3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶.ppt

工 程 材 料 学 刘子利 南京航空航天大学 §3.1 纯金属的结晶与铸锭组织 一、结晶基础 凝固 结晶 过冷度 形核：均质形核、异质形核 同素异构转变 重结晶：形核、长大 引言 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 §5.3 回复与再结晶 加热温度 ℃ 黄铜 §5.3 回复与再结晶 回复、再结晶和晶粒的长大都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也发生对应变化。 §5.3 回复与再结晶 5.3.1. 回复 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇 合并而使缺陷数量减少等。 位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。 §5.3 回复与再结晶 a. 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存； b. 电阻率，有明显降低； c. 力学性能，如硬度和强度，觉察不到有明显的变化； d. 光学金相组织看不出任何变化。 回复带来的组织性能变化 §5.1 金属材料的塑性变形特征 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。 d） 滑移的同时伴随着晶体的转动。 转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 §5.1 金属材料的塑性变形特征 发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。 孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 §5.1 金属材料的塑性变形特征 与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速； 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。 §5.1 金属材料的塑性变形特征 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。 面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。 奥氏体不锈钢中退火孪晶 钛合金六方相中的形变孪晶 §5.1 金属材料的塑性变形特征 5.1.2 多晶体金属的塑性变形 多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。 单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究晶粒位向和晶界在多晶体塑性变形中的作用即可。 1. 晶界及晶粒位向差的影响 (1) 晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。 §5.1 金属材料的塑性变形特征 §5.1 金属材料的塑性变形特征 Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积 §5.1 金属材料的塑性变形特征 (2) 晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒 的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 §5.1 金属材料的塑性变形特征 2. 多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带 σ σ 上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。 3. 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越细，晶界 §5.1 金属材料的塑性变形特征 总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。 晶粒大小与金属强度关系 Hall- Pitch公式: §5.1 金属材料的塑性变形特征 金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒 数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。 应变 应力 塑性材料 脆性 材料 §5.1 金属材料的塑性变形特征 细晶强化 §5.1 金属材料的塑性变形特征 5.1.3 合金的塑性变形与强化 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金元素的存在，使合金的变形与