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有关金属学知识普及
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钒在中高强钢中的应用
中高碳钢广泛用于许多普通用途。增加碳作为基本合金以提高钢的强度和硬度，这是提高性能的最经济的途径。但是，碳含量的增加也引起了其它效应，包括降低了焊接性能、延性和冲击韧性。这些降低了的性能如果能被接受，则高碳材料增加后的强度和硬度优势可以得到充分利用。高碳钢的通常用途包括锻钢、钢轨钢、弹簧钢（扁钢和圆钢）、预应力混凝土、钢丝、轮胎加固筋、耐磨钢（板及锻钢）、以及高强钢筋。
& & 为了提高钢在这些用途中的性能，通常的做法是，通过最大增加碳的适用量，以使强度和硬度达到最高。根据各种不同的用途碳添加量的限制因素也不同。对于锻钢和棒材，可能是韧性或焊接性能。对于高强钢丝，碳添加量的限制因素通常是共析碳量，在此之上形成的晶界碳将巨大地降低可延性能。
& & 即使不考虑用途，对于增加碳含量也将有一个实际限制。如需要继续提高钢的强度或硬度性能，就必须考虑其它强度机制。在各种可采用的选择中，添加微合金达到析出强化是一个比较常用的做法。
& & 除了增加轧态或锻态强度，添加微合金也能产生其它优势。微合金用于生产细晶粒钢。微合金析出在热处理过程中，通过锁定晶界，防止对于晶粒增长所必须的这些晶界移动，可以阻止奥氏体晶粒增长。
& & 微合金析出，特别是与钒析出, 可以为回火调质钢提供调质阻力。利用调质阻力特性，通过一定的调质周期，可以获得更高硬度和强度的调质马氏体。利用较高的调质温度，在保持硬度的同时，可以提高马氏体的韧性。
& & 钒的优势
& & 可供选择微合金有铌、钛及钒。其中，由于几方面的原因，钒是一种更受欢迎的添加物。首先，可能也是最重要的，与其它微合金相比，钒碳氮化物《V（C、N）》的高溶解性，使其能在无论是轧制或是锻制的正常加热温度下溶解。氮钛化物（TiN）的溶解能力最低，无论是作为氮化物亦或是碳化物，在高碳钢中作为析出强化剂，通常都无效。铌碳氮化物《Nb（C、N）》与钒相比，其溶解能力也较低。由于碳是与铌析出的优先选择元素，这种钢中的高碳含量，甚至更进一步降低了铌的溶解能力。在加热高碳钢时铌的溶解量有限，且还要取决于加热温度。对于添加铌量较高的情况，其强化作用将变得不可预测。因为加热温度的一点变化都会导致铌溶解量的巨大差别。
& & 钒碳氮化物《V（C、N）》在高碳钢中更容易溶解，并且没有铌对碳那样敏感。正常加热温度为1150oC到1250oC，在获得合金成分的整个过程内，足以溶解所有的钒碳氮化物。其结果是，钒强化与钒添加量成比例。
& & 钒添加量与强度的线性关系，非常有助于估算满足最小强度所需要的合金添加量。
& & 钒对氮具有中性亲和力。添加适量氮以后，钒（碳、氮）析出主要为氮化物，通常为一定钒（碳0.2氮0.8）的比例由于钒对氮具有这个优势，氮增强了钒微合金钢的性能。结果是，在氮易引起脆性的地方，氮不再是一种固溶物。钒将氮从一种不被人需要的夹杂元素，变成了合金钢的一个不可分割的组成部分。
& & 由于中高碳钢通常使用无流量控制的计量浇管连铸，由于再氧化问题，用铝进行细晶粒化不可行。在这种条件下，钒可以很容易浇铸。在热处理钢的晶粒细化这一点上，钒成为了铝的优秀替代品。
& & 这里叙述了钒微合金中高碳钢的一些应用实例。由于受作者的经验局限，应用实例皆取自北美钢铁业界。在其它市场上可能还更值得注意的，钒在这些钢中有效应用的例子。
& & 1 锻钢
& & 钒微合金锻钢代替回火调质钢的成本低廉。此钢种的强度性能在从锻钢温度冷却的过程中由钒（碳、氮）析出演变而成。
& & 在锻态条件下获得最终强度性能，免除了额外增加热处理的成本。这些钢种内在的成本优势，在最近研究中得到了证实，研究结果表明：与回火调质钢相比，机加工成本显著降低。
& & 中碳锻钢，与钒微合金化，锰、硅、铬、氮、硫量相应增加，在许多汽车应用上，替代了回火调质锻钢。曲轴、连轴杆、以及轴梁就是用这些微合金钢，成功制造的部件。合金和工艺上的不断进步，将这些钢种的用途，延伸到了强度和硬度要求更高，更苛刻的使用环境中。
& & 2 高碳线材
& & 为了使冷拔线材达到应用中更高拉伸强度的要求，比如预应力水泥钢筋腱，在轧态下，就要求线材具有更高的起始强度。珠光体钢的高强度，通过最大限度地增加碳含量，以及生成尽可能细的珠光体间隔来获得。碳含量可以实用的上限取决于某一钢厂的工艺能力。连续晶界碳层的形成，通常在小方坯或大方坯的偏析中心，将决定可以实用的最大碳含量。这类用途典型的最大碳含量是0.82到0.85%。铅淬火由于成本原因，不再具有竞争力，通过增加硬化元素如锰和铬，使其硬化度与线材轧制工艺的控冷能力相当，由此提高强度。其目的是生产出与铅淬火结构类似的细化珠光体。
& & 由于线材冷却工艺的限制，与铅淬火线材相比，通过冷却工艺获得的线材强度仍然落后于铅淬火线材的强度。额外强度增加，通过珠光体，铁素体软构成分的析出硬化获得。钒在线材用的共晶碳锰钢中，广泛用作珠光体强化剂。所得出的报告称，每增加0.01%的钒，强度增加10到16兆帕。钒的高溶解能力可以容许增加0.10%以上的钒，而且可以预见强度增加的最终结果。由于这个可预见的能力，在将钢精炼到特定强度时，选择钒作为强度可控制元素。
& & 需要最大强度的直接拉伸线材的应用，比如预应力水泥钢筋腱，轮胎用子午线以及钢丝，是具有共晶碳的钒微合金珠光体钢的共同用途。
& & 此外，添加钒将可以从固溶物钒（碳、氮）中去处氮。固溶物中的氮在线材拉伸中易于引起应变时效，使成品的延性降低。高延性，通常通过线材拉伸测试进行测量，是利用直接拉伸线材的钒微合金钢所得出的结果。钒将氮从一种不被人需要的成分，转化成了合金系统不可分割的组成部分。
& & 3 热轧钢筋、型材和板材
& & 在许多需要高强度的长材产品应用中，都要求利用传统轧制工艺，并对碳含量有限制。钒在这些产品中，得到有效应用。其中最主要的用途之一，是高强度加强筋，其焊接性能对碳当量的限制，阻止了使用更高当量的碳。这个用途在本次会议的另一个发言中充分讨论。
& & 现代长材高速轧制设备使得在传统控轧所需低温度下很难精轧。利用钒进行再结晶控轧可以应用于这些轧机，允许细铁素体微结构与高析出硬化一起产生。
& & 这方面使用的一个实例就是，高强度平板条，厚度从10到20毫米，用作平板拖车的法兰。利用钒-氮，或钒-钛-氮所产生的最小屈服强度，为410到550兆帕。在高温范围内，利用再结晶控轧进行轧制，产生大量的细化晶粒，以满足在摄氏负29度时20焦耳的冲击要求。用作平板拖车横梁的高强度结构梁，也是利用同样的工艺生产的。在所有的情况下，都需要掌握氮的含量，以确保所添加的钒达到最大效率。
& & 高强度钢筋的另外一个事例，是用作液压缸的轴。最好选用屈服强度最小为550兆帕的C10V45钢种。为了达到这个强度，钒的用量达到0.10%，碳0.45%、锰0.8%和硅0.25%生产的这种钢筋直径达到为100毫米。
& & 4 钢轨钢
& & 用钒强化珠光体钢的另外一个事例，是钒在钢轨钢中的应用。用钒微合金钢生产的铁路用钢轨已显示出更高的强度和更高的耐疲劳性。由于这些性能，钒微合金化的钢轨钢显示出其使用寿命的有所提高。
& & 尽管美国的钢轨钢没有微合金化，在许多国家，包括中国，钒合金化钢轨钢是一个普通钢种。这些钢可能用在轧态或热处理条件下。
& & 结束语
& & 对钒在中高碳钢中应用的简单陈述，仅仅是钒作为微合金选择的许多用途中的一部分事例。钒在工艺安排以及获得理想性能的效率方面，具有许多优势。这些优势特别是在浇注和高溶解性方面的优势，在加工中高碳钢时，显得特别实用。钒成比例的强化性能，并且对性能没有任何副作用，使得钒成为这些用途中的合金选择。
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金属学的知识
纯金属的结晶
金属是晶体，所以其凝固称为结晶。
研究的意义：金属的生产过程（冶炼----浇注）和制造过程（铸造、焊接等）；
结晶时开成的铸态组织不仅影响铸态性能，而且材料后续加工性能，因此要掌握结晶规律，控制结晶过程。
一、结晶的现象
金属不透明，何时开始？何时结束？过程如何？
1、 热分析
解释冷却曲线；解释平台出现的原因；标志着什么？
2、过冷现象
金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度，这种现象称为过冷，二者之间的差值称为过冷度，用 ΔT 表示。过冷度是金属结晶的必要条件。
过冷度与冷却速度有关，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。
二、结晶的过程
金属的结晶过程是由形核和长大过程组成的。
（利用挂图、幻灯片讲）
三、晶体长大的方式
晶体长大时常采用树枝状长大，一般称为枝晶长大。这是由结晶时液—固界面前沿的温度分布决定的。
四、晶粒大小对材料性能的影响及控制方法
1、 影响：金属结晶后，晶粒尺寸越小，则单位体积内的晶粒数目越多，组织越细小，材料的力学性能越高。在常温下工作的材料一般都希望得到细小的晶粒。
2、 控制原理；结晶后的晶粒大小与长大速度、形核率有关，长大速度越小、形核率越高，晶粒越细小。而形核率、长大速度又与过冷度有关，过冷度越大，形核率和长大速度都增大，长大速度增加的慢。所以，随过冷度增大，金属结晶后的晶粒变细。
3、 控制方法
1） 增大冷却速度，从而增大结晶时的过冷度；
2） 变质处理；
所谓变质处理就是在浇注前向液态金属中加入变质剂，以提高形核率或降低长大速度，从而细化金属铸件的组织。如在铸铁溶液中加入硅铁、硅钙合金；在铝—硅合金中加入钠盐等，都是变质处理的例子。
3） 搅拌和振荡。
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二元合金的结构与结晶
二元合金的结构与结晶
纯金属虽然有一定的优点（举例），但它们的力学性能太低，不能作为工程材料来使用；而且它们提炼困难、价格较高。所以在工程中大量使用的金属材料是合金，合金冶炼方便、价格低，能够通过合金化或热处理来改变组织结构，使性能在很大的范围内调整，从而能够满足人们对金属材料多品种、高性能的要求。
第一节 合金的相结构
一、 基本概念
3、 合金系
合金的性能比纯金属好，就是因为其晶体结构与纯金属不同。合金的改组是由组织结构决定的，而组织又是由相组成的，所以合金的晶体结构实际上就是相的晶体结构，简称为合金的相结构。
合金中有二种相：固溶体和金属化合物。
二、固溶体
举例说明固溶体的概念。
固溶体中溶剂和溶质的概念。
固溶体的晶体结构保持溶剂的晶体结构，如Zn溶液入Cu
中形成固溶体，Cu为溶剂，为面心立方晶格，Zn为溶质，所以该固溶体的晶体结构为面心立方晶格。
1、 分类：置换固溶体、间隙固溶体；
有限固溶体、无限固溶体；
2、 溶解度：简明扼要地讲。
3、 性能：溶质溶入后，造成晶格畴变，引起固溶强化（重要概念）；
固溶强化的实际意义：是金属材料最本的强化方式；
其它性能变化：电阻升高，耐腐蚀性下降；但在温度变化时，固溶体的电阻变化不大，所以固溶体合金适合作为电炉丝，如常用的Fe-Cr-Al电炉丝。
4、 用途：合金中的基本组成相；单相固溶体合金具有较好的塑性和韧性；
三、金属化合物
金属化合物是组元间形成的具有复杂结构的相，它的结构不同于任何组元，具有金属性质，可用分子式表示。
6、 分类：正常价化合物、电子价化合物、间隙化合物，在钢中常见的是间隙化合物，如TiC、WC、Fe3C等；
7、 性能：熔点高，硬而脆，尤其是间隙化合物。如TiC的熔点达3410℃，硬度为2850HV；
8、 用途：金属化合物在钢中一般作为强化相使用，它可使强度、硬度升高，但数量不能太多，否则使力学性能下降。
四、合金中的组织类型
一般有两种，即单相固溶体型和多相混合物型，后一种比较多见。
第二节 二元合金相图的建立
相图是金属学中的一个重要的概念，又称合金状态图、平衡图；它能表示合金的状态和相组成与成分、温度之间关系的图解。利用相图可以知道：
1、 任何成分的合金在任何温度下所处的状态和相组成；
2、 在成分或温度变化时，合金状态和相组成的转变规律；
相图是铸、锻、焊、热处理等热加工工艺的重要理论工具。
一、二元合金相图的表示方法
平面图形，纵轴表示温度，横轴表示成分，如图所示；横坐标上任何一点表示一合金的成分，如a；图内任何一点表示一定成分合金在一定温度下的状态，如b点。
二、相图的测绘方法
相图是由实验测定的，常用的方法有热分析法、膨胀法、X-Ray法等。用幻灯讲解用热分析法测相图的步骤。同时在讲解中注意阐明相图中一些线、点的含义。
第三节 二元匀晶相图
二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成固溶体的二元合金系所形成的相图，称为二元匀晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有：Cu-Ni，Fe-Cr，Ag-Au，W-Mo，Nb-Ti，Cr-Mo，Cd-Mg，Pt-Rh等。
这类合金在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。
可以这么说，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，所以掌握这一类相图是学习二元相图的基础。
Cu-Ni合金相图是最典型的匀晶相图，以下以Cu-Ni合金为例进行讨论。
一、相图分析
该相图非常简单。组元为Cu和Ni，在成分轴的两端。相界线只有液相线和固相线，液相线以上全为液相L，固相线以下全为固相α相，液相线和固相线之间为液相和固相的两相平衡共存区。相区有L和α两个单相区，一个L+α的两相区。
二、结晶过程分析
就是分析合金自高温向低温冷却时状态和相组成的变化情况，先作一条成分线，并将万分线与相图的交点自上而下用阿拉伯数字标明，如上图；然后一步一步分析。上图中含Ni45%的Cu—Ni合金的结晶过程是：L-------L+α---------α，结晶后的室温平衡组织为单相α固溶体。
Cu—Ni合金的结晶与纯金属的结晶有一些不同，重要的一点，Cu—Ni合金不是在恒温下结晶的，而是在一个温度范围内完成的，在结晶过程液、固二相的含量和成分都在发生着变化 。
三、枝晶偏析
合金中万分不均匀的现象称为偏析。
在实际生产过程中，由于冷却速度比相图规定的大，所以造成原子扩散不充分，使先后结晶的固溶体成分不同，因为固溶体的长大一船为枝晶长大，这种不同主要表现在枝干和分枝之间，故称为枝晶偏析。例如在Cu—Ni合金中，先结晶的α含Ni多，而后结晶的α含Cu多。
偏析会造成合金性能的不均匀，如果发生了，就必须消除，常用的方法是扩散退火，也称均匀化退火，就是将合金在固相线以下温度长时间保温，使原子充分扩散，达到成分均匀的目的。
第四节 二元共晶相图
定义：二级元在液态下能无限溶解，在固态下只能有限溶解，并能发生共晶转变的合金相图，称为二元共晶相图，如Pb—Sb、Pb—Sn、Al—Si等合金。下面以Pb—Sn合金相图为例进行分析。
一、相图分析
先说明两个相：α和β；
点：A点是Pb的熔点；B点是Sn的熔点；这两个金属的熔点都有比较低，所以常用于保险丝或钎焊丝。
D、E、F、G点，它们是几个溶解度点，因为固溶体的溶解度随温度发生变化 。
C点是共晶点，在C点含61.9%Sn的Pb—Sn合金发生共晶转变,转变式为:
Lc (α+β),
这种在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出两个不同固相的转变称为共晶转变,转变的产物称为共晶体或共晶组织,常用括号括起来。
介绍几个名词：共晶成分、共晶温度、共晶合金、亚共晶合金和过共晶合金。
线：（略）
区：（略）
提醒学生注意共晶相图的特征，以共晶水平线为准，上面有两个液、固双相区，中间是一个液相单相区；下面是一个双相区，是两个固相，就象一只海鸥在大海上飞翔。
二、结晶过程分析
1、 共晶合金（合金1）
Lc------------------(α+β)；
2、 亚共晶合金（合金2）
L-----L+α-------α+（α+β）；
3、 过共晶合金（略）
在这一部分中，应重点分析组织的转变是根据什么发生的，也就是相图的使用方法。
三、相组分和组织组分
组成合金基本相称为相组分；在显微镜下能够分辨的组织组成称为组织组分；比如说，在室温下的Pb—Sn合金的相组分都为α+β；而组织组分却各不相同，共晶合金的组织组分就是一部分（α+β），而亚共晶合金的组织组分三部分α、（α+β）和β。
四、比重偏析
在结晶过程中，由于各部分的比重不同引起的偏析。
防止方法：搅拌或加入合金元素。
第五节 合金性能与相图的关系
一、合金的使用性能与相图的关系
具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律见下图。
固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬度越高, 电阻越大。当溶质原子含量大约为50%时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所以性能与成分的关系曲线具有透镜状。
两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化, 两相单独的性能已知后, 合金的某些性能可按组成相性能依百分含量的关系叠加的办法求出。
对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密, 强度越高(见图中虚线)。当形成化合物时， 则在性能一成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。
合金的使用性能与相图的关系
二、合金的工艺性能与相图的关系
合金的铸造性能与相图的关系：
纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性， 增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。
单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。
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金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶
金属具有塑性是其重要的一项特性，这个特性对于金属材料的应用有非常重要的意义，举例。
& &金属发生塑性变形之后，从宏观上看其形状和尺寸发生了变化，但不是我们研究的内容。我们要研究的是金属变形之后其内部的组织和性能发生了哪些变化，以及在加热时这些组织和性能发生哪些变化，最后落实到如何运用这些知识去改善材料的性能。
第一节 金属的塑性变形
& &这一节的主要内容就是从原子的角度看，金属的塑性变形是如何发生的？
当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
& &金属塑性变形的方式主要是滑移和孪生。
一、单晶体的塑性变形
这是为了学习的方便而采取的一种方法，因为实际金属大多是多晶体。
1、 滑移的定义和现象；（采用挂图和幻灯讲解），这里有五个问题：滑移线、滑移带、滑移距离、滑移面和滑移方向；
2、 滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，滑移系的数目决定了金属的塑性好坏，其数目越多，塑性越好；
体心立方晶格：6×2=12个滑移系；塑性较低好；如铁、铬等；
面心立方晶格：4×3=12个滑移系；塑性最好；如金、银、铜、铝等；
密排六方晶格：1×3=3个滑移系；塑性最差；如锌、镉等；
3、滑移的机理：非刚性滑动，而是由位错的移动实现的（1934年提出 ）。
1） 只有位错线附近的少数原子移动；
2） 原子移动的距离小于一个原子间距；
所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；举例。（挂图）
总结：金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。
二、多晶体的塑性变形
其中单个晶体的变形情况和单晶体相同，不同的是多晶体是由多个晶体组成的，各个晶体之间的位向不同，所以多晶体的塑性变形不是同时发生的，而是一步一步地进行的。塑性变形的抗力要比单晶体要高。
第二个要注意的问题是晶界的影响。晶界是原子排列不规则的地方，它对位错的移动有阻碍作用，要想使位错通过晶界，外界必须对它施加更大的力，所以晶界处的强度比晶内高。
晶粒越细，单位体积内的晶界面积越多，对位错的阻碍作用越大，金属的强度越高。晶界与强度之间的关系有一个经验公式（Hall—Petch公式）：
σ=σ0+k×d1/2。
具有细小晶粒的材料不仅强度高，而且塑性、韧性也较高，这是其他强化手段不能达到的。
我们一般将通过使材料的组织变细来改善其性能的方法称为晶粒细化。
三、冷变形后金属性能和组织的变化
1、 力学性能的变化
随变形量增加，冷塑性变形之后的金属强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
加工硬化在金属材料的使用中有非常重要的意义，是金属材料一种重要的强化手段，特别是对一些无法进行热处理的材料，如纯金属、高锰钢以及奥氏体不锈钢等。同时加工硬化使从属材料在冷成加工时能均匀变形；另外在材料偶然过载时，加工硬化使材料不致于发生大量塑性变形而断裂，增加了安全性。
加工硬化在材料的使用中也有不利的一面，例如使塑性下降，在进行大变形量变形时须分几次进行，增加了消耗，降低了劳动生产率。
2、 组织的变化
1） 形成冷变形纤维组织；
2） 亚结构细化，位错密度增加，一般认为这是加工硬化的原因；
3） 形成变形织构；
3、 冷变形内应力
对材料进行塑性变形时所作的功大部分转变成了热量，但有一小部分残留在材料内部，这就是残余内应力。残余内应力可导致材料的变形，如果它和材料的工作应力叠加，将加速材料的失效，所以对其应有一定的重视。
1） 宏观内应力：由于在宏观范围内变形不均匀引起的。有时可利用这种内应力，使它与工作应力相互抵消，延长零件的寿命，如钢板弹簧的喷丸或辊压，就是在弹簧表面形成残余压应力，与表面的工作应力-------拉应力相互抵消。
2） 微观内应力：由于晶粒之间变形不均匀引起的；
3） 晶格畸变内应力：作用范围在一个晶粒内部。
第二节 冷变形金属在加热时的转变
先复习冷变形后金属组织和性能的变化（提问），三点：
1、 加工硬化；
2、 冷变形纤维组织；
3、 变形残余内应力；
导出冷变形金属处于不稳定的状态，在被加热时将发生明显的变化，这个过程分为三个阶段。即回复、再结晶和晶粒长大。
在加热温度较低时发生，在这个阶段由于温度不高，原子活动能力较小，不能作大范围的扩散，只有点缺陷如空位、间隙原子的数量减少了，同时位错重新排列，所以金属的组织和性能变化不大。主要是内应力大幅度减小，电阻下降，耐腐蚀能力提高。
回复主要用于消除冷变形金属中的残余内应力，以隐定尺寸， 降低电阻，提高耐腐蚀能力。如冷卷弹簧的定型、黄铜弹壳的去应力等。
二、 再结晶
发生在较高温度下，对钢来说大约在450℃以上。这时原子的活动能力大大增强，晶体缺陷消除，发生再结晶，加工硬化消除，冷变形纤维组织重新变成多边形等到轴晶粒，也就是说，材料的组织和性能又恢复到冷变形前的状态。
再结晶过程也是一个形核和长大的过程，但是材料的晶体结构并没有发生变化，所以也就不是一个相变过程。
1、 再结晶温度
金属发生再结晶的最低温度称为再结晶温度，它与金属的变形度、成分有关，变形度越大，再结晶温度越低，W、V、Ti、Cr等元素能够提高再结晶温度。一般根据一个经验公式来确定材料的再结晶温度：
T再=0.4×T0(金属的熔点)
根据这个公式,可以计算出铁的再结晶温度大约为450℃.其它金属的再结晶温度可以查阅有关的手册。
2、 再结晶的应用
再结晶一般用于消除加工硬化，恢复塑性。在生产中这种处理方法称为再结晶退火。
三、 晶粒长大
不讲，学生自学。
第三节 热变形加工
冷变形加工：冷拉、冷拔、冷轧、冷冲压等；
热变形加工：热轧、锻造等；
一、 冷、热变形加工的区别
从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。如锡、铅等金属的再结晶温度较低，在室温下对它们的变形就属于热变形加工了；而钨的再结晶温度高达1200℃以上，那么在1000℃对它进行的变形仍属于冷变形加工。
另外一个要注意的问题是，在热变形加工时，材料性能的变化是双向的，因为在发生加工硬化的同时，还发生着再结晶，也就是因为变形发生的硬化和因为再结晶发生的软化在同时进行着。那一个方面占优势要看是变形度和加热温度的具体情况。
二、 热变形加工时金属组织和性能的变化
1、 能消除一些组织缺陷，使组织更加致密；
2、 流线：金属中的一些杂质、夹杂沿变形方向伸长而形成的，如果使流线沿零件的轮廓走向分布，则能提高材料的性能，所以一些重要的零件都采用锻造成形。
3、 带状组织：钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核，形成带状组织。带状组织能造成材料的各向异性，应加以注意。
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金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶
金属具有塑性是其重要的一项特性，这个特性对于金属材料的应用有非常重要的意义，举例。
& &金属发生塑性变形之后，从宏观上看其形状和尺寸发生了变化，但不是我们研究的内容。我们要研究的是金属变形之后其内部的组织和性能发生了哪些变化，以及在加热时这些组织和性能发生哪些变化，最后落实到如何运用这些知识去改善材料的性能。
第一节 金属的塑性变形
& &这一节的主要内容就是从原子的角度看，金属的塑性变形是如何发生的？
当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
& &金属塑性变形的方式主要是滑移和孪生。
一、单晶体的塑性变形
这是为了学习的方便而采取的一种方法，因为实际金属大多是多晶体。
1、 滑移的定义和现象；（采用挂图和幻灯讲解），这里有五个问题：滑移线、滑移带、滑移距离、滑移面和滑移方向；
2、 滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，滑移系的数目决定了金属的塑性好坏，其数目越多，塑性越好；
体心立方晶格：6×2=12个滑移系；塑性较低好；如铁、铬等；
面心立方晶格：4×3=12个滑移系；塑性最好；如金、银、铜、铝等；
密排六方晶格：1×3=3个滑移系；塑性最差；如锌、镉等；
3、滑移的机理：非刚性滑动，而是由位错的移动实现的（1934年提出 ）。
1） 只有位错线附近的少数原子移动；
2） 原子移动的距离小于一个原子间距；
所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；举例。（挂图）
总结：金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。
二、多晶体的塑性变形
其中单个晶体的变形情况和单晶体相同，不同的是多晶体是由多个晶体组成的，各个晶体之间的位向不同，所以多晶体的塑性变形不是同时发生的，而是一步一步地进行的。塑性变形的抗力要比单晶体要高。
第二个要注意的问题是晶界的影响。晶界是原子排列不规则的地方，它对位错的移动有阻碍作用，要想使位错通过晶界，外界必须对它施加更大的力，所以晶界处的强度比晶内高。
晶粒越细，单位体积内的晶界面积越多，对位错的阻碍作用越大，金属的强度越高。晶界与强度之间的关系有一个经验公式（Hall—Petch公式）：
σ=σ0+k×d1/2。
具有细小晶粒的材料不仅强度高，而且塑性、韧性也较高，这是其他强化手段不能达到的。
我们一般将通过使材料的组织变细来改善其性能的方法称为晶粒细化。
三、冷变形后金属性能和组织的变化
1、 力学性能的变化
随变形量增加，冷塑性变形之后的金属强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
加工硬化在金属材料的使用中有非常重要的意义，是金属材料一种重要的强化手段，特别是对一些无法进行热处理的材料，如纯金属、高锰钢以及奥氏体不锈钢等。同时加工硬化使从属材料在冷成加工时能均匀变形；另外在材料偶然过载时，加工硬化使材料不致于发生大量塑性变形而断裂，增加了安全性。
加工硬化在材料的使用中也有不利的一面，例如使塑性下降，在进行大变形量变形时须分几次进行，增加了消耗，降低了劳动生产率。
2、 组织的变化
1） 形成冷变形纤维组织；
2） 亚结构细化，位错密度增加，一般认为这是加工硬化的原因；
3） 形成变形织构；
3、 冷变形内应力
对材料进行塑性变形时所作的功大部分转变成了热量，但有一小部分残留在材料内部，这就是残余内应力。残余内应力可导致材料的变形，如果它和材料的工作应力叠加，将加速材料的失效，所以对其应有一定的重视。
1） 宏观内应力：由于在宏观范围内变形不均匀引起的。有时可利用这种内应力，使它与工作应力相互抵消，延长零件的寿命，如钢板弹簧的喷丸或辊压，就是在弹簧表面形成残余压应力，与表面的工作应力-------拉应力相互抵消。
2） 微观内应力：由于晶粒之间变形不均匀引起的；
3） 晶格畸变内应力：作用范围在一个晶粒内部。
第二节 冷变形金属在加热时的转变
先复习冷变形后金属组织和性能的变化（提问），三点：
1、 加工硬化；
2、 冷变形纤维组织；
3、 变形残余内应力；
导出冷变形金属处于不稳定的状态，在被加热时将发生明显的变化，这个过程分为三个阶段。即回复、再结晶和晶粒长大。
在加热温度较低时发生，在这个阶段由于温度不高，原子活动能力较小，不能作大范围的扩散，只有点缺陷如空位、间隙原子的数量减少了，同时位错重新排列，所以金属的组织和性能变化不大。主要是内应力大幅度减小，电阻下降，耐腐蚀能力提高。
回复主要用于消除冷变形金属中的残余内应力，以隐定尺寸， 降低电阻，提高耐腐蚀能力。如冷卷弹簧的定型、黄铜弹壳的去应力等。
二、 再结晶
发生在较高温度下，对钢来说大约在450℃以上。这时原子的活动能力大大增强，晶体缺陷消除，发生再结晶，加工硬化消除，冷变形纤维组织重新变成多边形等到轴晶粒，也就是说，材料的组织和性能又恢复到冷变形前的状态。
再结晶过程也是一个形核和长大的过程，但是材料的晶体结构并没有发生变化，所以也就不是一个相变过程。
1、 再结晶温度
金属发生再结晶的最低温度称为再结晶温度，它与金属的变形度、成分有关，变形度越大，再结晶温度越低，W、V、Ti、Cr等元素能够提高再结晶温度。一般根据一个经验公式来确定材料的再结晶温度：
T再=0.4×T0(金属的熔点)
根据这个公式,可以计算出铁的再结晶温度大约为450℃.其它金属的再结晶温度可以查阅有关的手册。
2、 再结晶的应用
再结晶一般用于消除加工硬化，恢复塑性。在生产中这种处理方法称为再结晶退火。
三、 晶粒长大
不讲，学生自学。
第三节 热变形加工
冷变形加工：冷拉、冷拔、冷轧、冷冲压等；
热变形加工：热轧、锻造等；
一、 冷、热变形加工的区别
从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。如锡、铅等金属的再结晶温度较低，在室温下对它们的变形就属于热变形加工了；而钨的再结晶温度高达1200℃以上，那么在1000℃对它进行的变形仍属于冷变形加工。
另外一个要注意的问题是，在热变形加工时，材料性能的变化是双向的，因为在发生加工硬化的同时，还发生着再结晶，也就是因为变形发生的硬化和因为再结晶发生的软化在同时进行着。那一个方面占优势要看是变形度和加热温度的具体情况。
二、 热变形加工时金属组织和性能的变化
1、 能消除一些组织缺陷，使组织更加致密；
2、 流线：金属中的一些杂质、夹杂沿变形方向伸长而形成的，如果使流线沿零件的轮廓走向分布，则能提高材料的性能，所以一些重要的零件都采用锻造成形。
3、 带状组织：钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核，形成带状组织。带状组织能造成材料的各向异性，应加以注意。
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