《金属学》复习资料

《金属学》复习资料

影响因素：

1化学成分：纯金属具有较高塑性。 纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性。 若所含的元素形成化合物时，塑性降低。 塑性：面心立方>体心立方>六方晶格

2合金元素：Fe——化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。

C——碳含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围窄。

Mn——锰钢具有高加热速度敏感性。Mn可消除或减轻S和O的有害作用，使塑性提高。

S——仅微量溶于固溶体，以FeS、MnS等硫化物形式存在于钢中。含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢的塑性与变形温度有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，由于软化或熔化使晶间联系削弱，变形时易出现红脆。网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化物使塑性提高。

P——易出现冷脆，严重影响冷变形。对热变形影响不大。

O——也会产生红脆。FeO 、 Al2O3 、 SiO2,熔点低分布在晶界的共晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。

Si：以固溶体形式存在：对塑性影响不大，含量过高，塑性下降。以硅化物形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下降。

Ni、W、Mo：强度↑，塑性↓

Cr：塑性↓ ；

V：强度↑，塑性不变。含量高时，塑性↓；

Al：晶界形成AlN，塑性↓

Cu：塑性↑，还原气氛中加热，塑性↓；

B： <0.02% ，塑性好， 达到0.1%，塑性↓。多余B在晶界形成熔点低共晶体，降低塑性。

铅、锡、砷、锑、铋：低熔点元素，在钢种溶解度低，其中未溶解而剩余的元素，分布在晶界，加热时熔化，使金属失去塑性。高温合金中影响特别严重，称为“五害”。

H：含量少无影响；含量多冷速快时，白点；

N：含量少无影响；含量多时红脆。

稀土：塑性↑。原因：①减低气体含量； ②与有害杂质形成高熔点化合物抵消有害作用；③含硫量降低。加入量应适当。恰好抵消杂质的有害作用时，才能使塑性改善。过多时低熔点多余稀土元素聚集在晶界处起破坏作用。

3金属组织：一：金属宏观组织的影响：对铸态金属：如钢锭：宏观组织由三部分组成：表面层的细晶粒层、垂直于钢锭冷却表面的柱状晶、钢锭中心部分的粗大等轴晶。但对于不同化学成分的铸态组织，各部分组成有可能不同。例：奥氏体不锈钢：明显横晶宏观组织；铁素体钢：等轴晶粒；高速钢：细小的等轴晶。通常，铸态组织塑性

对变形后的金属：细晶组织具有更高的塑性。

二：金属微观组织的影响：在热加工条件下具有单一的奥氏体组织，而不存在其它过剩相时，将具有较高的塑性。

有过剩相存在时，或多或少会使钢与合金的塑性下降:

1)加热时熔解于固溶体中，降低塑性;

2)加热过程中仍然保存下来，降低塑性。

4变形的温度速度：随变形温度↑，塑性↑。

原因：温度↑，原子热运动的能量↑，滑移系↑，扩散性质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶解机构等）作用↑。同时，温度↑，软化作用↑，变形过程中产生的破坏和缺陷的恢复↑。

上述现象只是在一定条件下才是正确的，实际变形中，随温度变化而产生的相态和晶粒边界的变化对塑性有影响。通常，塑性与温度的关系曲线中会出现三个脆性区：低温脆性区、中温脆性区、高温脆性区。脆性区产生的原因是多方面的。

钢的四个低塑性区和三个高塑性区。

四个低塑性区：

Ⅰ区：塑性极低。-200℃时，接近0。原子热运动能力极低，也可能与晶粒边界的某些组织组成物的脆化有关。

Ⅱ区：蓝脆区，200~400 ℃ ；位错拉着Cottrell气团运动。当温度上升时，扩散速度增大，因此这种拉拽阻力也变大。

Ⅲ区：800~950 ℃ ，与相变有关，产生不均匀变形，塑性降低。也有人认为与S有关，并称之为红脆（热脆）区。

Ⅳ区：温度接近熔化温度，易过热或过烧，使晶间强度减弱，塑性↓。 三个高塑性区：

1区：100~200℃原因：原子热振动↑。

2区：700~800℃原因：发生再结晶、扩散。

3区：950~1250℃原因：具有均匀γ组织，充分软化。

完全硬化条件下变形速度对塑性的影响：随变形速度的升高，塑性降低。

粘性流动时变形速度对塑性的影响

在非常低的变形速度下，塑性降低。

第一次上升：随变形速度↑，晶粒边界上的粘性流动消失，变形抗力↑，滑移开始作用，塑性↑。

继续提高变形速度，塑性又开始下降：因为随变形速度↑，变形抗力升高，达到相应于更小变形程度下的断裂抗力之值。

第二次上升：热效应起作用，温度↑ ，变形抗力下降。

第二次下降：热效应极大，把金属加热到出现液相或大大降低其晶间物质的强度。

不同变形温度区间，温度-速度因素对塑性的影响：

一、低温塑性变形（冷变形）

范围：室温~开始再结晶温度（纯金属：0.3~0.4Tm；合金：≥0.5Tm），变形速度为10-4~10-3s-1时，塑性变形机构为滑移。

bcc、hcp：存在脆性转变温度，降低温度提高变形速度，滑移系减少，滑移作用↓，孪生作用↑，塑性↓。

fcc: 即使在更低温度变形，金属也不会变脆。

脆性转变温度区：宜低变形速度；

冷脆点在室温：宜低速；若变形金属的冷脆点在室温附近，低速变形可使冷脆点向更低温度移动；冷脆点高于室温：宜增加变形速度；增加道次压下率能使塑性升高，（热效应使轧件温度升高，超越了冷脆点） 二，中温塑性变形（温变形）：

上限：开始再结晶温度。基本塑性变形机构：晶内滑移。

bcc：塑性明显提高，但变形速度↑，塑性↓；

fcc 、hcp：由于相变，规律不同。

呈现形变时效现象，使变形抗力↑，塑性↓。

例：1）钢的兰脆：400 ℃ 2）难熔金属中特别是含过多O、N、C时，也出现形变时效。金属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质点有关， ↑变形速度，弥散硬化来不及形成，塑性不会↓。

变形温度↑，对fcc（如Cu、Ni、Al)，滑移系数变化较小，对塑性无影响。变形速度↑时，塑性↓不明显

三、高温塑性变形（热变形）：

↑变形温度，塑性↑。

红脆：0.5~0.8Tm，晶间断裂，塑性↓。这种高于再结晶温度时所出现的塑性下降现象称为红脆。一般含较多O、N、H、C夹杂。

成因：各种化合物在晶界上的偏析。夹杂偏析：扩散产生红脆；

易熔化合物（氧化物、硫化物）偏析：晶界熔化、晶界强度↓；

脆性化合物：（难熔金属和合金），阻碍晶界滑移，晶界连续变形遭破坏，导致晶间断裂。

变形速度↑，抑制红脆；

因为：抑制了控制晶间破坏的热活化扩散过程和减少晶间变形对总变形的贡献。在低变形速度和在红脆温度区间的具有最低塑性的温度条件下，杂质原子在应力的作用下的迁移加速。杂质沿晶界偏析，促使晶间断裂

温度为0.6~0.85TM（对钢为800~1200 ℃ ），塑性有最大值。超过此最大值后，由于过热（晶粒长大）使塑性下降。再继续升高温度，又由于过烧（晶界熔化和氧化）使塑性进一步下降。此温度区间，当变形速度为10-3~10-4秒-1时，塑性与变形速度关系曲线也有最大值。当继续增大变形速度，由于抑制扩散，塑性下降。

5变形的力学条件：

⑴应力状态的影响：①金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力状态时,其塑性有显著下降②当变形过渡到镦粗时，塑性提高

结论：金属在塑性变形中承受的应力状态对其塑性的发挥有显著的影响，静水压力值越大,金属的塑性发挥得越好.

⑵变形状态的影响：主变形图中压缩分量越多,对充分发挥金属的塑性越有利.

按主变形图排序塑性:两向压缩一向延伸>一向压缩一向延伸>两向延伸一向压缩

6其他条件： ⑴分散变形：是↑塑性的有效方法，特别适宜于低塑性钢与合金；

原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生应力小，不足以引起断裂。变形间隙中的软化，↑塑性。

⑵尺寸因素：随物体体积↑，塑性↓，达到一定值后不变。

1）组织因素：体积↑，缺陷分布不均匀性↑，应力分布不均匀性↑，引起塑性降低；

2）表面因素：体积越小，表面积（或接触表面积）与体积的比值越大，塑性越好；也取决于表面层和内层的力学状态和物理-化学状态。

⑶周围介质1）金属表面形成脆性相，塑性↓ ；

2）金属表层腐蚀，塑性↓ ；

3）金属表面形成吸附润滑层，塑性↑

31Griffth公式，推导（必考，老师说的）

能量平衡：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供给表面能的增加。

经弹性理论的计算，所形成裂纹所释放的弹性能为：

𝑼𝟏=𝝅𝑪𝟐𝝈𝟐𝑬

形成裂纹所增加的表面能为：

ccu4222

此时总能量的变化为：

𝑼𝟏+𝑼𝟐=−𝝅𝑪𝟐𝝈𝟐𝑬+𝟒𝑪𝜸

裂纹扩展的能量判据为：

0240)4(222EcEccdcd

由此求得裂纹扩展的临界应力为

2121)2(CEcEC

理论断裂强度为𝜎𝑚=(𝐸𝛾𝑎)12

两者相比：𝜎𝑚C=(𝐶𝑎)12

物理意义：裂纹两端所引起的应力集中，相当于把外力放大了(𝐶𝑎)12，使局部地区达到了理论断裂强度𝜎𝑚，而导致断裂。

32韧脆转变温度：

从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度

影响因素：

1拉应力 ↑ Tc↑；2应变速率 έ↑ Tc↑；3化学成分/组织d↓ Tc↓

晶粒细化

33冷塑性变形中组织变化规律：

显微组织：1纤维组织 2亚结构 3变形结构

34冷塑性变形中性能变化规律：

1加工硬化：金属在变形过程中随着变形程度的增加,强度和硬度明显增加,塑性迅速下降的现象

2各向异性：加工方式不同→不同织构 →不同方向上性能的差异

具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯边缘通常是比较平整的。具有结构的板材冲杯的边缘则出现高低不平的波浪形。把具有波浪形凸起的部位称为“制耳”，把由于织构而产生的制耳现象称为“制耳效应”

35冷变形金属的储存能：

金属在冷变形是所消耗的能量，大部分转变成热能而散失了，其中一小部分（不超过总能量的10%），当外力去除后，仍保留在金属的内部，被称为金属的储存能（或残留能）。

影响因素：1金属材料的内在因素 2 工艺条件

36冷塑性变形金属的加热规律：回复，再结晶，晶粒长大

37再结晶机制：1亚晶聚合，伴随着亚晶长大2高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核3变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大，晶界弓出

简单说：晶粒合并，晶界迁移，晶界弓出

38晶粒长大的机制是靠晶界迁移，晶界迁移的驱动力是再结晶晶粒与周围变形基体之间的应变能之差

再结晶形核的驱动力：再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差

晶粒长大的驱动力：界面能的降低