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加工硬化对中碳钢组织和性能的影响
实验目的:
通过金属材料实验全过程,根据给定的实验条件,自己设计实验方案,确定实验方法,选定实验器材,拟定实验操作程序,自己加以实现并对实验结果进行分析处理,是学生进一步加深对金属材料课程所学内容的理解,熟悉实验设备,掌握实验基本方法。提高动手能力和团队合作的意识,达到培养学生分析问题和进行科学研究能力的目的。
掌握金属材料塑性变形,热处理工艺,组织结构与性能之间的关系。
运用已学的金属材料理论知识,参考有关资料,以预定性能指标为依据,正确制定合理的实施方案。
课程内容:
,并选取实验材料;
,熟悉主要热处理设备的结构与炉温的控制仪表;
熟练掌握金相试样的制备方法,能使用金相显微镜观察,分析金相显微组织;
掌握金属力学性能及其影响因素;
选择电子万能试验机及硬度计,了解其特征和使用方法。
了解镶嵌机的使用及操作规程。
实验原理
金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下,晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动,这种变形方式称为滑移;在切应力作用下,晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形,且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系,这种变形方式称为孪生。
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后,外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹
性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形
塑性变形有两种形式:滑移和孪生。在多数情况下,金属的塑性变形是以滑移
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方式进行的。
(一)滑移
1)滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
滑移变形的特点:
⑴滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。
⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大,结合力最弱,产生滑移所需切应力最小。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
⑶滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的
整数倍。
2)滑移带
滑移的结果在晶体表面形成台阶,称滑移线,若干条滑移线组成一个滑移带。
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。
:①外力错动一力偶使滑移面转动一滑移面〃拉伸轴。
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②以滑移面的法线为转轴的转动f滑移方向〃最大切应力方向。
㈡孪生
孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。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。
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。
二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。而多晶体变形比单晶体复杂得多。
㈠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,从而使金属的塑性变形抗力提高。
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。
㈡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。
㈢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。因金属晶粒越细,晶界总面积越大,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。
金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。
因晶粒越细,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,
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因而其韧性也比较好。
通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶
强化。
冷塑性变形对金属组织与性能的影响
若金属在再结晶温度以下进行塑性变形,称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸,而且还将引起金属组织与性能的变化。
金属在发生塑性变形时,随着外形的变化,其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒,在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时,晶粒被显著地拉成纤维状,这种组织称为冷加工纤维组织。同时,随着变形程度的加剧,原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向,而形成了形变织构,使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。图3-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。
图3-1工业纯铁冷塑性变形后组织(150X)
a)变形程度20%b)变形程度50%c)变形程度70%
金属经冷塑性变形后,会使其强度、硬度提高,而塑性、韧性下降,这种现象称为加工硬化。此外,在金属内部还产生残余应力。一般情况下,残余应力不仅降低了金属的承载能力,而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。
冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化
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金属经过塑性变形,会发生加工硬化现象,而且内部产生残余内应力。为了去除内应力,或者为了消除加工硬化现象以便继续变形,需要对冷变形金属进行加热处理。由于变形金属内部存在严重的晶格畸变,原子处于不稳定状态,本身就有向稳定状态转变的倾向。加热时,原子的活动扩散能力提高了,促使其向稳定状态转变,并使金属的组织结构和性能发生变化。这种变化可分为回复(recovery)、再结晶
(recrystallization)和晶粒长大(graingrowth)这三个阶段,
。
冷变形时,外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内
部,这部分能量叫储存能,加热过程中,原子活动能力增强,
偏离平衡位置大,能量高的原子将向低能的平衡位置迁移,将
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储存能逐步释放出来,使内应力松驰,纯金属储存能释放少,\
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合金储存能释放多,储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。
回复是指冷变形金属在加热温度较低时,金属中的一些点缺陷和位错的迁移,使晶格畸变逐渐减小,内应力逐渐降低的过程。这时因为原子活动能力不大,所以金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化,因而其强度、硬度和塑性等机械性能变化不大,而只会使内应力及电阻率等理化性能显著降低。工业上,对冷变形后金属要保持其因加工硬化而提高的强度、硬度,又需消除残余内应力的,则可在低温回复阶段加热保温,以基本去除其内应力,这种热处理称为去应力退火。例如,用冷拉钢丝绕制弹簧,绕成后应在280〜300°C消除应力退火使其定形。
低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失,空位与间隙原子的相遇复合,空位集结形成空位对或空位片,使点缺陷密度大大下降。
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,位错可以在滑移面上猾移或交滑移,使异号位错相通相消,位错密度下降,位错缠结内部重新排列组合,使亚晶规整化。
高温回复,原子活动能力进一步增强,位错除滑移外,还可攀移。主要机制是多边化。冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积,致使晶格弯曲,所增殖的位错杂乱分布。
高温回复过程中,这些刃位错便通过攀移和滑移,由原来能量较高的水平塞积。
冷变形金属的加热温度高于回复阶段以后,当温度继续升高时,由于原子活动能力增大,金属的显微组织发生明显的变化,由破碎拉长或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒。这一过程实质上是一个新晶粒重新形核和长大的过程,故称为“再结晶”。再结晶以后,只是晶粒外形发生了变化,而晶格类型并未变,仍与原始晶粒相同。再结晶的晶核一般是在变形晶粒的晶界或滑移带及晶格畸变严重的地方形成,晶核形成后,依靠原子的扩散移动,向附近周围长大,直至各晶核长大到相互接触,形成新的等轴晶粒为止。通过再结晶,金属的显微组织发生了彻底的改变,故其强度和硬度显著降低,而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象得以消除,变形金属的所有机械和物理性能全部恢复到冷变形以前的状态。因此,再结晶在工业上主要用于金属在冷变形之后或在变形过程中,使其硬度降低,塑性升高,以便于进一步加工,这样的热处理称为再结晶退火。
小变形量的弓出形核机制当形量较小的,由于变形不均匀,相邻晶粒的位错密度相差可以很大,此时晶界中的一小段会向位错密度高的一侧突然弓出
(2)亚晶合并机制变形量较大的高层错能金属再结晶核心通过亚晶合并来产生的。
(3)亚晶蚕食机制
变形量很大的低层错能金属扩展位错宽度大,不易束集,交滑移困难,位错密度很高,在位错密度很大的小区域,通过位移的攀移和重新分布,形成位错密度很低的亚晶,这个亚晶便向周围位错密度高的区域生长。相应的,亚晶界的位错密度逐渐增大,亚晶与周围形高基体取向差逐渐变大,最终由小角度晶界演变成大角度晶界,大角度晶界一旦形成,可突然弓出,迁移,蚕食途中所遇位错,留下无畸高晶体,成为再结晶核心。
对恒温再结晶动力学人们作过大量研究。下图为纯铁经98%冷轧,。具有典型的形核,长大过程
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的动力学特征。等温温度越高,孕育期越短,再结晶速度越快。等温的每个温度下,再结晶
速度开始很小,随XV的增加而逐渐增大,并在大约50%处达到最大,然后又逐渐减小。
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再结晶完成以后,若再继续升高加热温度或过分地延长加热时间,金属的晶粒便会继续长大。因为通过晶粒长大可减少晶界的面积,使表面能降低,所以晶粒长大是一个降低能量的自发过程。只要温度足够高,使原子具有足够的活动能力,晶粒便会迅速长大。晶粒长大实际上是一个晶界迁移的过程,即通过一个晶粒的边界向另一晶粒的迁移,把另一晶粒中的晶格位向逐步转变为与这个晶粒相同的晶格位向,于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”,合并成一个大晶粒。
通常在再结晶后获得细小均匀的等轴晶粒的情况下,晶粒长大的速度并不很大,但如果原来的变形不均匀,经过再结晶后得到的是大小不均匀的晶粒,那么,由于大小晶粒之间的能量相差悬殊,便很容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象,从而得到异常粗大的晶粒,使金属的机械性能显著降低。为了区别于通常的晶粒正常长大,常把晶粒的这种不均匀急剧长大的现象称为“二次再结晶”。
,从整体上看,是晶粒长大前后总的界面能差。从个别晶粒长大的微观过程来说,晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。
温度温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下,晶粒长到极限尺寸后就不再长大,但提高温度后晶粒将继续长大。
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杂质与合金元素杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动。
第二相质点弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动,可使晶粒长大受到抑制。晶粒的异常长大异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶,是—种特殊的晶粒长大现象。发生异常长大的条件是,正常晶粒长大过程被分散相粒子,织构或表面热蚀沟等强烈阻碍,能够长大的晶粒数目较少,致使晶粒大小相差悬殊。晶粒尺寸差别越大,大晶粒吞食小晶粒的条件越有利,大晶粒的长大速度也会越来越快,最后形成晶粒大小极不均匀的组织。
二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织,从而降低了材料的强度与塑性。。
再结晶不是一个恒温过程,而是在一定的温度范围内进行的。工程上规定,大变形量(~70%以上)的冷变形金属经一小时保温,能完成再结晶(>95%转变量)的最低温度,称为该金属的再结晶温度。每种金属的再结晶温度都各不相同,即便是同一种金属,其再结晶温度也不是固定的,而是受到诸多因素影响:
冷变形程度:冷变形程度越大,金属畸变能越高,向低能量状态变化的倾向也越大因此再结晶温度越低,。当变形达到一定程度之后,再结晶温度将趋近某一最低极限值,称为“最低再结晶温度”。
实验证明,工业纯金属的熔点与最低再结晶温度之间有如下关系
T再-(〜)T熔
式中温度按热力学温度(绝对温度)计。
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保温时间:加热时保温时间越长,原子的扩散移动越能充分进行,再结晶温度就越低。
原始晶粒度:原始晶粒越粗大,变形阻力越小,变形后内能集聚较少,所以再结晶温度较高。
金属纯度及成分:金属中加入的合金元素或所含的杂质元素,常会阻碍原子的扩散与晶界的迁移,推迟再结晶的进行,因此金属的纯度低,可以明显提高再结晶温度。
考虑到以上各因素的影响,为了缩短退火周期,在工业上选择再结晶退火温度,一般比最低再结晶温度高100〜200°C。
变形金属在再结晶退火后得到的晶粒大小,不仅影响到金属的
强度和塑性,还影响到金属的韧性,因此控制再结晶后的晶粒大小
是非常重要的。影响再结晶
后晶粒大小的因素主要有以下几种:
(1)退火加热温度:再结晶退火时加热温度越高,金属的晶粒尺寸越大,。当加热温度一定时,时间过长也会使晶粒长大,但其影响不如温度的影响大。
冷变形程度:金属的冷变形程度是影响再结晶晶粒大小的另一重要因素。。当金属的冷变形量在2%〜10%的范围内时,再结晶后的晶粒会异常粗大。通常把再结晶时晶粒异常粗大所对应的冷变形量称为“临界变形量”。当变形量超过临界变形量后,随着变形量的增加,再结晶的晶粒逐渐变细。因此,为了获得优良的组织和性能,在制定压力加工工艺时,必须避免在临界变形量附近进行冷变形。
洛氏硬度试验的基本原理
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