金属学与热处理总结(下)

金属的塑性变形弹性模量：是晶体中原子间结合力的强弱与材料刚度相联系的量。刚度：材料产生弹性变形的难易程度。滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生相对滑动的结果。1.(要点)滑移应力在0~σe发生弹性形变，在σe~σs发生屈服(弹塑性变形)，在σs~σb发生纯塑性变形，在σb~σK发生缩颈。是特定晶面沿特定晶向发生的相对滑动。不发生结构的改变。a)滑移系：滑移面与该面上一个滑移方向的组合。滑移面总是原子排列最密的晶面，滑移方向也是原子排列最密的晶向；滑移系数目越多，材料越容易实现变形；通常塑性变形能力强弱：面心立方结构体心立方结构密排六方结构。原子数原子半径配位数致密度最密晶面最密晶向滑移系数目体心立方(bcc)2√3𝑎/480.68{011}1116x2=12面心立方(fcc)4√2𝑎/4120.74{111}1104x3=12密排六方(hcp)6a/2120.74{0001}-3b)滑移的临界分切应力：，其中为屈服极限，为外力与滑移方向的夹角，为力与滑移面的夹角。软取向：度时，为最小值，易滑移。硬取向：度或度时，为无穷大，滑移系无法开动。c)多滑移：两个或更多的滑移系上进行的滑移。交叉形滑移带。d)交滑移：两个或多个相交的滑移面沿同一滑移方向滑移，出现波纹状滑移带。e)滑移的位错机制：位错运动是晶体滑移的主要方式。特点：所需切应力小；原因：仅需少量原子的弹性偏移。f)位错交割与塞积是形变强化现象的源头，且与位错运动受阻有关。2.孪生把对称的两部分晶体称为孪晶，形成孪晶的过程称为孪生。一种特殊的塑性变形；晶体中有限宽度的部分产生一个均匀切变；切变得到孪晶；孪生不改变晶体结构，但改变有限区域内的晶体位向。孪生的特点：在切应力作用下发生，其临界切应力远大于滑移时。是一种均匀切变。孪晶有对称关系，在一定范围内改变了晶体的取向。3.(重点)多晶体塑性变形a)变形特点i.各晶粒变形不同时性；ii.晶粒间、晶粒内变形的不均匀性；iii.相邻晶粒变形的协调性。产生原因：位错在晶界处塞积；塞积应力场与外应力场叠加引起相邻晶粒的变形。b)晶粒大小对塑性变形的影响同种材料多晶体强度高于单晶体强度；平均晶粒越细小，多晶体强度越高。细晶强化：晶粒越细小，屈服强度、硬度越高，塑性与韧性越好。机理：1.位错塞积应力集中程度小，开动相邻晶粒的位错需要更高的外应力；2.变形不均匀程度小，晶粒间、晶粒内与晶界处因变形不均匀导致的应力集中减轻，材料不易断裂，变形能力高；3.单位体积晶界面积大，裂纹扩展阻力大，韧性好。4.(要点)合金的塑性变形a)单相固溶体的变形固溶强化：由于固溶体中存在着溶质原子，使得合金的强度，硬度提高，而塑性，韧性有所下降的现象。强化效果随溶质原子的加入量增加而增加。b)多相合金的塑性变形各相的性能、形态、分布、大小影响合金变形。i.两相均有一定塑性合金的变形能力取决于两相的体积分数，视为两相性能的混合。ii.塑性相+硬脆相合金变形能力取决于硬脆相的形态、大小、分布、数量。1.片状塑性相+片状脆性相(片状珠光体组织)减小片层尺寸，减小位错塞积，可使强度与塑性均提高。2.等轴状塑性相+颗粒状脆性相(粒状珠光体组织)a)脆性第二相不可变形时不可变形粒子对位错运动的阻碍作用，其粒子间距越小，变形抗力越大。b)脆性第二相可变形时可变形微粒对位错运动的阻碍作用：颗粒尺寸小，与基体有共格或半共格界面，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。5.(重点)塑性变形对金属组织与性能的影响a)显微组织与亚结构的变化i.组织：晶粒沿着变形方向伸长或压扁，变形量很大时形成纤维组织。ii.亚结构细化：随变形量增大，位错胞变多、变小，并逐渐成为细长的变形胞；位错密度提高，相互缠结在晶粒内形成胞状亚结构。iii.形成形变织构：各个晶粒在空间取向上逐渐趋于一致的组织状态。b)性能的变化i.加工硬化：强度（硬度）显著提高，而塑性韧性下降的现象。硬化机制：运动位错间交互作用。可以强化金属，实现金属成形工艺，但会增加冷成形加工过程的变形抗力(可通过退火消除)。ii.对其他性能的影响(略)c)残余应力变形功一部分转变为储存能，以各类残余应力的形式表现。一般有害应消除，但也可有特殊的强化效应——表面残余压应力提高疲劳强度。分类：i.宏观残余应力(第一类内应力)：由宏观变形不均匀性引起的，易导致工件变形ii.微观残余应力(第二类内应力)：由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性引起，易导致工件开裂。iii.点阵畸变(第三类内应力)：由点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的，引起晶体的强化并使之处于热力学不稳定状态。回复与再结晶(退火)退火时经历三个过程：回复、再结晶、晶粒长大。回复：指经过冷变形的金属在退火加热的过程中，于再结晶过程开始之前，仍保留着变形态组织特点的阶段。再结晶：指经过冷变形的金属退火过程中，于变形的基体中重新生成无畸变的等轴状的新晶粒的过程。总体过程：冷变形在金属材料内部产生了储存能，退火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。退火温度较低时，产生回复。储存能部分释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性能及显微组织均保持变形后的特点。退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全释放，加工硬化完全消除，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。再结晶完成后继续加热保温，晶粒会长大以降低晶界能。1.(重点)回复过程回复的驱动力是储存能，在回复过程中储存能部分释放。a)回复温度和时间的影响一定温度下回复时间越长，回复程度越大，但逐渐趋于极限值；回复温度越高，回复软化程度越大，且达到极限程度的时间越短。b)回复机理i.低温回复：点缺陷的迁移—点缺陷密度降低ii.中温回复：位错在滑移面上运动—位错密度有所降低，缠结位错重新排列iii.高温回复：位错滑移、攀移—多边化及多边形亚晶形成，亚晶粒尺寸增大回复过程中点缺陷数量降低；位错密度下降不多，但位错的分布有变化，处于应变能低的状况。c)回复退火的应用工业应用：去应力退火效果：保留加工硬化，降低应力，防止应力腐蚀开裂2.(重点)再结晶过程a)再结晶特点i.再结晶的驱动力是储存能；ii.再结晶阶段剩余储能全部释放；iii.加工硬化消除，可用于再结晶退火(中间退火)；iv.是形核与长大的过程，不改变晶体结构。b)再结晶形核再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形核。i.晶界弓出形核(塑性变形量40%)发生在晶界两侧位错密度差异较大处；晶界向位错密度高侧弓出后，可使储存能下降，形成无畸变的核心。ii.亚晶长大形核(变形量大且变形均匀)1.亚晶合并机制(高层错能金属)由于变形时有交滑移，位错密度相对低；亚晶通过各种作用合并，长大；亚晶界发展为大角度晶界，能迅速迁移；晶界迁移时扫清前方位错，留下无畸变的晶体成为再结晶核心。2.亚晶移动机制(低层错能金属)变形时没有交滑移，位错密度相对高；相邻亚晶界位向差大，加热时易迁移发展为大角度晶界；能迅速迁移，扫清前方位错，留下无畸变的晶体成为再结晶核心。c)再结晶晶核长大再结晶形核结束后，会进一步长大。长大驱动力为新晶粒与旧晶粒之间的应变能差。晶界背向其曲率中心方向移动，直到消耗完所有的畸变晶粒形成无畸变的等轴新晶粒时再结晶完成。d)再结晶温度再结晶温度：指冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。工业定义：以经过大变形量(70％以上)的冷变形金属，经1h退火能完成再结晶(转变量＞95％)所对应的温度定为再结晶温度。最低再结晶温度：再3再结晶退火温度比最低再结晶温度高100~200度。e)影响再结晶温度的因素总体影响规律：层错能越高，则再结晶越容易，再结晶温度越低。i.变形程度增加冷塑性变形的程度可以降低再结晶温度(最低为0.4Tm)。ii.微量溶质原子溶质原子会阻碍位错运动和晶界的迁移，提高再结晶温度。iii.原始晶粒尺寸原始组织细小，变形产生的储存能更大，降低再结晶温度。变形后的晶粒越细小，再结晶速度越快。iv.分散相(第二相)粒子细小弥散的第二相粒子一般阻碍亚晶界的迁移，故阻碍再结晶。v.再结晶退火工艺参数退火温度愈高，再结晶速度愈快；极慢的加热产生了大量的回复，再结晶温度上升；极快的加热，也会引起再结晶温度上升；(一定范围)延长保温时间，也会降低再结晶温度。f)再结晶晶粒大小的控制受到变形度、退火温度、成分等的影响。i.变形度影响变形度很小时,金属材料的晶粒仍保持原状.(畸变能过小)临界变形度：在能引起再结晶的最小变形度附近变形后，再结晶后的晶粒特别粗大，称为临界变形度(2~10%)。(两个峰值的曲线图P202)变形度超过临界变形度后，变形度越大，晶粒越小。ii.退火温度的影响提高退火温度：临界变形度减小，再结晶后晶粒粗大。3.晶粒长大晶粒长大：指再结晶结束后，细小的等轴晶通过晶粒相互吞并导致的长大的过程。a)正常长大(连续长大)i.晶界移动的驱动力与界面能成正比，与晶界的曲率半径成反比。ii.晶界迁移的方向总是指向曲率中心；大晶粒逐渐吞并相邻的小晶粒，晶界本身趋于平直化；三个晶粒晶界交角趋于120˚。iii.(重点)影响晶粒长大的因素总体影响规律：促进晶界迁移，则长大速度快。1.温度温度越高，长大越快，且一定温度下有一个极限尺寸。2.杂质与合金元素微量杂质元素含量越高，晶界迁移越慢。3.第二相(分散相)质点阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度。即分散相粒子的尺寸越小，再结晶的极限平均晶粒尺寸越小。4.晶粒间位向差位向差大者，晶界迁移快，晶粒易长大；位向差小者，晶界迁移慢，晶粒难长大；有织构的组织晶粒难以长大。b)晶粒异常长大——二次再结晶发生于变形度曲线的第二个峰值处，驱动力为晶界能的降低。二次再结晶与一次再结晶的区别：二次再结晶不是再结晶而是再结晶之后发生的不连续的晶粒长大；c)再结晶退火后的组织i.晶粒大小可用再结晶图来避开晶粒粗大区，选择超过临界变形度但又不发生二次再结晶的变形度。ii.再结晶织构由于再结晶退火所产生的择优取向；与形变织构可以相同或不同；大变形与高温退火易促进再结晶织构；产生各向异性。iii.退火孪晶在低层错能材料（Cu，奥氏体钢）中出现；与形变孪晶机理不同，与切变无关。、再结晶时的晶粒长大与再结晶后的晶粒长大的区别：二者的驱动力和晶界移动方向不同。再结晶时的晶粒长大的驱动力是储存能的释放，晶界移动方向背向曲率中心；再结晶后的晶粒长大是晶界能的降低的过程，晶界移动方向指向曲率中心。4.再结晶退火的应用效果：消除加工硬化，去除应力；应用：软化变形金属的中间退火；温度：最低再结晶温度以上100-200℃。5.金属的热加工(TT再)a)特点：硬化与软化同时存在，变形抗力小。b)软化机制：i.动态回复：高层错能金属与合金(Al及其合金，纯铁等)随着变形进行，硬化速度降低，直到实现在一个稳定应力下变形。变形金属内有异号位错的互毁和位错的重新分布。晶粒变形而亚晶粒为等轴状。ii.动态再结晶：低层错能金属(Cu及其合金，奥氏体不锈钢等)随着变形进行，硬化速度降低，软化，逐渐实现在一个稳定应力下变形。变形金属内发生再结晶，变形抗力小；晶粒变为等轴状。c)过程特点：热变形结束后，还可发生进一步的(静态)再结晶，消除储存能；热变形后快冷，可以保留较高位错密度和细小晶粒，强度高于静态再结晶组织；动态回复组织强度高于动态再结晶组织。d)(要点)对组织与性能的影响i.改善铸态组织缺陷焊合气孔、疏松，致密化；细化铸态组织；改善夹杂物与脆性相的形态、大小与分布；部分消除偏析。ii.形成热加工流线(纤维组织)及带状组织特点：纵向(沿纤维方向)，塑性、韧性增加；横向(垂直纤维方向)，塑性、韧性降低但抗剪切能力显著增强；纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大的抗剪切强度。应用：流线沿零件轮廓分布不中断；最大拉应力方向沿流线；最大剪应力方向垂直于流线。带状组织会引起各向异性，可由正火处理或控制变形在奥氏体单相区完成来消除。扩散过程固体中原子的运动方式包括机械运动(大量原子集体的协同运动)以及热运动(热振动和跳跃迁移)。扩散：由大量原子的热运动