北科大材料考研试题

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第七章 金属及合金的回复与再结晶
本章目的: 1 揭示形变金属在加热过程中组织和性能 变化的规律; 2 揭示再结晶的实质 3 说明热加工与冷加工的本质区别以及热 加工的特点。
本章重点:
(1)回复与再结晶的概念和应用; (2)临界变形度的概念; (3)再结晶晶粒度的控制; (4)热加工与冷加工的区别;
性能变化
§7-2 回复 一 回复的定义及特点 1 定义:冷变形后的金属在加热温度不高 时,其光学组织未发生明显改变时所产 生的某些亚结构和性能的变化过程。
2 特点: ① 加热T低:T回 = (0.25~0.3)T熔;
② 显微组织无明显变化:
仍保留拉长、畸变的晶粒
③ 晶粒内部亚结构发生变化: Ⅰ 点缺陷↓ ↓ ; Ⅱ 位错密度↓ 异号位错的合并; 同号位错的规整化:形成回复亚晶, ——“多边形化” (概念见P197) └ 仍保留高位错密度 驱动力:弹性应变能的降低
回复温度越低,变形度越大,则回复后的亚晶粒尺寸越小。
回复亚晶的形成 ——“多边形化” 过 程 缠结 位错
位错 伸直
冷加工态 低能 态位 错网 络 回复50h
回复0.1h 大的 稳定 网格
回复300h
④ 性能变化:
HB、ζb略 ↓ ,δ、ψ略↑; R↓↓;耐腐蚀性提高 原因:晶格畸变↓ ⑤ 内应力↓ ↓ 总体: 力性变化不大,加工硬化基本保持; 物理、化学性能变化较大。
最低再结 晶温度
当ε<40%, 影响显著; 当 ε>60%, 趋于稳定; 当ε↓↓,T再↑↑;→ 无再结晶过程
故——生产上通常规定经过大变形量 (>70%)后的金属在保温时间1h内完成 再结晶(转变量>95%)的温度为(最低) 再结晶温度。
二 晶粒长大
随T↑,t↑,晶粒长大 1 驱动力——总的界面能差 ① 界面多少:细晶→粗晶;
2 特点: ① 加热温度较高:T>T再 T再≈0.4T熔;实际: +100~200℃ ② 显微组织显著变化 : 转变为等轴无畸变新晶粒 ③ 亚结构:位错密度大大降低; ④ 性能显著变化: HB、ζ↓↓;δ、ψ↑↑ ⑤ 内应力完全消除。
3 再结晶形核机制
(1) 亚晶合并相邻 亚晶界中位错通过 攀移和滑移消失
3 缺陷:存在带状组织与纤维组织 带状组织:复相合金中各个相沿热加工方 向交替呈带或层状组织。 纤维组织:晶粒、区域偏析(成分偏析、 夹杂物分布)沿加工方向延伸形成的组织。 ——力性的各向异性
珠光体 铁素体
三、热加工与冷加工的应用 热加工优点:改善组织 塑性好,变形抗力小; 缺 陷:表面易氧化、粗糙、尺寸精度低、 应 用: (1)室温下硬度、脆性较大的金属; (2)截面尺寸大、精度低、变形量大; 冷加工:(1)用于塑性好的金属; (2)截面小,精度与表面质量要求高;
2、(1)列举4种强化金属和合金的方法; (2)指出晶粒大小对材料的机械性能影响 的特殊性?如何获得细小的再结晶晶粒? 答: (1)固溶强化、位错强化、晶界强化、第二 相强化 (2)在常温条件下,晶粒愈细小,金属的强 硬度愈高,塑韧性亦愈好。但高温下晶界 强度低于晶内,晶粒细小强度反而下降, 但晶粒过于粗大会降低塑性,故须采取适 当粗的晶粒度 。
第七章 习题与思考题
1 名词解释:回复 多边形化 再结晶 临界变形度 2 指出下列名词的区别: 结晶 再结晶 重结晶 热加工与冷加工 去应力退火与再结晶退火 3 举例说明回复、再结晶退火在工业上的应用。 4 金属经冷变形、热加工后组织与性能各有何变化。 5 试述位错对金属材料强度与塑性的作用。
1 何谓加工硬化?产生的原因及消除的方法是 什么?加工硬化有何意义? 答:塑性变形中随变形程度增加,金属强硬 度增加而塑韧性下降的现象称为加工硬化; 加工硬化产生的原因:塑性变形引起的 位错密度的增加,导致大量位错间交互作用, 互为阻碍,使位错运动阻力增大,变形抗力 增加; 消除方法:再结晶退火 加工硬化的意义:强化机制; 使塑性变形均匀
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σb
HB
δ
4 金属Ag经大变形量(70%)冷加工后,试
样一端浸入冰水中,一端加热至0.9Tm,过
程持续1小时,然后将试样冷至室温。试画
出沿试样长度的组织与硬度分布曲线,并
简要说明之。
Ⅰ. 温度T<T再,仅回复,硬度略有下降; II. 随T ↑,再结晶,硬度大大↓, 且随T↑,再结晶的体积%↑,HB↓; Ⅲ. 随温度↑,晶粒长大,晶界对位错运动阻 碍↓,故HB进—步↓。
§7-1 形变金属与合金在退火过程中的变化
一 退火概念 1 定义: 将金属加热到某温度保温一定时间,而 后缓慢冷至室温,通过组织结构的变化使材 料热力学稳定性得以提高的热处理工艺。 根据退火温度不同(>或<Ac1)可分为: 高温退火和低温退火 形变金属的退火——低温退火
2 金属加热中组织转变的原因 ——驱动力问题 退火T> Ac1 时: 驱动力为相变中两相的体积自由能之差 退火T< Ac1时: 对形变金属而言驱动力为形变储存能(其 中晶格畸变能占80~90%) ┗ 不稳定组织
三 影响再结晶晶粒度的因素 d = K· (G/N)1/4; (1)再结晶加热温度 T↑,d ↑ 原因: 原子扩散能力强、 晶界易迁移
(2)预先变形量: ε= 10~90%:ε↑, d↓ ε= 2~10%:晶粒特别粗大 ε> 90%:异常长大 原因: 驱动力因素 形核因素
(3)合金元素、杂质及第二相质点 增加变形金属的储存能,均阻碍晶界运动→细 化; 第二相愈弥散、细小、量愈多
二 回复的应用
└ 去应力退火
目的:保持强硬度水平;
消除内应力,防止变形、开裂;
恢复物理、化学性能。
冷成形、焊接、铸造钢件:250~650℃
例如:P198
一战中黄铜子弹的季裂现象等
§7-3 再结晶及晶粒长大
一 再结晶定义及特点
1 再结晶定义: 冷变形金属在低于Ac1的较高 温度下,通过新晶核的形成与长大,由畸 变晶粒变为相同晶格类型等轴晶粒的过程。
② 界面形态:界面能(正比) + 界面曲 率(反比)
┗ 直晶界最稳定
原子扩散方向与晶界移动方向相反
2 长大方式: ① “大吃小”; ② 晶界拉直: 120°,近六边形 120 ° 120 °
1)所有的晶界均为直线;2)晶界间的夹角均为 120°。这是晶粒稳定形状的两个必备条件,二者 缺一不可。
120°
比较再结晶与重结晶的差别: 重结晶:由一种晶格类型转变为另一 种晶格类型的过程。 如: 钢在1000℃热轧,及轧后冷却到室温 均为重结晶 发生铁素体 → 奥氏体 奥氏体 → 铁素体
再结晶:无晶格类型转变 冷变形后再结晶退火中: 畸变铁素体→无畸变铁素体 又如钢在1000℃热轧过程中: 畸变奥氏体→ 无畸变奥氏体
细化再结晶晶粒: (1)控制变形度: 首先须避开临界变形度,临界变形度 之外,变形度越大晶粒越细; (2)控制变形温度: 变形温度越低,晶粒越细小; (3)细化原始晶粒尺寸; (4)原始组织中保留一定量合金元素或杂 质原子等。
3 拉制半成品铜丝的过程如图所示,试绘 出不同阶段的组织与性能变化示意图, 并加以解释。
(3)对低碳钢,ε=8%接近临界变形量,因 此在700℃(高于再结晶温度)退火后晶粒粗 大,强度较低; (4)900℃保温时发生重结晶,冷却后晶粒 细小,因此强化提高。
(2)破碎粗大的铸态晶粒; 再结晶过程 ——晶粒、组织的细化; (3)减轻枝晶偏析 实际热加工温度远高于再结晶温度 ——成分均匀化 └ 塑韧性↑,热加工组织优于铸态
2 改善第二相、夹杂的分布 纤维组织(流线) :铸态组织的 枝晶偏析、 夹杂物分布沿加工方向细碎延伸形成的组 织。 ——使流线与力性方向分布合理
(2)亚晶界移动
(3) 晶界凸出形核 变形度较小, <40%时
4 影响T再的因素 T再:指开始出现再结晶现象时的最低温度
① T熔 : T熔↑, T再↑
如: Fe: 1538 ℃ → 450℃; W: 3300℃ →1100~1200℃
Pb(Sn): 327℃(231℃) → 0℃; 原因:原子间结合力强,难扩散
(4)
(1)卸载后立即拉伸, 溶质原子来不及在位错 附近聚集,故无钉扎作 用,所以无上、下屈服 点;且因加工硬化的作 用,屈服强度较第一次 拉伸时有所提高;
σ (1)
(2) (3)
ε
(2)经过室温时效,溶质原子在位错附近聚集又形 成气团,钉扎位错,需要在较高应力下才能屈服; 一旦溶质原子脱钉,应力将下降,所以有上、下屈 服点。同样,由于加工硬化的作用,屈服强度较第 一次拉伸时有所提高;
→细化效果愈明显
注意:
分布须均匀,否则可能引起二次再结晶
其它因素:
原始晶粒尺寸、变形温度等
二次再结晶: 形变量很大时(>90~95%)或在较高温度下 某些晶粒的异常长大过程。 ——实质并非再结晶过程,而为再结晶后 的晶粒长大: “大吃小” ε= 2~10%:再结晶晶粒少、细小、被吃 ε> 90%:含织构且较多的杂质时 —— 避开过大、过小的临界变形量 2~10%、 >90%
§7-4 金属的热加工
主要内容: (1)热加工与冷加工区别 (2)热加工对组织与性能影响 一 金属热加工与冷加工的概念 热加工:T > T再; 冷加工: T < T再;
实质:
有否再结晶软化过程
衡量依据:T再
例:W 在1000℃非热加工;
Sn、Pb 在室温为热加工;
二 热加工对组织、性能的影响 热加工:钢材的热锻与热轧 1 消除铸态组织缺陷: (1)气孔、疏松、微裂纹的焊合; ——宏观组织致密化;
T 0℃ 0.9Tm T再
HRC
δ



5、低碳钢(0.1%C)板经大变形量冷轧后, 进行了再结晶退火,对其进行拉伸实验, 拉伸至延伸率为8%时卸载,若: (1) 卸载后立即拉伸; (2) 卸载后室温下放置10天后拉伸; (3) 卸载后700℃退火1小时,空冷至室温后 再拉伸; (4) 卸载后在900℃退火保温10分钟,空冷 至室温后再拉伸。 试分别画出上述4种情况下的应力一 应变曲线,并简要说明之。
② 纯度: 纯度↓,杂质% ↑ ,T再↑ 如:高纯铝(99.999%): T再=80 ℃ ; 工业纯铝(99.9%): T再= 290℃ 原因:阻碍原子扩散与晶界迁移 又: 纯铁: T再= 450℃; 碳钢: T再= 500~650℃
③ 变形程度: 变形程度↑,T再↓ 原因: 储存能↑,驱动力↑
高纯Fe-Si 箔材于1200℃真空退火时所产生 的 二次再结晶现象
四 再结晶应用——再结晶退火 目的:
① 中间退火:消除加工硬化;
冷拔铁铬铝电阻丝生产中:
氢气保护再结晶退火
② 无相变金属的细晶强化(如Al、Cu等):
冷塑变 + 再结晶退火→细化的再结晶晶粒
再结晶全图的应用 ——指导塑性加工与再结晶退火工艺 加热温度、预变形度、再结晶晶粒度
铁碳相图
L+δ
1538℃ 1495℃ 0.53 J
δ
L
2.11 E
L +Fe3C
4.3 C
T
912℃ G
L+γ
D
γ α+γ
0.77 P S 0.0218
1148℃ F
γ +Fe3C
A1 727℃ K
α
α+Fe3C
0.0008Q
Fe
C%
Fe3C
6.69
二 形变金属在退火过程中的变化 根据组织变化不同,分为三个阶段: 回复 再结晶 晶粒长大 组织 变化
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