电工学第三章

1、第三章第三章 改变材料性能的主要途径改变材料性能的主要途径 1.金属塑性变形对材料性能的影响金属塑性变形对材料性能的影响 一一.塑性变形过程及组织、性能的变化塑性变形过程及组织、性能的变化 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 （1）单晶体塑性变形的基本形式）单晶体塑性变形的基本形式滑移变形滑移变形是金属中最主要的一种塑性变是金属中最主要的一种塑性变形方式形方式 孪生变形孪生变形 所需切应力大，变形量小，速所需切应力大，变形量小，速度快（音速）度快（音速）(2)滑移变形与位错滑移变形与位错 滑移变形是通过晶内的位错运动来实现的，如图滑移变形是通过晶内的位错运动来实现的，如图3-2所示所示 材料强

2、度与位错密度的关系（如下图）材料强度与位错密度的关系（如下图）一般材料中的位错密度为一般材料中的位错密度为106108，当当0 0式中：式中：o为为o时的切应力；时的切应力；K常常数数 （3）位错增殖位错增殖:在滑移变形过程中造成位错数量增多的现象在滑移变形过程中造成位错数量增多的现象位错的增殖，则材料强度、硬度上升，而塑性迅速下降，使得变形位错的增殖，则材料强度、硬度上升，而塑性迅速下降，使得变形抗力明显增大抗力明显增大 （4）滑移系滑移系 :一个滑移面和其上的一个滑移方向合称为一个滑移一个滑移面和其上的一个滑移方向合称为一个滑移系系.滑移系多的晶体则容易变形，呈现较好的塑性。三种常见金属晶

3、滑移系多的晶体则容易变形，呈现较好的塑性。三种常见金属晶体结构的滑移系见表体结构的滑移系见表31。具有面心立方晶格的金属具有良好的塑。具有面心立方晶格的金属具有良好的塑性性 2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形（1）多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和）多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和 软位向晶粒软位向晶粒:滑移面与滑移方向与外力成滑移面与滑移方向与外力成45o的晶粒的晶粒.（2）多晶体金属的晶界是位错运动的壁垒）多晶体金属的晶界是位错运动的壁垒（竹节状现象）（竹节状现象）（3）冷变形纤维组织）冷变形纤维组织 （4）变形织构）变形织构 加工硬化加工硬化：随变形量的增大，材料的强度、硬度上升，

4、塑性、韧：随变形量的增大，材料的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。性下降的现象。低碳钢冷轧强度、塑性与变形度的关系，如图低碳钢冷轧强度、塑性与变形度的关系，如图3-9所示所示塑性变形金属的再结晶塑性变形金属的再结晶1再结晶过程再结晶过程金属经冷变形后金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, 有自发恢复有自发恢复到稳定状态的倾向。但到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生增加，金属将依次发生回复、再结晶回复、再结晶和和晶粒长大。晶粒长大。 加

5、热温度加热温度 黄铜黄铜 回复回复回复：是指在加热温度较低回复：是指在加热温度较低（约（约（0.250.3）T熔熔）时，由时，由于金属中的点缺陷及位错近于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些距离迁移而引起的晶内某些变化。变化。回复阶段回复阶段，金属组织变化不，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。种热处

6、理方法称去应力退火。 再结晶再结晶当变形金属被加热到较高温当变形金属被加热到较高温（约（约（0.350.4）T熔熔）度时，由度时，由于原子活动能力增大，晶粒的于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，形状开始发生变化，由破碎拉由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种这种冷变形组织在加热时重新冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称彻底改组的过程称再结晶。再结晶。再再结晶也是一个结晶也是一个晶核形成晶核形成和和长长大大的过程，但不是相变过程，的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的再结晶前后新旧晶粒的晶格晶格类型类型和和成分成分完全相同。完全相同。铁素体变形铁素体变

7、形80%670加热加热650加热加热由于再结晶后组织的复由于再结晶后组织的复原，因而原，因而金属的强度、金属的强度、硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织再结晶的特点再结晶的特点：与液态金属不一样，：与液态金属不一样，没有一个固定的温度，随着温度和时没有一个固定的温度，随着温度和时间的延长，再结晶不断进行，开始的间的延长，再结晶不断进行，开始的再结晶温度称为最低再结晶温度再结晶温度称为最低再结

8、晶温度(T再再)，即即 ：T再再(0.350.4)T熔熔(K)T再再与变形度有关与变形度有关，当变形度增大到，当变形度增大到一定数值时一定数值时,再结晶温度趋于一个极再结晶温度趋于一个极限温度限温度,如图如图3-11所示所示如：纯铁如：纯铁 T再再=450 碳钢碳钢 T再再=500650 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升升高加热温度或延长保温时高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，间，将发生晶粒长大，这这是一个自发的过程。是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温

9、1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织2再结晶后的晶粒度再结晶后的晶粒度影响金属和合金在再结晶退火后晶粒度的主要因素是影响金属和合金在再结晶退火后晶粒度的主要因素是再结晶退火温再结晶退火温度度和和预先冷变形度预先冷变形度临界变形度临界变形度 一般在一般在210之间之间 变形度超过变形度超过90时，可能产生变形织构而使晶粒变大时，可能产生变形织构而使晶粒变大 二次再结晶二次再结晶：在金属的变形度较小（在：在金属的变形度较小（在 210）时，再结晶晶）时，再结晶晶核很少，少数再结晶晶粒持续长大而得到非常粗大的组织。核很少，少数再结晶晶粒持续长大而得到非常粗

10、大的组织。三三.金属的热变形金属的热变形一般以金属的一般以金属的再结晶温度为界限进行区分再结晶温度为界限进行区分，在其再结晶温度以上的，在其再结晶温度以上的加工变形称为热变形；在再结晶温度以下的加工变形称为冷变形。加工变形称为热变形；在再结晶温度以下的加工变形称为冷变形。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔l如如 Fe 的再结晶温度为的再结晶温度为451，其在，其在400 以下的加以下的加工仍为冷加工。而工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为的再结晶温度为-71，则其，则其在室温下的加工为热加工。在室温下的加工为热加工。l热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的

11、软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件巨型自由锻件l热加工可使铸态金属与合金中的热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合气孔焊合，使，使粗大的粗大的树枝晶或柱状晶破碎，树枝晶或柱状晶破碎，从而从而使组织致密、成分均匀、使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高晶粒细化，力学性能提高。 锻压锻压热加工动态再热加工动态再结晶示意图结晶示意图l热加工使铸态金属中的热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作宏观条纹，称作流线流线，具有这种流线的组织称具有这种流线的组织称纤维组

12、织纤维组织。它使钢产生。它使钢产生各向异性，各向异性，在制定加工在制定加工工艺时，应使流线分布工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方合理，尽量与拉应力方向一致。向一致。 滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织四四.形变强化的应用形变强化的应用形变强化形变强化 主要用于不能采用热处理强化或强化效果不显著的，室主要用于不能采用热处理强化或强化效果不显著的，室温时又具有良好的塑性，并能进行适当程度的冷塑性变形的金属和温时又具有良好的塑性，并能进行适当程度的冷塑性变形的金属和合金。合金。 生产中常用的形变强化方法有生产中常用的形变强化方法有冷挤、冷拉

13、、冷扎、冷镦、冷压、冷挤、冷拉、冷扎、冷镦、冷压、滚压和喷丸滚压和喷丸等等 。冷挤、冷拉、冷扎主要用于原材料的生产；冷镦主冷挤、冷拉、冷扎主要用于原材料的生产；冷镦主要用于标准件的生产；冷压、滚压和喷丸主要用于零件表面强化，要用于标准件的生产；冷压、滚压和喷丸主要用于零件表面强化，并可提高零件表面硬度、疲劳强度和表面质量。并可提高零件表面硬度、疲劳强度和表面质量。2.金属的晶粒度对材料性能的影响金属的晶粒度对材料性能的影响 细化晶粒是提高金属强度、硬度、塑性、韧性的重要途径细化晶粒是提高金属强度、硬度、塑性、韧性的重要途径 。影响晶粒度的因素影响晶粒度的因素过冷度过冷度 （通过控制液态金属的冷

14、却速度）异质晶核异质晶核 三三.细晶强化方法与应用细晶强化方法与应用 1细晶强化的主要方法细晶强化的主要方法 提高过冷度提高过冷度 变质处理变质处理 振动与搅拌振动与搅拌 2细晶强化的应用细晶强化的应用 细晶强化主要应用于铸件生产领域。常用于铸铁件和非铁合金铸件（即有色金属及合金），如灰铸铁的孕育处理和铝活塞采用金属型铸造等都属细晶强化的实例。3 金属的合金化金属的合金化 1固溶强化固溶强化 （固溶体中溶质使晶体中的晶格产生畸变 ）2第二相强化第二相强化（又称弥散强化） 弥散强化：细小弥散的第二相质点均匀地分布在金属基体上使金属强化 。一般希望第二相质点呈弥散分布，并使质点细小且间距也小，造成位错切过第二相的方法来提高