金屬和陶瓷的力學(xué)性能材料科學(xué)基礎(chǔ)

金屬和陶瓷的力學(xué)性能材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四一、金屬中的應(yīng)力與應(yīng)變：1、軸向拉伸時的應(yīng)力與應(yīng)變：（表達(dá)方式及單位）2、應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系（在彈性范圍內(nèi)）第2頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四3、剪切變形時的應(yīng)力與應(yīng)變：（表達(dá)方式及單位）4、應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系（在彈性范圍內(nèi)）第3頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四二、拉伸試驗和應(yīng)力-應(yīng)變圖：拉伸試驗可獲得的力學(xué)性能指標(biāo)：1、彈性模量：2、規(guī)定非比例伸長應(yīng)力：是金屬材料有明顯塑性變形時的強(qiáng)度3、抗拉強(qiáng)度：4、斷后伸長率：5、截面收縮率：第4頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四三、塑性變形材料學(xué)基礎(chǔ)

（一）、金屬單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。第5頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四1、滑移

任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性變形及將晶粒拉斷。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體的晶格在發(fā)生彈性扭曲后進(jìn)一步造成滑移而產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片第6頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

滑移是晶體在切應(yīng)力的作用下,晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面(滑移面)和晶向發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。第7頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

滑移變形的特點：⑵

滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因為原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。⑴滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力.

沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。

晶面間距示意圖第8頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)習(xí)：立方晶系的晶向表示方法

以圖中的晶向OA為例,說明晶向指數(shù)的標(biāo)定過程。

①設(shè)定一空間坐標(biāo)系,原點在欲定晶向的一結(jié)點上。

②寫出該晶向上另一結(jié)點的空間坐標(biāo)值:100

③將坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)：100

④將化好的整數(shù)記在方括號內(nèi):[100]得到晶向OA的晶向指數(shù)為[100]。第9頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四同樣方法可得晶向OB、OC的晶向指數(shù)分別為[110]、[111]。晶向指數(shù)的一般標(biāo)記為[uvw]。[uvw]實際表示一組原子排列相同的平行晶向。晶向指數(shù)也可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)。（若兩組晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號相反,如[110]與[],則它們相互平行或為同一原子列,但方向相反。）若只研究該原子列的原子排列情況,則晶向[110]與[]可用一指數(shù)[110]表示。第10頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四原子排列情況相同而在空間位向不同(即不平行)的晶向統(tǒng)稱為晶向族,用尖括號表示,即<uvw>。如:<100>=[100]+[010]+[001]在立方晶系中,一個晶面指數(shù)與一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號相同時,則該晶面與該晶向互相垂直,

如(111)[111]。第11頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四以圖中的晶面ABB’A’為例,晶面指數(shù)的標(biāo)定過程如下：

①設(shè)定一空間坐標(biāo)系（原點在欲定晶面外,并使晶面在

三條坐標(biāo)軸上有截距或無窮大。）

②以晶格常數(shù)a為長度單位,寫出欲定晶面在三條坐標(biāo)軸上的截距:1∞∞

③截距取倒數(shù)：100

④截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)：100

⑤將三整數(shù)寫在園括號內(nèi)：(100)

晶面ABB’A’的晶面指數(shù)即為(100)。

同樣可得晶面ACC’A’和ACD’的晶面指數(shù)分別為

(110)、(111)。第12頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為(hkl)。(hkl)實際表示一組原子排列相同的平行晶面。

晶面的截距可以為負(fù)數(shù),在指數(shù)上加負(fù)號。如()面。若某個晶面(hkl)的指數(shù)都乘以-1,則得到(

)晶面,則晶面(hkl)與(

),屬于一組平行晶面,如晶面ACD’(111)與晶面A’C’B(

),這兩個晶面一般用一個晶面指數(shù)(111)來表示。第13頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四晶面族在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的對稱性,往往存在有許多原子排列完全相同但在空間位向不同(即不平行)的晶面,這些晶面的總稱為晶面族,用大括號表示,即{hkl}。在立方晶胞中(111)、()、()、()同屬{111}晶面族。第14頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)習(xí):晶面原子密度:

是指其單位面積中的原子數(shù)

。晶向原子密度：是指其單位長度上的原子數(shù)

。不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一樣。

在體心立方晶格中，原子密度最大的晶面為{110},稱為密排面;

原子密度最大的晶向為<111>,稱為密排方向。

在面心立方晶格中,密排面為{111},密排方向為<110>。第15頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。(以下以體心立方晶格為例)第16頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。面心立方密排六方第18頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四⑶滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。（在光學(xué)顯微鏡下無法分辨出滑移帶內(nèi)滑移臺階，因此，滑移帶也常常稱為滑移線）從滑移帶的結(jié)構(gòu)可知，金屬即使進(jìn)行了大量的塑性變形，這些變形也只是集中在一小部分的滑移面，許多潛在的滑移面上并沒有進(jìn)行滑移，大多數(shù)原子對于其鄰居來講并移動。第19頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

⑷滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動

如圖所示：當(dāng)外力作用于單晶體試樣時，它在某些相鄰層晶面上所分解的切應(yīng)力使晶體發(fā)生滑移，而正應(yīng)力則組成一力偶，使晶體在滑移的同時向外力方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片第20頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四滑移的機(jī)理：把滑移看作是晶體的一部分相對于另一部分的剛性滑移是不對的，大量研究表明：滑移是通過滑移面上位錯的運(yùn)動來實現(xiàn)的。(P188)第21頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四晶體通過位錯運(yùn)動產(chǎn)生滑移時，并不需要整個晶體的上半部分原子相對于下半部分原子一起位移,而只有少數(shù)原子產(chǎn)生滑移，因而所需臨界切應(yīng)力小，刃形位錯在切應(yīng)力作用下在滑移面上的運(yùn)動第22頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四2、孿生：孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的原子排列呈鏡面對稱。

第23頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四孿生與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.金屬表面的基本差別：滑移產(chǎn)生一系列臺階，而孿生則產(chǎn)生一個小的、范圍確定的變形區(qū)密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。第24頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（四）、金屬多晶體的塑性變形1、晶界及晶粒位向差的影響：（1）、晶界的影響：當(dāng)位錯運(yùn)動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。第26頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四多晶粒構(gòu)成的試樣的拉伸試驗的竹節(jié)現(xiàn)象第28頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（2）晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，必然會受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙，各晶粒必須相互協(xié)調(diào)，相互適應(yīng)，才能發(fā)生變形。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力總是高于單晶體。

第29頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四2、多晶體金屬的塑性變形過程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒（切應(yīng)力最大）。當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上滑移時晶粒的轉(zhuǎn)動，促使另一批晶粒開始滑移變形，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，從少量晶粒開始逐步擴(kuò)大到大量晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻變形。當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。第30頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四3、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因為金屬晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系第31頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因為晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，而不致造成應(yīng)力集中，引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展，因此在斷裂前可發(fā)生較大的塑性變形，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。第32頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（五）合金的塑性變形合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體奧氏體碳在γ-Fe中的間隙固溶體鐵素體與滲碳體的混合物第33頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

１、單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體的顯微組織與純金屬類似，因此其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似，但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系第34頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高.

Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系第35頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四２、多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相(二相)混合物組成時，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。

第36頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)習(xí)：金屬化合物在合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將出現(xiàn)新相。若新相的晶格結(jié)構(gòu)與合金中另一組成元素相同，則新相是以另一組成元素為溶劑的固溶體。若新相的晶格結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相將是組成元素相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物或中間相。第37頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四在這些化合物中，有些具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定程度的金屬性質(zhì)，是一種金屬化合物，稱為金屬間化合物；有些化合物具有離子鍵，沒有金屬性質(zhì)，屬于一般化合物，稱為非金屬化合物。非金屬化合物對合金性能影響很壞，一般稱為非金屬夾雜。金屬化合物通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，但會降低塑性和韌性。是各類合金、硬質(zhì)合金和許多有色金屬的重要組成相。第38頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時，對合金的強(qiáng)度和塑性不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時，可提高強(qiáng)度、硬度，但會降低塑性和韌性；珠光體第39頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化的主要原因如下：當(dāng)?shù)诙嘣诰w內(nèi)呈彌散分布時，一方面相界（即晶界）面積顯著增多并使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而使滑移抗力增加。但更重要的是這些第二相質(zhì)點本身成為位錯運(yùn)動的障礙物。阻礙了位錯的運(yùn)動，提高了變形抗力。第40頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第二相質(zhì)點以兩種明顯的方式阻礙位錯的運(yùn)動。當(dāng)位錯運(yùn)動遇到第二相質(zhì)點時：質(zhì)點被位錯切開（軟質(zhì)點）；質(zhì)點阻攔位錯而迫使位錯只有在加大外力的情況下才能通過。第41頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)質(zhì)點小而軟，或為軟相時，位錯能割開它并使其變形，如圖所示，這時加工硬化小，但隨質(zhì)點尺寸的增大而增加。第42頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四位錯切割第二相粒子示意圖電鏡觀察第43頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)質(zhì)點堅硬而難于被位錯切開時，位錯不能直接越過這種第二相質(zhì)點，但在外力作用下，位錯線可以環(huán)繞第二相質(zhì)點發(fā)生彎曲，最后在質(zhì)點周圍留下一個位錯環(huán)而讓位錯通過。使位錯線彎曲將增加位錯影響區(qū)的晶格畸變能，增加位錯移動的阻力，使滑移抗力提高。位錯線彎曲的半徑越小，所需外力越大。第44頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四顆粒釘扎作用的電鏡照片第45頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四因此，在第二相數(shù)量一定的條件下，第二相質(zhì)點的彌散度越大（分散成很細(xì)小的質(zhì)點），則滑移抗力越大，合金的強(qiáng)化程度越高（因為位錯線的彎曲半徑，取決于質(zhì)點間距離，質(zhì)點細(xì)化使質(zhì)點數(shù)目增多而質(zhì)點空間間距減?。?。但應(yīng)注意，第二相質(zhì)點細(xì)化，對合金強(qiáng)化的貢獻(xiàn)是有一個限度的，當(dāng)質(zhì)點太細(xì)小時，質(zhì)點間的空間間距太小，這時位錯線不能彎曲，但可“剛性的”掃過這些極細(xì)小的質(zhì)點，因而強(qiáng)化效果反而降低。第46頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第二相呈彌散質(zhì)點分布時，對合金塑性、韌性影響較小，因為這樣分布的質(zhì)點幾乎不影響基體相的連續(xù)性。塑性變形時第二相質(zhì)點可隨基本相的變形而“流動”，不會造成明顯應(yīng)力集中，因此，合金可承受較大的變形量而不致破裂。第47頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

(六)、塑性變形對組織和性能的影響

1、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。第48頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%第49頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，會使絕大部分晶粒的位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無第50頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象第51頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四2、加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅第52頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四冷塑性變形與性能關(guān)系第53頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生加工硬化的原因是：（分析）1、隨變形量增加，位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加。2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。3.隨變形量增加,空位密度增加。變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵第54頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四加工硬化的結(jié)果:給金屬的進(jìn)一步加工帶來困難。解決的辦法：

在加工過程中安排一些中間退火工序，通過加熱消除其加工硬化現(xiàn)象，以恢復(fù)它進(jìn)一步變形的能力。第55頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四加工硬化使金屬材料的塑性韌性下降，強(qiáng)度、硬度增加，是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強(qiáng)化的純金屬和合金尤為重要。例如（1）冷拉高強(qiáng)度鋼絲、冷卷彈簧等主要是利用冷加工變形來提高它們的強(qiáng)度和彈性極限。（2）坦克和拖拉機(jī)的履帶、破碎機(jī)的額板、鐵路的道岔等都是利用加工硬化來提高它們的硬度及耐磨性。第56頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四加工硬化不僅使材料的機(jī)械性能發(fā)生顯著變化，而且物理、化學(xué)性能也會發(fā)生顯著變化，如電阻率增加、耐腐蝕性降低等，所有這些在設(shè)計和制造各種金屬零件或制品時應(yīng)予以充分考慮。第57頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四3、殘余內(nèi)應(yīng)力

:內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時,內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中.內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。第58頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬化學(xué)不穩(wěn)定性增加、耐蝕性下降，例如，冷加工后的黃銅，由于存在內(nèi)應(yīng)力，在氨氣、銨鹽、汞蒸氣以及海水中會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破裂（又稱“季節(jié)病”）；高壓鍋爐、鉚釘發(fā)生的腐蝕破裂等等。還會引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。第59頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四除此之外，冷變形還會使金屬的導(dǎo)熱性降低。如銅冷變形后，其導(dǎo)熱性降低到78%。冷變形還可能改變金屬材料的磁性。金屬經(jīng)冷變形后，密度下降(如圖)。冷變形還會使金屬的電阻發(fā)生變化，一般而言，冷變形使金屬電阻有所增加（約百分之幾），但增加的程度則隨金屬而異。

8.928.918.908.898.888.872040608010012密度變形程度與密度的關(guān)系第60頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四4、回復(fù)與再結(jié)晶（1）冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化：金屬經(jīng)冷變形后,外力所做的功有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中,使材料的內(nèi)能增加，處于高能量狀態(tài)的冷變形金屬組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。固一旦對金屬加熱，可使原子擴(kuò)散能力增加，便必然會發(fā)生一系列組織和性能的變化，隨著加熱溫度的不同，大致可以分為三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。

加熱溫度℃黃銅第61頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四回復(fù)：回復(fù)是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等，使材料處于一種低能狀態(tài)。由于位錯運(yùn)動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，，亞晶界的形成使一個變形晶粒內(nèi)部產(chǎn)生許多亞晶粒，這一過程稱多邊形化。第62頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。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)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。第63頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四再結(jié)晶：當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱第64頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結(jié)晶組織第65頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四總結(jié)：再結(jié)晶過程也是通過成核、長大過程來實現(xiàn)的。當(dāng)變形金屬被加熱到一定溫度時，原子的活動能力教強(qiáng)，會在變形晶粒的晶界或晶粒內(nèi)部的亞晶界處以不同于一般結(jié)晶的特殊成核方式產(chǎn)生新晶核，隨著原子的擴(kuò)散移動，新晶核的邊界不斷向變形的原晶粒中推進(jìn)，使新晶核不斷消耗變形晶粒而長大。最終是一批新的等軸晶粒取代了原先變形的晶粒，完成了一次新的結(jié)晶過程。但是，它沒有發(fā)生晶格類型的變化，只是晶體形態(tài)和大小的變化。也可以說，只有顯微組織變化而沒有晶格結(jié)構(gòu)，故稱為再結(jié)晶。結(jié)論：

再結(jié)晶也是成核、長大過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。第66頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四再結(jié)晶后的晶粒長大：再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第67頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低。原子穿過晶界擴(kuò)散晶界遷移方向第68頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第69頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（2）再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是隨著溫度的升高而大致從某一溫度開始進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。（沒有經(jīng)過冷加工變形的金屬在加熱時是不會發(fā)生再結(jié)晶的）580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶第70頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四T再與ε的關(guān)系影響再結(jié)晶溫度的因素為：1、金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系:T再≈0.4T熔

其中T再、T熔為絕對溫度.金屬熔點越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃第71頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.第72頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四3、再結(jié)晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生；延長加熱時間,使原子擴(kuò)散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。為縮短退火周期，再結(jié)晶退火溫度常定為最低再結(jié)晶溫度以上100~200℃。第73頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

:1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響第74頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。第75頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。對于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān).第76頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四預(yù)先變形程度對再結(jié)晶晶粒尺寸的影響變形83%變形88%變形93%第77頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四綜合以上加熱溫度和變形度兩個因素對再結(jié)晶后晶粒度的影響于一個立體圖中，該圖稱為再結(jié)晶全圖。再結(jié)晶全圖:是制訂金屬加工變形與退火工藝的重要參考資料.第78頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四冷加工與熱加工的區(qū)別:在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。第79頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四四、陶瓷材料的力學(xué)性能：(1)剛度

陶瓷剛度（由彈性模量衡量）各類材料中最高，因為陶瓷具有很強(qiáng)的化學(xué)鍵（離子鍵和共價鍵）。

各種常見材料的彈性模量和硬度材料彈性模量/MPa硬度/HV橡膠6.9很低塑料1380～17鋁合金72300～170

鋼207000

300～800陶瓷

70000~500000

～3000

氣孔降低彈性模量；溫度升高彈性模量也降低。陶瓷材料壓縮狀態(tài)的彈性模量一般大于拉伸狀態(tài)的彈性模量。第80頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四(2)硬度

陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強(qiáng)度高。

陶瓷硬度為1000HV～5000HV,淬火鋼為500HV～800HV,高聚物最硬不超過20HV。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低,但在高溫下仍有較高的數(shù)值。第81頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四(3)強(qiáng)度

晶界使陶瓷實