金属学与热处理课件ppt.ppt
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1、变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分l 形变金属材料退火过程中的组织形变金属材料退火过程中的组织和性能变化和性能变化l 回复回复 l 再结晶再结晶 l 晶粒长大晶粒长大 l 金属的热加工金属的热加工 内容目录内容目录变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分引引 言言形
2、变储能形变储能弹性应变能弹性应变能(312%)晶格畸变能晶格畸变能(8090%)退火退火将材料加热到一定温度保持一定时间将材料加热到一定温度保持一定时间的热处理工艺,按目的又可分为去应的热处理工艺,按目的又可分为去应力退火、成分均匀化退火等多种。力退火、成分均匀化退火等多种。形变储能使金属内能升高,处于热力学亚稳状态。退火时,形变储能使金属内能升高,处于热力学亚稳状态。退火时,原子活动能力升高,形变金属从亚稳态向稳态转变,而形原子活动能力升高,形变金属从亚稳态向稳态转变,而形变储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。变储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。变电站电气主接线是指变电站的
3、变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分第一节第一节 冷变形金属在加热时的组织冷变形金属在加热时的组织与性能变化与性能变化 1.1 回复与再结晶回复与再结晶回回 复复冷变形金属低温加热时,显微组织无可冷变形金属低温加热时,显微组织无可见变化,但其物理、力学性能却部分恢见变化,但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。复到冷变形以前的过程。再结再结晶晶冷变形金属被加热到适当温度时,在变冷变形金属被加热到适当温度时,在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒,而使形变强化效应完全取代
4、变形晶粒,而使形变强化效应完全消除的过程。消除的过程。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分u 回复阶段回复阶段:显微组织仍为纤维状,无可见变化;:显微组织仍为纤维状,无可见变化;u 再结晶阶段再结晶阶段:变形晶粒通过形核长大,逐渐转变为新的:变形晶粒通过形核长大,逐渐转变为新的 无畸变的等轴晶粒。无畸变的等轴晶粒。u 晶粒长大阶段晶粒长大阶段:晶界移动、晶粒粗化,达到相对稳定的:晶界移动、晶粒粗化,达到相对稳定的 形状和尺寸。形状和尺寸。1.2 显微组织变化显微组织变化变电站电气主接线是指变电站
5、的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分1.2 显微组织变化显微组织变化变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分回回 复复 阶阶 段段: 强度、硬度略有下降,塑性略有提强度、硬度略有下降,塑性略有提 高。高。再再 结结 晶晶 阶段阶段: 强度、硬度明显下降,塑性明显提高。强度、硬度明显下降,塑性明显提高。晶粒长大晶粒长大 阶段阶段: 强度、硬度继续下降强度、硬度继续下降, ,塑性继续提高,塑性继续提高, 粗化严重时塑性也下降。粗化
6、严重时塑性也下降。密密 度度: : 在回复阶段变化不大,在再结晶阶段急剧升高;在回复阶段变化不大,在再结晶阶段急剧升高;电电 阻阻: 电阻在回复阶段可明显下降。电阻在回复阶段可明显下降。形变储能形变储能: 回复阶段部分释放,再结晶至长大初期完全释放。回复阶段部分释放,再结晶至长大初期完全释放。1.3 性能变化性能变化力学性能力学性能物理性能物理性能变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线
7、组成中一个重要组成部分回回 复复 阶段阶段: 大部分或全部消除第一类内应力,大部分或全部消除第一类内应力,部分消除第二、三类内应力;部分消除第二、三类内应力;再结晶阶段再结晶阶段: 内应力可完全消除。内应力可完全消除。1.4 内应力变化内应力变化变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分所谓回复,即在加热温度较低时,仅因金属所谓回复,即在加热温度较低时,仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。晶内的变化。回复阶段一般加热温度在回复阶段一般加热温度
8、在0.4T0.4Tm m以下。以下。第二节第二节 回回 复复 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分低温阶段低温阶段 点缺陷的迁移和减少点缺陷的迁移和减少, , 表现为表现为: :- 空位与间隙原子的相遇而互相中和空位与间隙原子的相遇而互相中和- 空位或间隙原子运动到刃位错处消失,引起位错的攀移空位或间隙原子运动到刃位错处消失,引起位错的攀移- 点缺陷运动到界面处消失。点缺陷运动到界面处消失。中温阶段中温阶段: : p缠结位错重新组合缠结位错重新组合; ; p异号位错抵消异号位错抵消, , 位错密
9、度略有降低。位错密度略有降低。p亚晶粒长大。亚晶粒长大。2.1 回复机制回复机制 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分高温阶段回复:高温阶段回复:位错攀移和位错环缩小;位错攀移和位错环缩小;亚晶粒合并;亚晶粒合并;1)1) 多边化。多边化。 多边化多边化 是指冷变形金属加是指冷变形金属加热时,原来处于滑移面上的热时,原来处于滑移面上的位错,通过滑移和攀移形成位错,通过滑移和攀移形成与滑移面垂直的亚晶界的过与滑移面垂直的亚晶界的过程。多变化的驱动力是弹性程。多变化的驱动力是弹性应变能的降低。应变能
10、的降低。2.1 回复机制回复机制 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分上图中硬化分数上图中硬化分数 R R 表示为:表示为:R=(s sm-s sr)/(s sm-s s0);s sm、s sr、s s0分别为变形后、回复后以及完全退火后的屈服应力。分别为变形后、回复后以及完全退火后的屈服应力。2.2 回复动力学回复动力学 冷变形材料性能的回冷变形材料性能的回复程度与回复处理的复程度与回复处理的时间和温度有关。时间和温度有关。回复过程是热激活过回复过程是热激活过程,转变的速度决定程,转变的速度决
11、定于原子的活动能力。于原子的活动能力。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分u 降低应力降低应力 (保持加工硬化效果)(保持加工硬化效果)u 防止工件变形、开防止工件变形、开 裂,提高耐蚀性。裂,提高耐蚀性。2.3 回复应用回复应用 去应力退火去应力退火变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分p 冷变形后的金属加热到一定温度冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于一般大于0.4Tm)或保温足够时间后,在原
12、来的变形组织中产生了或保温足够时间后,在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒无畸变的新晶粒;p 新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒,新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒,位错密度显著降低,性能发生显著变化并恢复到位错密度显著降低,性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平,这个过程称为再结晶。冷变形前的水平,这个过程称为再结晶。p 再结晶的驱动力也是变形储能的降低。再结晶的驱动力也是变形储能的降低。第三节第三节 再结晶再结晶 3.1 再结晶的基本过程再结晶的基本过程变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个
13、重要组成部分3.2 再结晶形核再结晶形核再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程,但计算用经典的形核理论来处理再结晶过程,但计算得到的临界晶核半径过大,与试验结果不符。得到的临界晶核半径过大,与试验结果不符。大量实验表明,再结晶晶核总是在塑性变形引大量实验表明,再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成,并且回复阶段发生的多起的最大畸变处形成,并且回复阶段发生的多边形化是再结晶形核的必要准备。边形化是再结晶形核的必要准备。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线
14、是电力系统接线组成中一个重要组成部分回复阶段,塑性变形所形成的胞状组织经多边化发展成亚回复阶段,塑性变形所形成的胞状组织经多边化发展成亚晶,其中亚晶长大形核的方式有晶,其中亚晶长大形核的方式有亚晶合并亚晶合并和和亚晶界移动亚晶界移动两两种机制。种机制。3.2.1 亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分a. a. 亚晶合并机制亚晶合并机制 相邻亚晶界的位错,通过滑移和攀移转移相
15、邻亚晶界的位错,通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上,导致原来亚晶界到周围晶界或亚晶界上,导致原来亚晶界的消失,最后通过原子扩散和位置的调整,的消失,最后通过原子扩散和位置的调整,使两个或多个亚晶粒的取向变为一致,合使两个或多个亚晶粒的取向变为一致,合并成为一个大的亚晶粒,成为再结晶的晶并成为一个大的亚晶粒,成为再结晶的晶核。核。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分如上图,晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向如上图,晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动,吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为
16、再周边移动,吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。结晶晶核。b. b. 亚晶界移动机制亚晶界移动机制 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分当金属的变形度较小时,金属变形是不均匀的。若晶界两边一当金属的变形度较小时,金属变形是不均匀的。若晶界两边一个晶粒的位错密度高,另一个位错密度低,加热时晶界会向密个晶粒的位错密度高,另一个位错密度低,加热时晶界会向密度高的一侧突然移动,高密度一侧的原子转移到位错低的一侧,度高的一侧突然移动,高密度一侧的原子转移到位错低的一侧,新的排列应为无畸变区,这个区
17、域就是再结晶核心。新的排列应为无畸变区,这个区域就是再结晶核心。 3.2.2 晶界凸出形核机制晶界凸出形核机制 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分和结晶形核方式类似,晶界弯曲后,一方面晶界和结晶形核方式类似,晶界弯曲后,一方面晶界的弯曲面因面积增加会增加界面能,另一方面形的弯曲面因面积增加会增加界面能,另一方面形核区中原变形区内有应变能的释放。核区中原变形区内有应变能的释放。3.2.2 晶界凸出形核机制晶界凸出形核机制 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成
18、输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及铝铝- -铜合金中曾直接观察到。铜合金中曾直接观察到。 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分变形晶粒晶界附近的原子变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上,移动到新的未变形晶粒上,从而可以减少变形应变能,从而可以减少变形应变能,新晶粒不断长大到相遇,新晶粒不断长大到相遇,最后全部为新晶粒,再结最后全部为新晶粒,再结晶完成。晶完成。 t0时间时间t t半半径径R R
19、dR/dt = G晶粒彼此接触晶粒彼此接触孕育期孕育期3.3 核心的长大核心的长大变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分原子结合力大,熔点高的材料,再结晶进行较慢;原子结合力大,熔点高的材料,再结晶进行较慢;材料的纯度,纯净材料如纯金属,进行较快,而溶材料的纯度,纯净材料如纯金属,进行较快,而溶入了其它元素,特别是易在晶界处存在聚集的元素入了其它元素,特别是易在晶界处存在聚集的元素时,将降低再结晶的速度;时,将降低再结晶的速度;第二相质点特别是呈弥散分布时,将明显降低再结第二相质点特别是呈弥散分布
20、时,将明显降低再结晶的速度。晶的速度。 材料因素材料因素3.4 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分加热温度愈高,再结晶速度愈快;加热温度愈高,再结晶速度愈快;变形量大,弹性畸变能大,再结晶速度也快。变形量大,弹性畸变能大,再结晶速度也快。工艺因素工艺因素变形量过小,形变储能不能满足形核的基本要求时,再结变形量过小,形变储能不能满足形核的基本要求时,再结晶就不能发生。晶就不能发生。发生再结晶需要一定的变形量,称为临界变形量发生再结晶需要一定的变形量,称为临界变形
21、量C,大多,大多金属材料的临界变形量在金属材料的临界变形量在210%之间。之间。3.4 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分再结晶刚完成时,得到的是再结晶刚完成时,得到的是等轴细晶粒组织。继续提高等轴细晶粒组织。继续提高退火温度或延长保温时间,退火温度或延长保温时间,就会发生晶粒相互吞并而长就会发生晶粒相互吞并而长大的现象,晶粒长大包括均大的现象,晶粒长大包括均匀长大的正常长大过程和反匀长大的正常长大过程和反常的长大过程。常的长大过程。第四节第四节 晶粒长大晶粒
22、长大 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分4.1 正常的晶粒长大正常的晶粒长大4.1.1 晶粒长大的动力晶粒长大的动力 晶粒的长大是一自发过程,其驱动力是降低其总界面晶粒的长大是一自发过程,其驱动力是降低其总界面能。长大过程中,晶粒变大,则晶界的总面积减小,能。长大过程中,晶粒变大,则晶界的总面积减小,总界面能也就减小。总界面能也就减小。为减小表面能,晶粒长大的热力学条件总是满足的,为减小表面能,晶粒长大的热力学条件总是满足的,长大与否还需满足动力学条件,这就是界面的活动性。长大与否还需满足动力
23、学条件,这就是界面的活动性。而而温度温度是影响界面活动性的最主要因素。是影响界面活动性的最主要因素。变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分p 为降低表面能,弯曲晶界趋于为降低表面能,弯曲晶界趋于平直化,即晶界向曲率半径中平直化,即晶界向曲率半径中心移动以减小表面积。心移动以减小表面积。IIp 当三个晶粒相交晶界夹角不等于当三个晶粒相交晶界夹角不等于120120o o时,时,则晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动,则晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动,力图使三个夹角趋于相等。其原因是由力图使三个夹角趋于相
24、等。其原因是由于大角度晶界的表面张力与位向无关,于大角度晶界的表面张力与位向无关,几乎相等,即几乎相等,即T TA A=T=TB B=T=TC C ,因此三夹角必,因此三夹角必须相等各为须相等各为120120o oOOIIIIIITATBTC4.1.2 晶界移动的规律晶界移动的规律 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分p 二维坐标中,晶界边数少于二维坐标中,晶界边数少于6的晶粒(其晶界的晶粒(其晶界外凸)必然逐步缩小乃至消失。而边数大于外凸)必然逐步缩小乃至消失。而边数大于6的晶粒(晶界内凹)则
25、逐渐长大。当晶界边的晶粒(晶界内凹)则逐渐长大。当晶界边数为数为6时,晶界很平直且夹角为时,晶界很平直且夹角为120o时,则晶时,则晶界处于稳定状态,不再移动,要达到这样的界处于稳定状态,不再移动,要达到这样的平衡状态需要很长的保温时间。平衡状态需要很长的保温时间。4.1.2 晶界移动的规律晶界移动的规律 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接,从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分p 可溶解杂质及合金元素可溶解杂质及合金元素 溶质原子都能阻碍晶界移动,特别是晶界偏聚溶质原子都能阻碍晶界移动,特别是晶界偏聚( (内吸附内吸附) )显显著
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