残余内应力残余内应力课件.ppt

1、跳转到第一页金属材料与热处理金属材料与热处理跳转到第一页2 2、实际金属的组织与结构、实际金属的组织与结构3、单晶体金属塑性变形、单晶体金属塑性变形4、位错运动、位错运动5 5、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构6、多晶体金属塑性变形、多晶体金属塑性变形跳转到第一页跳转到第一页1、晶体晶体：物质内部的原子作有序、有规则的排列：物质内部的原子作有序、有规则的排列 非晶体非晶体 ：在物质内部的原子呈无序堆积状况。：在物质内部的原子呈无序堆积状况。*一般固态金属都是晶体。一般固态金属都是晶体。2、晶格晶格：表示：表示晶体中原子排列形式的空间格子晶体中原子排列形式的空间格子3、晶胞晶胞：能够完整反

2、映晶格特征最小几何单元。：能够完整反映晶格特征最小几何单元。跳转到第一页晶格参数和晶面、晶向晶格参数和晶面、晶向晶格参数：晶格常数晶格参数：晶格常数a、b、c和棱边边夹角和棱边边夹角、晶面：在晶格中由一系列原子组成的平面。晶面：在晶格中由一系列原子组成的平面。晶向：在晶格中原子列的位向。晶向：在晶格中原子列的位向。跳转到第一页1、体心立方晶格：、体心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的中心和八个顶角上子排列在立方体的中心和八个顶角上。*金属有金属有-Fe、Cr、Mo、V等。等。晶格致密度晶格致密度：晶胞中原子所占有的体积与晶胞体积之比晶胞中原子所占有的体积

3、与晶胞体积之比晶格常数晶格常数晶胞中原子数目晶胞中原子数目最近原子间距致密度a1/88123 a/20.68跳转到第一页2、面心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原、面心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的六个面的中心和八个顶角上子排列在立方体的六个面的中心和八个顶角上。金属有金属有-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。等。晶格常数晶格常数晶胞中原子数目晶胞中原子数目最近原子间距致密度a1/881/26 42 a/20.74跳转到第一页单晶体：单晶体：晶格位向完全一致晶体晶格位向完全一致晶体。晶粒：晶粒：外形不规则，外形不规则，晶格位向一致的小晶体。晶格位向一致的小晶体。多晶体多晶体:

4、许多许多位向位向不同，外形不规则的小晶粒组成不同，外形不规则的小晶粒组成晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。单晶体单晶体与与多晶体多晶体跳转到第一页单晶体金属塑性变形单晶体金属塑性变形理论上整体滑移：每一个原子都移动。整体滑移所需的理论力远大于实际所需的力。跳转到第一页位错运动和孪生位错运动和孪生线缺陷线缺陷/位错位错：晶格中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排晶格中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。现象。位错运动机理：位错运动机理：位错的半原子面受到前后两边原子的排斥，处于不位错的半原子面受到前后两边原子的排斥，处于不稳定的状态，只需加很小的力

5、就能打破力的平衡，位错的半原子面稳定的状态，只需加很小的力就能打破力的平衡，位错的半原子面移动很小的距离（小于一个原子间距），达到虚线位置，使位错前移动很小的距离（小于一个原子间距），达到虚线位置，使位错前进一个原子间距。在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面。大进一个原子间距。在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面。大量位错移动到晶体表面，就形成宏观塑性变形。量位错移动到晶体表面，就形成宏观塑性变形。实际滑移通过实际滑移通过实现实现金属的塑性变形金属的塑性变形主要是由主要是由位错运动位错运动引起滑移完成。引起滑移完成。跳转到第一页实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构晶格畸变晶格畸变：晶格中原

6、子偏离平衡位置晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲使晶格发生扭曲 破坏了原子的平衡状态。破坏了原子的平衡状态。点缺陷点缺陷：晶格中存在空位、间隙原子、置换原子等晶格中存在空位、间隙原子、置换原子等点缺陷的存在，从而引起晶格畸变。点缺陷的存在，从而引起晶格畸变。性能变化：使金属的电阻率增加，强度、硬性能变化：使金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。度升高，塑性、韧性下降。跳转到第一页线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷/位错位错：晶格中某处有一列或若干列原子发生有晶格中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。规律的错排现象。常见的有刃型位错和螺型位错常见的有刃型位错和螺型位错金属的塑性变形

7、主要是由金属的塑性变形主要是由位错运动位错运动引起滑移形成。引起滑移形成。阻碍位错运动是强化金属的主要途径。阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。跳转到第一页面缺陷面缺陷面缺陷/晶界：晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。多晶体金属内各晶粒间的交界面。晶界晶界/大角晶界：相邻大角晶界：相邻晶粒位向相差晶粒位向相差15以上。以上。亚亚晶粒：在一个晶粒：在一个晶粒内部，晶格位向相差很小晶粒内部，晶格位向相差很小（2-3）的小晶。）的小晶。亚亚晶界晶界/小小角晶界：角晶界：跳转到第一页晶界特性1 1、晶界原子排列紊乱，对位错运

8、动有阻碍作用，是金属中的强化、晶界原子排列紊乱，对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位（在常温下，强度、硬度较高）。部位（在常温下，强度、硬度较高）。金属的晶粒越细，晶界总面积就越（金属的晶粒越细，晶界总面积就越（），金属的强度也越（），金属的强度也越（）2 2、晶界处的原子处于不稳定的状态，能量比晶内的高、晶界处的原子处于不稳定的状态，能量比晶内的高(高出叫晶界能）高出叫晶界能）晶界熔点低、耐蚀性差、原子扩散快。晶界熔点低、耐蚀性差、原子扩散快。晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高于晶内，称为内吸附。于晶内，称为内

9、吸附。晶界还是固态相变的优先形核部位。晶界还是固态相变的优先形核部位。跳转到第一页多晶体金属塑性变形多晶体金属塑性变形分析角度分析角度：晶粒位向、晶界、晶粒大小晶粒位向、晶界、晶粒大小1 1、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加，、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加，使塑性变形抗力增加。使塑性变形抗力增加。塑性变形不均匀和逐步扩展，产生内应力塑性变形不均匀和逐步扩展，产生内应力2 2、晶界：晶界原子排列紊乱，阻碍位错移动、晶界：晶界原子排列紊乱，阻碍位错移动3 3、晶粒大小：粒小，晶界多，不同位向晶粒多，塑性变形抗力大、晶粒大小：粒小，晶界多，不同位向晶粒多，塑性变形抗力大 强度（强度（）。）。

10、晶粒大小影响韧性、塑性：晶粒大小影响韧性、塑性：A A 变形量均匀分散在更多的晶粒内变形量均匀分散在更多的晶粒内，不致集中少数晶粒，造成变形严重；，不致集中少数晶粒，造成变形严重；B B 晶粒小，晶界多且曲折晶粒小，晶界多且曲折，不利于裂纹传播，断裂前能承受大的塑性变形，吸收较多的功，不利于裂纹传播，断裂前能承受大的塑性变形，吸收较多的功故韧性、塑性（故韧性、塑性（）跳转到第一页冷塑性变形后金属的组织与性能冷塑性变形后金属的组织与性能1、位错密度增加，产生加工硬化位错密度增加，产生加工硬化优点：优点：A、强化金属手段；强化金属手段；B、增加构件的安全性；增加构件的安全性；C、有利于金属有利于金

11、属进行均匀变形，是塑性变形成形的重要因素；进行均匀变形，是塑性变形成形的重要因素；缺点：进一步冷塑性变形困难。缺点：进一步冷塑性变形困难。2、冷塑性变形引起各项异性：、冷塑性变形引起各项异性：A、组织纤维化组织纤维化 B、结构（晶粒）方向性结构（晶粒）方向性3、产生残余内应力、产生残余内应力跳转到第一页残余内应力残余内应力1宏观残余内应力：由于金属材料各部分变形不均匀宏观残余内应力：由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内残余应力。而造成的宏观范围内残余应力。弯曲变形后弯曲变形后跳转到第一页残余内应力残余内应力2微观残余内应力：多晶体的各晶粒的变形不均匀微观残余内应力：多晶体的各晶粒的变

12、形不均匀，而使各晶粒间产生残余内应力。而使各晶粒间产生残余内应力。跳转到第一页残余内应力残余内应力3晶格畸变应力：金属在塑性变形后，增加了位错晶格畸变应力：金属在塑性变形后，增加了位错及空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离及空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离平衡而造成晶格畸变，从而产生的残余内应力。平衡而造成晶格畸变，从而产生的残余内应力。需要部分原子范围内（几百，几千）来相互平衡。需要部分原子范围内（几百，几千）来相互平衡。跳转到第一页残余内应力残余内应力残余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。残余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。类别：类别：1、宏观残余内应力、宏观残余

13、内应力 2、微观残余内应力、微观残余内应力 3、晶格畸变应力（、晶格畸变应力（90%）引起残余内应力的原因：引起残余内应力的原因：塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等有害影响：有害影响：1、降低工件的承载能力、降低工件的承载能力 2、使工件尺寸和形状发生变化使工件尺寸和形状发生变化 3、降低工件的耐蚀性、降低工件的耐蚀性跳转到第一页金属结晶金属结晶1、结晶：液态金属凝固成晶体结构的过程。也是原子由不规则排列的液态逐步过渡到原子规则排列的晶体的过程。2、理论/平衡结晶温度：理论上凝固点与熔点一致的温度3、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。T0-T

14、1=T*冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大。结晶阶段跳转到第一页结晶过程结晶过程结晶过程：形核及晶核长大的过程。晶核：结晶的核心质点（原子小集团）。晶粒的大小取决于晶核的形成速率和长大速度。控制过冷度：过冷度对形核率和长大速度都有影响。跳转到第一页铸锭的形成铸锭的形成1、表面细晶粒层2、柱状晶区3、中心等轴区跳转到第一页变形金属加热时组织和性能的变化变形金属加热时组织和性能的变化1、回复：加热温度低，显微组织无明、回复：加热温度低，显微组织无明显变化，机械性能变化不大，残余残显变化，机械性能变化不大，残余残余应力显著下降的阶段。余应力显著下降的阶段。2、原因：、原因：温度低，原子短距离

15、扩散，温度低，原子短距离扩散，使空位与间隙原子合并，空位与位错使空位与间隙原子合并，空位与位错发生交互作用而消失，晶格畸变减轻发生交互作用而消失，晶格畸变减轻，残余应力显著下降。但位错密度未，残余应力显著下降。但位错密度未显著减少，加工硬化的主要原因未消显著减少，加工硬化的主要原因未消除。机械性能在回复阶段变化不大。除。机械性能在回复阶段变化不大。3、冷变热处理方法应用：去应力退火、冷变热处理方法应用：去应力退火回复回复/冷卷弹簧（冷卷弹簧（250-300 ），青铜丝），青铜丝弹簧（弹簧（120-150 ）。）。变形后的金属，晶格畸变，原子内能升（变形后的金属，晶格畸变，原子内能升（）而处于不

16、稳定状态，具有自发）而处于不稳定状态，具有自发地恢复原来稳定状态的趋势。室温，原子活动能力（地恢复原来稳定状态的趋势。室温，原子活动能力（），而温度高，（），而温度高，（），其），其组织和性能（组织和性能（）。变化阶段（）。变化阶段（）。）。跳转到第一页2、再结晶、再结晶4、冷变热处理方法应用：冷变热处理方法应用：（再结晶退火）为工件（再结晶退火）为工件拉延、弯曲继续进行的中间热处理。拉延、弯曲继续进行的中间热处理。1、再结晶：加热温度较高，显微组织（、再结晶：加热温度较高，显微组织（），加工硬），加工硬化（性能）和残余应力（化（性能）和残余应力（）。）。2、再结晶过程：温升，原子活动能力、再

17、结晶过程：温升，原子活动能力大，在晶界等晶格畸变严重处，形核，大，在晶界等晶格畸变严重处，形核，长大成等轴晶粒。晶格畸变轻，位错密长大成等轴晶粒。晶格畸变轻，位错密度减轻到变形前，残余应力和加工硬化度减轻到变形前，残余应力和加工硬化（）。）。注：再结晶前后，晶粒晶格（注：再结晶前后，晶粒晶格（）。晶）。晶粒形状（粒形状（）。）。3、再结晶温度；温度范围最低温度。、再结晶温度；温度范围最低温度。T再再=（0.35-0.4）T熔熔跳转到第一页3、晶粒长大、晶粒长大晶粒长大：温升或保温，晶界迁移位向改变，晶粒长大：温升或保温，晶界迁移位向改变，晶粒被吞并而长大晶粒被吞并而长大跳转到第一页金属热变形加

18、工（热锻金属热变形加工（热锻/热轧）热轧）1、冷热变形加工区别：以冷热变形加工区别：以再结晶温度划分。再结晶温度划分。钨钨/1200，锡，锡/-7。2、热加工特点：冷加工、热加工特点：冷加工+再结晶同时进行。再结晶同时进行。热加工时，由于金属原子结合力减小，而且热加工时，由于金属原子结合力减小，而且 形形变强化现象随时被再结晶消除，从而使金属的强变强化现象随时被再结晶消除，从而使金属的强度、硬度提高，塑性提高，因此热加工比冷加工度、硬度提高，塑性提高，因此热加工比冷加工易进行。易进行。3、适用场合：、适用场合：A、热加工可应用于截面尺寸大，热加工可应用于截面尺寸大，变形量大、材料在室温下脆性较

19、高。变形量大、材料在室温下脆性较高。B、冷加工适于截面尺寸小、加工尺寸和表面冷加工适于截面尺寸小、加工尺寸和表面质量要求较高的金属制品。质量要求较高的金属制品。跳转到第一页金属热变形加工时组织和性能的变化金属热变形加工时组织和性能的变化 1）形成纤维组织）形成纤维组织 2）消除和改善铸态金属的组织缺陷）消除和改善铸态金属的组织缺陷（如：气泡缩孔焊和、缩松压实、使材料致（如：气泡缩孔焊和、缩松压实、使材料致密；铸态时粗大的柱状晶经热变形加工变成密；铸态时粗大的柱状晶经热变形加工变成细小的等轴晶粒；大块碳化物被打碎，使成细小的等轴晶粒；大块碳化物被打碎，使成分均匀。分均匀。跳转到第一页金属的同素异构转变金属的同素异构转变同素异构转变：金属在固态下，随着温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。遵守结晶的形核和晶核的生长。固态转变有着与结晶不同的特点：发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。因为晶界原子不稳定，扩散容易。由于固态下扩散困难，固态相变组织通常要比结晶组织细。固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂。