1、材料成型金属学全册配套最材料成型金属学全册配套最 完整精品课件完整精品课件(下）下） 材料成形金属学材料成形金属学 Physical metallurgy 绪绪 论论 Temperature () Absorbed energy (J) 0 100 200 300 -200 -150 -100 -50050 Requirement 材料成形材料成形 体积不变的成形体积不变的成形体积改变的成形体积改变的成形 轧轧 制制 挤挤 压压 铸铸 造造 焊焊 接接 涂涂 镀镀 旋旋 压压 连续成形连续成形零件成形零件成形 体积增加体积增加体积减少体积减少 锻锻 造造 冲冲 压压 拉拉 拔拔 机机 加加 切
2、切 割割 冶金类冶金类 机械类机械类 机械类机械类 本课程的目的和任务本课程的目的和任务 了解材料塑性变形的物理本质、变形机制物理本质、变形机制和和基本基本 规律规律； 掌握分析材料塑性变形中组织性能变化组织性能变化和缺陷缺陷的 基本方法； 为材料组织性能控制组织性能控制的研究打下良好的基础。 Physical Metallurgy pProcessing (compositions) microstructures properties (mechanical/physical/chemical) 成形（合金成分）成形（合金成分）-组织组织-性能性能 Properties 塑性变形塑性变形
3、形状/尺寸改变 组织/性能控制 ProcessingMicrostructure Performance Microstructure = Performance 材料结构的三个层次材料结构的三个层次 宏观宏观 细观细观 微观微观 mm mm nm 肉眼、放大镜肉眼、放大镜 显微镜显微镜 电子显微镜、电子显微镜、X X射线衍射射线衍射 铸锭 Al 铸锭 未加细化剂未加细化剂 加细化剂加细化剂 黄铜黄铜Brass (孪晶孪晶twins) TiAl金属间化合物金属间化合物 intermetallics High resolution Transmission Electron Microscope
4、 (HRTEM) pJuan Villegas, Ph.D. thesis (UConn MSE) advancing twin 001 110 Nickel alloy 性能控制性能控制 p强韧性能强韧性能 p冲压性能冲压性能 p电磁性能电磁性能 p热强性能热强性能 02040 6080% 变形程度 360 320 280 240 200 160 120 80 40 700 600 500 400 300 200 100 0 220 180 160 140 120 延 伸率 % 冲 击韧度/J cm -2 HB 强度极 限/MPa 强度极 限 布氏硬度 延 伸率 % 冲 击韧度 (a) cr
5、ystalline 晶体晶体 regular, repeating, and denser 规则、重复、致密 (b) noncrystalline 非晶非晶 more loosely packed and random 松散、无序 (a)body centered cubic 体心立方体心立方 (b) face centered cubic 面心立方面心立方 (c)hexagonal close packed 密排六方密排六方 晶体结构晶体结构 线缺陷线缺陷-位错位错 位错理论基础（位错理论基础（1） grain boundaries 面缺陷面缺陷 p位错的弹性理论： 应力场、应变能、相互作用
6、力 p位错的运动 p实际晶体中的位错 p位错的来源及实验基础 p位错理论的应用 p弹性变形弹性变形： 材料尺寸只发生暂时性改变。材料尺寸只发生暂时性改变。 具有可逆性。具有可逆性。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可 逆位移。逆位移。 Plastic Strain 塑性应变 塑性变形塑性变形： 应力超过弹性极限，材料发生的应力超过弹性极限，材料发生的 不可逆的永久变形。不可逆的永久变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。应力与应变的关系偏离虎克定律。 先发生弹性变形，后发生塑性变先发生弹性变形，后发生塑性变 形。形。 形状和尺寸的不可逆变化是
7、通过形状和尺寸的不可逆变化是通过 原子的定向位移实现的。原子的定向位移实现的。 塑性变形的主要机制塑性变形的主要机制:位错的运位错的运 动动. 塑性变形机制（塑性变形机制（2） 工业纯铁压缩变形工业纯铁压缩变形滑移线滑移线 孪生孪生 Twinning Twins can be produced when a shear force acts along twin planes 高温变形机理高温变形机理 扩散蠕变 diffusion creep 位错蠕变 dislocation creep 晶界滑动 grain boundary sliding 晶界迁移 grain boundary migra
8、tion 变形机理图 Deformation map p波浪 p边裂 p中心裂纹 p鳄裂 挤压制品的周期裂纹 金属塑性变形的宏观规律（金属塑性变形的宏观规律（3） 变形抗力变形抗力/ 塑性塑性 （4 / 5） 工程应力 工程应变 材料的力学性能材料的力学性能 断裂断裂 fracture （6） 韧性断裂 ductile 脆性断裂 brittle 断口形貌断口形貌 Fracture surface AlLi合金 冷轧/退火（TEM） 变形变形/回复回复/再结晶（再结晶（7） 动态再结晶动态再结晶 dynamic recrystalization Ti3Al合金压缩变形过程中的组织演变 强化机制强
9、化机制 p固溶强化固溶强化 p细晶强化细晶强化 综合利用综合利用 p析出强化析出强化 p应变强化应变强化 组织性能控制（组织性能控制（8） 控制轧制控制冷却 Thermo Mechanical Controlled Processing,TMCP Controlled Rolling(CR) Accelerated Cooling (AcC) 高性能钢 TMCP 强韧性能 Reheating temperature Mechanical properties of the steel (coiling temperature 550-600C) No. RT/ FRT/ s/MPab/MPa
10、5(%)s/b 1110078040550030.60.81 2120078050458924.20.86 (a)(b) 20m Microstructures of the experimental steel (FRT=780C) (a) sample 1(1100C); (b) sample 2 (1200C) 2m 0.5m 1m 2m 1m 0.5m (d)位错及析出物位错及析出物;(e)贝氏体形貌贝氏体形貌;(f)铁素体晶粒铁素体晶粒 (a)亚晶亚晶;(b)铁素体再结晶晶粒铁素体再结晶晶粒;(c)位错及析出物位错及析出物 带钢的TEM照片 铁素体：铁素体： DIFT/DRX fas
11、t cooling 强化机制强化机制： 细晶、固溶、细晶、固溶、 析出、亚晶析出、亚晶 冲压性能冲压性能 冷轧深冲板冷轧深冲板 汽车板汽车板：超深冲冷轧板、超深冲冷轧板、IF钢电镀锌钢板、钢电镀锌钢板、IF钢深冲电镀锌钢钢深冲电镀锌钢 板、烘烤硬化钢、汽车摩擦片用钢。板、烘烤硬化钢、汽车摩擦片用钢。 家电用钢家电用钢：家电用电镀锌、耐指纹板、热镀锌板、彩涂板、彩家电用电镀锌、耐指纹板、热镀锌板、彩涂板、彩 电框架用钢、冰箱内板、侧板和面板。电框架用钢、冰箱内板、侧板和面板。 疲劳疲劳/蠕变蠕变/持久性能持久性能 Space Shuttle F-2240Ti合金合金 High Thrust We
12、ight =Higher Acceleration 热强性能热强性能 材料科学的四要素材料科学的四要素 制备合成/加工工艺 成分/组织结构 材料固有性能 材料的使用性能 成分/组织结构 制备合成与加工工艺 材料的固有性能 材料的服役性能或使用性能 材料科学的五要素新说材料科学的五要素新说 成分/组织结构 材料的使用性能 制备合成/ 加工工艺 材料固有性能 环境 在原来四要素的基础 上，加入了环境环境要素， 强调必须考虑 和 ，达到可持 续发展的目的。 本课程内容本课程内容 p位错理论基础位错理论基础 p塑性变形机制塑性变形机制 p材料塑性变形的宏观规律材料塑性变形的宏观规律 p材料的变形抗力与
13、塑性材料的变形抗力与塑性 p材料的断裂材料的断裂 p变形、回复与再结晶变形、回复与再结晶 p材料的组织性能控制材料的组织性能控制 p先修课程：先修课程：金属学及热处理金属学及热处理、材料成形力学材料成形力学 p与同期与同期/后续课程的联系：材料组织性能控制后续课程的联系：材料组织性能控制综合 实验/ 材料成形工艺学材料成形工艺学/控制轧制控制冷却控制轧制控制冷却 教学参考书教学参考书 p材料科学基础材料科学基础 - 东北大学、上海交通大学、北 京科技大学 p位错理论及其应用位错理论及其应用，冶金工业出版社 pPhysical metallurgy 教学安排教学安排 课堂练习：课堂练习：2次(1
14、0%) 期中考试期中考试(10%) 习题课（学生上讲台）习题课（学生上讲台） 专业英语学习专业英语学习 微观组织控制微观组织控制创意无限创意无限！ 思考思考: 1.什么是金属什么是金属? 2.金属原子是如何结合到一起的金属原子是如何结合到一起的? 3.为什么不同原子的金属性能不同为什么不同原子的金属性能不同? 4.为什么同种原子的金属有时性能也不同为什么同种原子的金属有时性能也不同? 5.金属的内部组织结构是什么样子金属的内部组织结构是什么样子? 第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构 1.1 金属金属 n金属金属: 具有正的电阻温度系数的物质具有正的电阻温度系数的物质. n非金属非金属:
15、 具有负的电阻温度系数的物质具有负的电阻温度系数的物质. 1金属原子的结构特点金属原子的结构特点: 孤立的自由原子孤立的自由原子=带正电的原子核带正电的原子核+带负电的核外电子带负电的核外电子 核外电子核外电子=内层电子内层电子+外层电子外层电子 价电子价电子= 最外层的电子最外层的电子 金属原子的结构特点金属原子的结构特点: 外层外层 4个价电子个价电子; 正电性元素正电性元素. 非金属原子的结构特点非金属原子的结构特点: 外层外层4-7个价电子个价电子;负电性元素负电性元素. 过渡族金属原子的结构特点过渡族金属原子的结构特点: 化合价可变化合价可变. 二二.金属键金属键 离子键离子键: 氯
16、化钠氯化钠 共价键共价键: 金刚石金刚石 金属键金属键: 电子云电子云 三三.结合力与结合能结合力与结合能 原子间结合力原子间结合力= 原子间吸引力原子间吸引力+ 排斥力排斥力 do:平衡点平衡点, 吸引力吸引力 = 排斥力排斥力. 结合力结合力=0. dc: 最大结合力最大结合力 = 理论抗拉强度理论抗拉强度. 原子间结合能原子间结合能 = 原子间吸引能原子间吸引能+ 排斥能排斥能 do: 结合能最低结合能最低, 原子的势能最低、最稳定。原子的势能最低、最稳定。 EAB:原子间结合能原子间结合能 当大量原子结合成固体时，为使固态金当大量原子结合成固体时，为使固态金 属具有最低的能量，以保持其
17、稳定状态，大属具有最低的能量，以保持其稳定状态，大 量原子间必须保持一定的平衡距离，是固态量原子间必须保持一定的平衡距离，是固态 金属的原子趋于规则排列的重要原因金属的原子趋于规则排列的重要原因。 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶体晶体: 在三维空间作有规律的周期性排列的物质在三维空间作有规律的周期性排列的物质. 非晶体：内部原子是散乱分布的。非晶体：内部原子是散乱分布的。 在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转换。在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转换。 一一.晶体的特性晶体的特性 有一定熔点有一定熔点. 各向异性各向异性. 二.晶格与晶胞晶格与晶胞 阵点阵点(结点结点)： 原子（离子
18、、分子、原子群、分子群）抽象的几何点。原子（离子、分子、原子群、分子群）抽象的几何点。 空间点阵空间点阵(晶格晶格)： 用直线将阵点连接起来，构成一个描述晶体中原子排列用直线将阵点连接起来，构成一个描述晶体中原子排列 规律的规律的 三维空间格架。三维空间格架。 晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。 晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度，晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度，X、Y、Z轴为轴为a, b, c. 轴夹角：晶胞的棱边夹角，轴夹角：晶胞的棱边夹角，Y-Z、Z-X、X-Y为为 、 、 。 三三. 三种典型的金属晶体结构三种典
19、型的金属晶体结构 (一一) 体心立方晶格体心立方晶格-BCC(body centered cubic) 结构特点结构特点 原子半径原子半径 原子数原子数:1+1/8 x8=2 配位数配位数: 8 (与任一原子等距离、最近邻的原子总数）与任一原子等距离、最近邻的原子总数） 致密度：致密度：0.68 (K=nV1/V) (二二) 面心立方晶格面心立方晶格-FCC(face centered cubic) 结构特点结构特点: 原子半径原子半径 原子数原子数:1/8 x8 +1/2 x6 =4 配位数配位数:3x4=12 致密度致密度:0.74 (三三) 密排六方晶格密排六方晶格-HCP(hexago
20、nal close- packed) 结构特点结构特点 原子半径原子半径: a/2 原子数原子数:1/6 x 12+ x2 +3=6 配位数配位数:6+2x3=12 致密度致密度:0.74 c/a=1.633 (四四). 晶体中的原子堆垛方式和间隙晶体中的原子堆垛方式和间隙 密排面密排面:晶体中晶体中, 原子间最紧密排列的平面原子间最紧密排列的平面. 密排六方晶格密排六方晶格:底面底面; 面心立方晶格面心立方晶格: (111) 体心立方晶格体心立方晶格:(110) (次密排面次密排面) 1.晶体中的原子堆垛方式晶体中的原子堆垛方式 体心立方晶格体心立方晶格:ABABAB 面心立方晶格面心立方晶
21、格:ABCABCABC 密排六方晶格密排六方晶格:ABABAB 2.晶体中的间隙晶体中的间隙 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格 四四.晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数 晶向晶向u v w :晶体中晶体中,任意两个原子之间的连线所指的方向任意两个原子之间的连线所指的方向. 晶面晶面(h k l ):晶体中晶体中,由一系列原子所组成的平面由一系列原子所组成的平面. 1.晶向指数晶向指数 确定方法确定方法: 晶向族晶向族:原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向. 某一晶体中某一晶体中,一个晶向表示一组平行的原子分布
22、相同的直线一个晶向表示一组平行的原子分布相同的直线. 若两个晶向数字和顺序相同若两个晶向数字和顺序相同, 但是符号但是符号(正负号正负号)相反表示直线方向相反相反表示直线方向相反. 2.晶面指数晶面指数 确定方法确定方法 晶面族晶面族h k l :在同一晶体结构中在同一晶体结构中, 虽然空间位向不同虽然空间位向不同, 但是其原子排列但是其原子排列 的情况完全相同的所有晶面的情况完全相同的所有晶面. 某一晶体中某一晶体中,一个晶面表示一组平行的原子分布相同的一个晶面表示一组平行的原子分布相同的 平面平面. 若两个晶面数字和顺序相同若两个晶面数字和顺序相同, 但是符号但是符号(正负号正负号)相反表
23、相反表 示两组晶面平行示两组晶面平行. 3. 六方晶系的晶向指数和晶面指数六方晶系的晶向指数和晶面指数 晶向晶向u v t w , t= -(u+v) 晶面晶面(h k i l ), i= -(h+k) 4.晶向指数和晶面指数的关系晶向指数和晶面指数的关系 五五. 晶体的各向异性晶体的各向异性 (原因原因:原子在不同晶向上的紧密程度不同原子在不同晶向上的紧密程度不同) 多晶体多晶体 伪等向性伪等向性 六六. 多晶型性多晶型性 多晶型转变多晶型转变 (同素异构转变同素异构转变) 立方结构的晶体中立方结构的晶体中, 当当晶向晶向u v w 平行平行(位于位于)晶面晶面(h k l )时时,满足满足
24、: hu+kv+lw = 0 当当晶向晶向u v w 垂直晶面垂直晶面(h k l )时时,满足满足: h=u; k=v; l=w 1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 晶体缺陷晶体缺陷:一些原子偏离规则排列的不一些原子偏离规则排列的不 完整区域完整区域. 晶体缺陷类型晶体缺陷类型: 点缺陷点缺陷,面缺陷面缺陷,线缺陷线缺陷. 一一.点缺陷点缺陷 (一一) 空位空位 形成形成; 运动运动;消失消失; 作用作用: 扩散扩散 晶体畸变晶体畸变: (二二)间隙原子间隙原子 (三三)置换原子置换原子 二二.线缺陷线缺陷-位错位错 刃型位错刃型位错, 螺型位错螺型位错. (一一) 刃型位错刃型位
25、错 位错线位错线 分类分类: 正正(负负)刃型位错刃型位错 形成形成:切应力切应力 滑移面滑移面 应力场应力场: 刃型位错与间隙刃型位错与间隙(置换置换)原子的相互作用原子的相互作用 刃型位错的特征刃型位错的特征 1.刃型位错有一个额外的半原子面刃型位错有一个额外的半原子面. 2.位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道, 有正应变有正应变, 也有切应变也有切应变. 对于正刃型位错对于正刃型位错,滑移面上的晶格受压应力滑移面上的晶格受压应力, 滑移面滑移面 下的晶格受拉应力下的晶格受拉应力. 3.位错线与晶体滑移的方向相垂直位错线与晶体滑移的方向
26、相垂直, 既位错运动方向垂直于位错既位错运动方向垂直于位错 线线. (二二) 螺型位错螺型位错 形成形成:切应力切应力 分类分类:左左(右右)螺型位螺型位 错错 右右(左左)手法则手法则:拇指拇指 代表螺旋的前进方向代表螺旋的前进方向, 其余四指代表螺旋的其余四指代表螺旋的 旋转方向旋转方向. 螺型位错的位错线平螺型位错的位错线平 行于晶体滑移方向行于晶体滑移方向. 螺型位错特征螺型位错特征 1.螺型位错螺型位错 没有额外半原子面没有额外半原子面. . 2.2.螺型位错螺型位错 线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道, , 只有切应只有切应 变变, ,
27、无正应变无正应变. . 3.3.位错线与滑移方向平行位错线与滑移方向平行, , 位错线运动的方向与位错线垂直位错线运动的方向与位错线垂直. . (三三) 柏氏失量柏氏失量 概念概念:一个表示位错性一个表示位错性 质质, 晶格畸变的大小和晶格畸变的大小和 方向的矢量方向的矢量. 确定方法确定方法:三个步骤三个步骤. 柏氏失量确定位错类型柏氏失量确定位错类型 位错线方向位错线方向(习惯正向习惯正向): 由里向外由里向外, 由左向右由左向右, 由下向上由下向上. 刃位错确定方法刃位错确定方法:如图如图 螺位错确定方法螺位错确定方法:柏氏失量与位错方向相同的为右螺型位错柏氏失量与位错方向相同的为右螺型
28、位错, 相反者为左螺型相反者为左螺型. 柏氏失量重要特性柏氏失量重要特性 1.判断位错类型。位错线与柏氏失量垂直是刃位错，位错线与柏氏失量平判断位错类型。位错线与柏氏失量垂直是刃位错，位错线与柏氏失量平 行是螺位错。行是螺位错。 2.表示位错区晶格畸变总量的大小。表示位错区晶格畸变总量的大小。 3.表示晶体滑移的方向和大小。表示晶体滑移的方向和大小。 4.一个位错的柏氏失量是恒定的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的一个位错的柏氏失量是恒定的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的 位置无关。位置无关。 5.刃型位错线与柏氏失量垂直，它们构成的滑移面只有一个；螺型位错线刃型位错线与柏氏失量垂直，它
29、们构成的滑移面只有一个；螺型位错线 与柏氏失量平行，它们构成的滑移面无限个。与柏氏失量平行，它们构成的滑移面无限个。 混合型位错混合型位错： 当柏氏矢量和位错线交成任意角度时，当柏氏矢量和位错线交成任意角度时， 则位错是刃型和螺型位错的则位错是刃型和螺型位错的 混合型。混合型。 (四四) 位错密度位错密度 =L/V V:晶体体积晶体体积; L:晶体中位错线的总长度，晶体中位错线的总长度， 单位：单位： m-2; 三三.面缺陷面缺陷 (一一)晶体表面：指金属同外部介质相接触的界面。晶体表面：指金属同外部介质相接触的界面。 表面能：表面层产生晶格畸变，使其能量升高，单位面积上升高的能量叫表面能：表
30、面层产生晶格畸变，使其能量升高，单位面积上升高的能量叫 比表面能，简称表面能。比表面能，简称表面能。 影响表面能的因素：外部介质，裸露面原子密度，晶体表面的曲率等。影响表面能的因素：外部介质，裸露面原子密度，晶体表面的曲率等。 (二二) 晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面。晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面。 大角度晶界：位向差大于大角度晶界：位向差大于10度。度。 小角度晶界：位向差小于小角度晶界：位向差小于10度。度。 (三三)亚晶界：每个晶粒内，存在位向很小的亚结构，亚结构间的界面叫。亚晶界：每个晶粒内，存在位向很小的亚结构，亚结构间的界面叫。 (四四) 堆垛层错堆垛层错
31、： 实际晶体中，晶面堆跺顺序发生局部差错而产实际晶体中，晶面堆跺顺序发生局部差错而产 生的晶体缺陷。生的晶体缺陷。 层错能层错能： 堆垛层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能堆垛层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能 量升高，产生单位量升高，产生单位 面积层错所需要的能量叫。面积层错所需要的能量叫。 (五五) 相界相界： 具有不同晶体结构的两相间的分界面。具有不同晶体结构的两相间的分界面。 共格相界；共格相界； 半共格相界；半共格相界； 非共格相界。非共格相界。 (六六)晶界的特性晶界的特性 第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶 p结晶结晶: 金属由液态转变为固态的过程叫凝固金属由液态转变为固态
32、的过程叫凝固, 由于凝固后的固态金由于凝固后的固态金 属一般是晶体属一般是晶体, 所以这一转变过程也叫结晶所以这一转变过程也叫结晶. 2.1 金属结晶的现象金属结晶的现象 1结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象 (一一) 过冷现象过冷现象 过冷度过冷度:金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度 Tn(熔点熔点)与理论结晶温度与理论结晶温度 Tm之差之差( T). T= Tm- Tn 过冷度影响因素过冷度影响因素: 金属的本金属的本 性和纯度性和纯度, 冷却速度冷却速度. (二二) 结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热: 一摩尔物质从一一摩尔物质从一 个相转变为另一个相时个相转变为另一个相时, 伴伴
33、随着放出或吸收的热量随着放出或吸收的热量. 熔化潜热熔化潜热: 金属熔化时金属熔化时,从固从固 相转化为液相放出的热量相转化为液相放出的热量. 结晶潜热结晶潜热: 金属结晶时金属结晶时, 从液从液 相转化为固相放出的热量相转化为固相放出的热量. 二二. 结晶过程的微观过程结晶过程的微观过程 结晶过程结晶过程: 孕育期孕育期-晶核形成晶核形成-晶核长大晶核长大. 问题问题: 1.液态金属能否在理论结晶温度下结晶液态金属能否在理论结晶温度下结晶? 2.过冷度在金属结晶过程中起什么作用过冷度在金属结晶过程中起什么作用? 2.2 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 液固相的自由能差液固相的自由能
34、差, 就是转变的驱动力就是转变的驱动力: 热力学第二定律热力学第二定律: 在等温等压条件下在等温等压条件下, 物质系统总是物质系统总是 自发第从自由能较高的状态向自由自发第从自由能较高的状态向自由 能较低的状态转变能较低的状态转变. 当当T Tm 时时, Gv=Lm T/ Tm Tm 理论结晶温度理论结晶温度; Lm 熔化潜熔化潜 热热. 过冷度过冷度 T 越大越大, 相变驱动力越大相变驱动力越大. Gv 单位体积自由能变化单位体积自由能变化; Gs 固态金属自由能固态金属自由能; GL 液态金属自由液态金属自由 能能. 2.3 金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件: 结构起伏结构起伏(相起伏
35、相起伏) 结晶结晶: 大的过冷度大的过冷度-尺寸较大的相起伏尺寸较大的相起伏 (晶胚晶胚) -晶核形成晶核形成-晶核长大晶核长大. 近程有序近程有序: 液体中的小范围内液体中的小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团存在着紧密接触规则排列的原子集团, 但是在大范围内原子但是在大范围内原子 却是无序排列的却是无序排列的. 远程有序远程有序: 在晶体中在晶体中,大范围内的原子呈有序排列大范围内的原子呈有序排列. 结构起伏结构起伏(相起伏相起伏): 在液态金属中在液态金属中,近程有序的原子集团处于瞬间出现近程有序的原子集团处于瞬间出现, 瞬间消失瞬间消失,此起彼伏此起彼伏, 变换不定的状态中变换不
36、定的状态中, 仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样, 这种不断变这种不断变 化的近程有序原子集团化的近程有序原子集团,叫叫 2.4 晶核的形成晶核的形成 一一.均匀形核均匀形核 (均质形核均质形核 或或 自发形核自发形核) 自由能变化自由能变化: 既既: 临界晶核半径临界晶核半径 既既: : 形核方式形核方式: 均匀形核均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率相同液相中各个区域出现新相晶核的几率相同. 非均匀形核非均匀形核: 新相优先出现于液相中的某些区域新相优先出现于液相中的某些区域. (一一)形核时的能量变化形核时的能量变化
37、 G和临界晶核半径和临界晶核半径 rK V:晶胚的体积晶胚的体积; S: 表面积表面积; GV; 液固两相单位体液固两相单位体 积自由能差积自由能差; S: 单位面积的表面能单位面积的表面能. T:过冷度过冷度; Tm 理论结晶温度理论结晶温度; Lm 熔化潜热熔化潜热. 当当r rK时时, 随晶胚尺寸增大随晶胚尺寸增大, 自由能降低自由能降低, 晶晶 胚比较容易形成晶核胚比较容易形成晶核. 当当r= rK时时,晶胚可能消失晶胚可能消失,也可能长大形成晶核也可能长大形成晶核. 过冷度过冷度 T越大越大, 临界形核半径临界形核半径rK越小越小. 最大相起伏最大相起伏(晶胚晶胚)尺寸尺寸rmax越
38、越 大大. 当当 T TK时时, rmax rK, 尺寸较大的晶胚能够形成晶核尺寸较大的晶胚能够形成晶核. (二二) 形核功形核功 能量起伏能量起伏:在一定温度下在一定温度下, 系统有一定的自由能系统有一定的自由能, 这是指宏观平均能量这是指宏观平均能量. 但但 是在微区是在微区 各处的能量此起彼伏各处的能量此起彼伏,变化不定变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象微区能量偏离平衡能量的现象, 叫叫 形核功形核功: 形成临界晶核时形成临界晶核时, 体积自由能的下降只补偿了表面能的体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3, 还还 有有1/3的表面能需要另外供给的表面能需要另外供给, 既需要对形核作功既
39、需要对形核作功, 这部分功叫这部分功叫. 形核功与过冷度的关系形核功与过冷度的关系: 过冷度增大过冷度增大, 临界形核功显著降低临界形核功显著降低, 结晶过程容易进行结晶过程容易进行. 晶核形成晶核形成 = 过冷液体中的相起伏过冷液体中的相起伏 + 能量起伏能量起伏 (三三) 形核率形核率 形核率的影响因素形核率的影响因素: 形核功形核功 ; 扩散扩散. 二二.非均匀形核非均匀形核(异质形核异质形核 或或 非自发形核非自发形核) (一一)临界晶核半径和形核功临界晶核半径和形核功 体系自由能变化体系自由能变化: 临界晶核半径临界晶核半径: 形核功形核功: =0, GK=0. 不需要形核功不需要形
40、核功, 液体中的固体相质点就是现成的晶核液体中的固体相质点就是现成的晶核, 可可 以在上面直接结晶长大以在上面直接结晶长大. =180o, GK= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. 0 180o, GK2H/d2 只产生表面变形，中间层金属塑性只产生表面变形，中间层金属塑性 变形很小或不塑性变形。变形很小或不塑性变形。 区：圆柱体形状；垂直单向压应区：圆柱体形状；垂直单向压应 力；力； 均匀塑性变形或弹性变形。均匀塑性变形或弹性变形。 双鼓双鼓单鼓条件：变形程度单鼓条件：变形程度， H/dH/d，两个难变形锥，两个难变形锥区靠近时。区靠
41、近时。 影响因素：压下率、接触摩擦、变影响因素：压下率、接触摩擦、变 形区的几何因素、变形速度等形区的几何因素、变形速度等 三、侧面翻平现象三、侧面翻平现象 由于接触摩擦的作用，在由于接触摩擦的作用，在 出现单鼓形的同时出现的侧出现单鼓形的同时出现的侧 表面金属局部地转移到接触表面金属局部地转移到接触 表面上来的现象。表面上来的现象。 原侧面上原侧面上aaaa和和bbbb镦粗后转移到端面镦粗后转移到端面 形成条件形成条件 p侧表面面积减小量大于接触面面积增加量。侧表面面积减小量大于接触面面积增加量。 p接触面积的增加接触表面上金属质点滑动侧接触面积的增加接触表面上金属质点滑动侧 面质点翻平面质
42、点翻平 影响因素影响因素 p接触摩擦条件；接触摩擦条件； p变形物体的几何尺寸变形物体的几何尺寸 四、粘着现象四、粘着现象 粘着区粘着区圆柱体镦粗，若接触圆柱体镦粗，若接触 摩擦较大和高径比摩擦较大和高径比H/dH/d较大时，较大时， 在端面中心部位有一区域，金属在端面中心部位有一区域，金属 质点对工具完全不产生相对滑动质点对工具完全不产生相对滑动 而粘着在一起。而粘着在一起。 难变形区难变形区以粘着区为基底的以粘着区为基底的 圆锥形或近似圆锥形的体积。圆锥形或近似圆锥形的体积。 圆柱体镦粗时出现的粘圆柱体镦粗时出现的粘 着区及难变形区示意图着区及难变形区示意图 影响因素影响因素变形区几何因素
43、、变形区几何因素、 接触摩擦接触摩擦 全粘着全粘着 在接触摩擦较大，在接触摩擦较大，H/dH/d增加到一定程度，接增加到一定程度，接 触表面上不存在变形金属质点与工具间的相对滑触表面上不存在变形金属质点与工具间的相对滑 动，即无滑动区时，接触面的面积增加仅由侧面动，即无滑动区时，接触面的面积增加仅由侧面 金属的翻平造成。金属的翻平造成。 全滑动全滑动 接触摩擦较小，接触摩擦较小，H/dH/d减小到一定程度时，粘着减小到一定程度时，粘着 区完全消失，接触表面为全滑动区。区完全消失，接触表面为全滑动区。 五、接触表面上应力分布不均五、接触表面上应力分布不均 试件边缘的应力等试件边缘的应力等 于变形
44、金属的屈服点，于变形金属的屈服点， 由于接触摩擦的作用，由于接触摩擦的作用， 由边缘向中心应力逐渐由边缘向中心应力逐渐 增高。增高。 随随H/dH/d减小，压力差增大，减小，压力差增大， 原因：原因： H/d=1 H/d=1时，接触面上时，接触面上 出现滑动。出现滑动。 假设将变形体由外至内分成假设将变形体由外至内分成 许多薄层，编号分别为许多薄层，编号分别为1 1、2 2、3 3等。等。 1 1层：受压力作用后，不仅本身变层：受压力作用后，不仅本身变 形，而且由于摩擦，形，而且由于摩擦，1 1层还要给层还要给2 2 层压力；层压力； 2 2层：变形时不仅本身变形需要层：变形时不仅本身变形需要
45、 足够压力，而且还需克服足够压力，而且还需克服1 1层的阻层的阻 力。因此作用在力。因此作用在2 2层的单位压力比层的单位压力比 作用在作用在1 1层的大。层的大。 3 3层：变形时除本身变所需压力层：变形时除本身变所需压力 外，还需克服外，还需克服1 1层和层和2 2层给的阻力。层给的阻力。 因此因此3 3层变形时实际单位压力比层变形时实际单位压力比2 2 层大。层大。 以此类推，变形体单位压力由外以此类推，变形体单位压力由外 向内逐渐增大。向内逐渐增大。 3.3.金属塑性变形的宏观规律金属塑性变形的宏观规律 Macro Deformation Regularity of Metals 3.
46、3.2 3.3.2 变形物体的外端变形物体的外端 p外端（外区、刚端）外端（外区、刚端）：变形过程中某一瞬间变形物变形过程中某一瞬间变形物 体不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。体不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。 p外端与变形区直接相连，影响着变形区内金属的变外端与变形区直接相连，影响着变形区内金属的变 形、应力及速度的分布，而变形区金属的变形也会形、应力及速度的分布，而变形区金属的变形也会 影响到外端的一定区域。影响到外端的一定区域。 p外端的种类：外端的种类：封闭形外端封闭形外端和和非封闭形外端非封闭形外端。 一、封闭形外端一、封闭形外端 p被压缩体积的变形要影响到外被压缩
47、体积的变形要影响到外 端的一定区域；端的一定区域； p外端会阻碍被压缩体积的向外外端会阻碍被压缩体积的向外 扩展。扩展。 p外端体积很小时，变形过程中外端体积很小时，变形过程中 在被压缩体积变形的影响下，在被压缩体积变形的影响下， 外端的高度减小（其程度向周外端的高度减小（其程度向周 边逐渐减弱）；边逐渐减弱）； p外端体积较大时，被压缩体积外端体积较大时，被压缩体积 变形难进行：可能把工具压入变形难进行：可能把工具压入 变形物体内，部分金属沿工具变形物体内，部分金属沿工具 周围挤出。周围挤出。 p封闭形外端可减小被压缩物体封闭形外端可减小被压缩物体 的不均匀变形，使其三向压应的不均匀变形，使
48、其三向压应 力状态增强，变形趋于均匀。力状态增强，变形趋于均匀。 封闭形外端下的塑压变形封闭形外端下的塑压变形 1-1-工件，工件，2-2-外端，外端，3-3-工具工具 二、非封闭形外端二、非封闭形外端（锻造延伸、拉拔等）（锻造延伸、拉拔等） 2 2）有外端有外端时：时： 纵向延伸纵向延伸：强迫地：强迫地“拉齐拉齐”作用。作用。 变形区中部：附加压应力，迫使自由延伸减小；变形区中部：附加压应力，迫使自由延伸减小； 上下端部：附加拉应力，迫使自由延伸增大；上下端部：附加拉应力，迫使自由延伸增大； 横向宽展横向宽展： 变形区中部：宽展增大；变形区中部：宽展增大； 上下端部：宽展减小上下端部：宽展减
49、小 外端使纵向变形不均匀性减小，横向变形不均匀性增外端使纵向变形不均匀性减小，横向变形不均匀性增 加。加。 矩形坯料局部压缩时外端对延矩形坯料局部压缩时外端对延 伸及宽展的影响伸及宽展的影响 1- 1-工具，工具， 2- 2-外端，外端，3- 3-变形区变形区 H/l2H/l2 1. 1.沿变形区高度方向：沿变形区高度方向： 1 1）无外端无外端时：单鼓变形。时：单鼓变形。 中部：延伸和宽展大；中部：延伸和宽展大； 上、下端部：延伸和宽展小。上、下端部：延伸和宽展小。 变形区的原始面积：变形区的原始面积：ABCDABCD 1 1）无外端无外端时：由时：由 ABCDABCDABCDABCD 2
50、2）有外端有外端时：由时：由ABCD ABCD ABCDABCD 沿变形区宽度方向（沿变形区宽度方向（BC, BC, 横横 向）：向）： 中部：纵向附加压应力，纵向中部：纵向附加压应力，纵向 延伸延伸 边部：纵向附加拉应力，纵向边部：纵向附加拉应力，纵向 延伸延伸 结果：结果：纵向变形趋于均匀纵向变形趋于均匀 沿变形区长度方向（沿变形区长度方向（AB, AB, 纵纵 向）：向）： 中部：远离外端，中部：远离外端，宽展大宽展大 边部：靠近外端，边部：靠近外端，宽展小宽展小 结果：结果：横向变形的不均匀性增加横向变形的不均匀性增加。 （ CD CD弧高度弧高度 CD CD弧高度）弧高度） 2. 2
