金屬制品。金屬熱變形加工時組織和性能的變化 1）形成纖維組織 2）消除和改善鑄態(tài)金屬的組織缺陷（如：氣泡縮孔焊和、縮松壓實、使材料致密；鑄態(tài)時粗大的柱狀晶經(jīng)熱變形加工變成細小的等軸晶粒；大塊碳化物被打碎，使成分均勻。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下，隨