材料科學基礎塑性變形

1、金屬材料的變形與再結晶金屬材料的變形與再結晶123金屬熱變形、蠕變與超塑性金屬熱變形、蠕變與超塑性4金屬的應力應變曲線金屬的應力應變曲線金屬的塑性變形金屬的塑性變形回復與再結晶回復與再結晶9.1 9.1 金屬的應力應變曲線金屬的應力應變曲線9.1.1 工程應力應變曲線工程應力應變曲線塑性階段塑性階段彈性階段彈性階段頸縮頸縮屈服強度屈服強度抗拉強度抗拉強度應變應變應變應變0.2有屈服點工程應力有屈服點工程應力-應變曲線應變曲線無屈服點工程應力無屈服點工程應力-應變曲線應變曲線9.1.2 真應力應變曲線真應力應變曲線 9.1 9.1 金屬的應力應變曲線金屬的應力應變曲線llTllldlllllll

2、lll00232112001ln)() 1(A0000llAPAAPAPT9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2.1 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形一、滑移一、滑移 1、滑移線和滑移帶、滑移線和滑移帶 工工業(yè)業(yè)純純銅銅中中的的滑滑移移 帶帶 滑移帶形成示意圖滑移帶形成示意圖 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2、滑移系滑移系滑移面：晶體滑移時沿某一特定晶面進滑移面：晶體滑移時沿某一特定晶面進行（通常為最密排晶面）。行（通常為最密排晶面）?；苹葡迪祷苹品较颍壕w滑移時沿滑移面的某特方向：晶體滑移時沿滑移面的某特定晶體學

3、方向進行（通常為最定晶體學方向進行（通常為最密排晶向）。密排晶向）?；葡担好總€滑移面和此面上的一個滑移方向?；葡担好總€滑移面和此面上的一個滑移方向。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 (1) 面心立方面心立方滑移面滑移面111滑移方向滑移方向滑移系共滑移系共12個個9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 (2) 體心體心立方立方 滑移面不穩(wěn)定，低溫滑移面不穩(wěn)定，低溫時多為時多為112，中溫時多為，中溫時多為110，高溫，高溫時多為時多為123； 滑移滑移方向很方向很穩(wěn)定：穩(wěn)定：； 滑移系滑移系可能有可能有1248個。個。 滑移系：滑移系：12滑移系：滑移系：12滑移系：滑移

4、系：249.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移系滑移系：3 一般來說一般來說，fcc和和bcc中中滑移系較多滑移系較多，比，比hcp塑性好塑性好；bcc中雖然滑移系的中雖然滑移系的數目數目較多較多，但滑移面的密排，但滑移面的密排程度程度比比fcc低，低，且滑移方向較少，且滑移方向較少，故塑性不如故塑性不如fcc。一些金屬的滑移系一些金屬的滑移系coscoscoscoscoscosPPAA9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 3、滑移的臨界分切應力、滑移的臨界分切應力 晶體晶體中的中的某滑移系是否某滑移系是否開動開動，決定于沿此滑移系分切應力決定于沿此滑移系分切應力的大小，當分

5、切應力達到某一的大小，當分切應力達到某一臨界值時，滑移才能發(fā)生。臨界值時，滑移才能發(fā)生。鎂晶體拉伸屈服應力與晶體取向的關系鎂晶體拉伸屈服應力與晶體取向的關系 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形4、滑移時晶面的轉動9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 4、滑移時晶面的轉動、滑移時晶面的轉動 拉伸時，晶面拉伸時，晶面轉動使滑移面和滑轉動使滑移面和滑移方向都逐漸與應移方向都逐漸與應力軸平行。力軸平行。自由滑移自由滑移受限制的滑移受限制的滑移9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形壓縮時的晶面轉動壓縮時的晶面轉動壓縮時的晶面轉動壓縮時的晶面轉動 壓縮時，壓縮時，晶面轉動使滑晶面轉

6、動使滑移面和滑移方移面和滑移方向都逐漸與應向都逐漸與應力軸垂直。力軸垂直。單軸拉伸時晶體轉動的力偶單軸拉伸時晶體轉動的力偶9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形5 5、復滑移、復滑移 滑移過程能夠沿兩個以上滑移系同時或交替進行，這種滑滑移過程能夠沿兩個以上滑移系同時或交替進行，這種滑移過程就稱為復滑移，又稱多滑移。移過程就稱為復滑移，又稱多滑移。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形立方晶體（立方晶體（001）標準投影圖）標準投影圖fcc晶體滑移系晶體滑移系9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形fcc晶體滑移的超越現象晶體滑移的超越

7、現象 例題：例題：當面當面心立方晶體拉伸時心立方晶體拉伸時，根據下圖所給的立方晶體，根據下圖所給的立方晶體(001)標標準投影圖回答準投影圖回答：(a) 拉伸沿拉伸沿P點所代表的方向進行時點所代表的方向進行時，哪個滑移系首先開動，哪個滑移系首先開動？(b) 拉伸軸平行于拉伸軸平行于001時，共有幾時，共有幾個滑移系可能開動，寫出所有可能個滑移系可能開動，寫出所有可能的情況。的情況。6 6、交、交滑移滑移9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形宏觀：兩個或兩個以上滑移面沿著同一個滑移方向同宏觀：兩個或兩個以上滑移面沿著同一個滑移方向同時或交替進行滑移的現象時或交替進行滑移的現象。微觀：螺位錯

8、在不改變滑移方向的情況下，改變滑移微觀：螺位錯在不改變滑移方向的情況下，改變滑移面引起的。面引起的。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形雙交滑移雙交滑移9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形思考：交滑移和層錯能的關系思考：交滑移和層錯能的關系7 7、滑移的位錯機制、滑移的位錯機制 宏觀宏觀上晶體滑移的臨界分切應力上晶體滑移的臨界分切應力 = 微觀微觀上克服位上克服位錯運動阻力的錯運動阻力的外力，包括：外力，包括：點陣點陣阻力（派阻力（派納力）；納力）；F-RF-R源開動源開動阻力阻力；與其它位錯的交互作用阻力；與其它位錯的交互作用阻力；l 長程交互力：克服彈性作用阻力；長程交互力

9、：克服彈性作用阻力；l 短程交互力：切割林位錯（扭折、割階）阻力；短程交互力：切割林位錯（扭折、割階）阻力；位錯交割后形成的割階與扭折位錯交割后形成的割階與扭折；位錯與位錯與其他其他缺陷發(fā)生交互作用。缺陷發(fā)生交互作用。 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形二、二、孿生孿生9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形鎂合金變形過程鎂合金變形過程中的孿生中的孿生 孿生：切孿生：切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分發(fā)生均勻切變的過程另一部分發(fā)生均勻切變的過程。孿生部分

10、與原。孿生部分與原晶體形成鏡面對稱。晶體形成鏡面對稱。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形變形前變形前 孿生孿生孿晶（孿晶（twintwin）：晶體）：晶體中原子排列以某一晶面成中原子排列以某一晶面成鏡面對稱部分鏡面對稱部分的的合稱。合稱。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形變形變形前前9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 1、孿生過程孿生過程形成條件：形成條件： 滑移系滑移系較少的密排六方晶體（如較少的密排六方晶體（如MgMg、ZnZn）；）； 低溫低溫（如（如CuCu在在4.2K4.2K）；）； 高高應變速率（如應變速率（如FeFe爆炸變形）。爆炸變形）?；苹苐

11、 不不均勻切變均勻切變l 沒有位相變化沒有位相變化 孿生孿生l 不均勻不均勻切變切變l 沒有位相沒有位相變化變化 1、孿生的形成過程9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形FccFcc晶體孿生變形示意圖晶體孿生變形示意圖9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形孿晶界孿晶界 切變晶體切變晶體仍然保仍然保持面心立方持面心立方結構結構 位位向發(fā)生變化向發(fā)生變化9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形孿生幾何學孿生幾何學l 球狀晶體，孿生面球狀晶體，孿生面K1；l 上半球均勻上半球均勻切變方向切變方向1；l 孿生要素：孿生要素：K1、1 、K2、2 ；9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑

12、性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形2 2、孿晶的形成、孿晶的形成 形變孿晶：形變過程中形成，在金相形貌上一般呈現透鏡形變孿晶：形變過程中形成，在金相形貌上一般呈現透鏡片狀，多數發(fā)源于晶界，終止于晶內，又稱機械孿晶片狀，多數發(fā)源于晶界，終止于晶內，又稱機械孿晶。 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形鋅和鐵經塑性變形后形成的形變鋅和鐵經塑性變形后形成的形變孿晶孿晶9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形銅單晶在銅單晶在4.2K的拉伸曲線的拉伸曲線 退火孿晶：變形金屬在退火過程中也可能產生孿晶組織退火孿晶：變形金屬在退火過程中也可能產生孿晶組織，與與形變形變孿晶相比，孿晶

13、相比，一般孿晶界面平直，且孿晶片較厚一般孿晶界面平直，且孿晶片較厚。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 銅晶體中的退火孿晶銅晶體中的退火孿晶組織組織 3 3、孿生的位錯機制、孿生的位錯機制9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形面心立方面心立方晶體中孿晶體中孿晶的形成晶的形成a/6112-9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形孿生的孿生的極軸機制孿生的孿生的極軸機制 4 4、滑移和孿生的比較、滑移和孿生的比較 1) 1) 相同點：相同點： 宏觀宏觀上，都是切應力作用下發(fā)生的剪切變形；上，都是切應力作用下發(fā)生的剪切變形； 微觀微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶上，都是晶

14、體塑性變形的基本形式，是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的體的一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程；移動過程； 均均不會不會改變晶體結構；改變晶體結構； 從從機制上看，都是位錯運動結果。機制上看，都是位錯運動結果。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2) 2) 不同點不同點：9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移滑移 不改變晶體的不改變晶體的位相；位相； 全位錯運動的全位錯運動的結果；結果； 不均勻切變不均勻切變過程；過程； 比較比較平緩，應力平緩，應力- -應變應變曲線較光滑、曲線較光滑、連續(xù)；連續(xù)； 臨界分切應力臨界分切應力值較小；值較小； 切變切變較大

15、，取決于較大，取決于晶體晶體的的塑性；塑性；孿生孿生 改變改變晶體的晶體的位相；位相； 不全位錯運動的不全位錯運動的結果；結果； 均勻切變均勻切變過程；過程； 發(fā)生迅速，應力發(fā)生迅速，應力- -應變應變曲曲線線呈鋸齒狀；呈鋸齒狀； 臨界分切應力值大；臨界分切應力值大； 切變較小，取決于切變較小，取決于晶體晶體結構；結構；9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形三、晶體的扭折三、晶體的扭折9.1.2 多晶體的塑性變形Zn單晶與多晶拉伸9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2.2 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形一、多晶體變形的特點一、多晶體變形的特點 1 1、相鄰晶粒的相互協調性、

16、相鄰晶粒的相互協調性 多晶體中晶粒取向隨機性多晶體中晶粒取向隨機性 變形不一致變形不一致 相鄰晶粒的相互協調性相鄰晶粒的相互協調性 對獨立滑移系的要求（對獨立滑移系的要求（5 5個）個）9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形2 2、晶界的影響、晶界的影響雙晶拉伸雙晶拉伸位錯塞積位錯塞積9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 3 3、晶粒尺寸與強度的關系、晶粒尺寸與強度的關系21Kdis霍爾佩奇（霍爾佩奇（Hall-PatchHall-Patch）關系：關系： 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形細細晶是唯一既提高強度也增晶是唯一既提高強度也增加塑形的強化方式。加塑形的強化方

17、式。提高塑形：提高塑形：變形較均勻、應力集中較小變形較均勻、應力集中較小 等強溫度等強溫度9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形二、屈服二、屈服 1 1、屈服現象、屈服現象9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2 2、應變時效現象、應變時效現象時效后時效后9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 3 3、屈服現象的解釋、屈服現象的解釋 1 1） 氣團理論：氣團理論： 在固溶體中，溶質或雜質原子在晶體中造成點陣畸變，溶在固溶體中，溶質或雜質原子在晶體中造成點陣畸變，溶質原子的應力場和位錯應力場會發(fā)生交互作用，作用的結果是質原子的應力場

18、和位錯應力場會發(fā)生交互作用，作用的結果是溶質原子將聚集在位錯線附近，形成溶質原子氣團，即所謂的溶質原子將聚集在位錯線附近，形成溶質原子氣團，即所謂的柯垂爾（柯垂爾（CottrellCottrell）氣團。）氣團。 可以解釋大部分晶體中出現的屈服現象。可以解釋大部分晶體中出現的屈服現象。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2 2）位錯理論）位錯理論 材料的塑性變形的應變速率材料的塑性變形的應變速率 p p是與晶體中可動位錯密度是與晶體中可動位錯密度 m m、位錯運動平均速度位錯運動平均速度v v以及位錯的柏氏矢量以及位錯的柏氏矢量b b成正比，即：成正比，即：vbmmv)(0而：可見，

19、具有明顯屈服現象的材料應具備以下條件：可見，具有明顯屈服現象的材料應具備以下條件： 開始變形前，晶體中的可動位錯密度開始變形前，晶體中的可動位錯密度 m m較低；較低； 隨著塑性變形的發(fā)生，位錯能夠迅速增殖；隨著塑性變形的發(fā)生，位錯能夠迅速增殖； 應力敏感因子應力敏感因子m m 較低。較低。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 9.1.3 9.1.3 合金的塑性變形與強化合金的塑性變形與強化一、固溶體的塑性變形一、固溶體的塑性變形 1 1）固溶強化）固溶強化強度、硬度隨溶質含強度、硬度隨溶質含量增加而增加，而塑量增加而增加，而塑性指標則相反性指標則相反 9.2 9.2 金屬的塑性變形金

20、屬的塑性變形溶質原子的加入通常同時提高了屈服強度和整個應力應變曲溶質原子的加入通常同時提高了屈服強度和整個應力應變曲線的水平，并使材料的加工硬化速率增高線的水平，并使材料的加工硬化速率增高鋁溶有鎂后的應鋁溶有鎂后的應力應變曲線力應變曲線 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形不同溶質的強化效果不同不同溶質的強化效果不同溶入合金元素對溶入合金元素對銅單晶臨界分切銅單晶臨界分切應力的影響應力的影響 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 原因主要有以下幾個方面：原因主要有以下幾個方面： 溶質原子的濃度。濃度越高，一般其強化效果也越好，溶質原子的濃度。濃度越高，一般其強化效果也越好，但并

21、不是線性關系，低濃度時顯著；但并不是線性關系，低濃度時顯著； 原子尺寸因素。溶質與溶劑原子尺寸相差越大，其強化原子尺寸因素。溶質與溶劑原子尺寸相差越大，其強化作用越好作用越好, ,但通常原子尺寸相差較大時，溶質原子的溶解度也但通常原子尺寸相差較大時，溶質原子的溶解度也很低；很低； 溶質原子類型。間隙型溶質原子的強化效果好于置換型，溶質原子類型。間隙型溶質原子的強化效果好于置換型，特別是體心立方晶體中的間隙原子；特別是體心立方晶體中的間隙原子； 相對價因素（電子因素）。溶質原子與基體金屬的價電相對價因素（電子因素）。溶質原子與基體金屬的價電子數相差越大，固溶強化效果越顯著，子數相差越大，固溶強化

22、效果越顯著，9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形電 子 濃 度 對電 子 濃 度 對Cu固溶體屈固溶體屈服應力的影響服應力的影響 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形固溶強化是由于多方面的作用引起的，包括：固溶強化是由于多方面的作用引起的，包括： 溶質原子與位錯發(fā)生彈性交互作用溶質原子與位錯發(fā)生彈性交互作用 固溶體中的溶質原子趨向于在位錯周圍的聚集分布，稱為固溶體中的溶質原子趨向于在位錯周圍的聚集分布，稱為溶質原子氣團，也就是柯垂耳氣團，它將對位錯的運動起到釘溶質原子氣團，也就是柯垂耳氣團，它將對位錯的運動起到釘扎作用，從而阻礙位錯運動；扎作用，從而阻礙位錯運動；9.2 9.2

23、 金屬的塑性變形金屬的塑性變形靜電交互作用靜電交互作用 溶質原子的額外自由電子從點陣壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)，并使壓溶質原子的額外自由電子從點陣壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)，并使壓縮區(qū)呈正電而拉伸區(qū)呈負電，即形成了局部靜電偶極。縮區(qū)呈正電而拉伸區(qū)呈負電，即形成了局部靜電偶極。 研究表明，在鋼中這種強化效果僅為彈性交互作用的研究表明，在鋼中這種強化效果僅為彈性交互作用的1/31/31/61/6，且不受溫度影響。，且不受溫度影響。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形化學交互作用與鈴木氣團化學交互作用與鈴木氣團 這與晶體中的擴展位錯有關，由于層錯能與化學成分相關，因此這與晶體中的擴展位錯有關，由于層錯能與化學成

24、分相關，因此晶體中層錯區(qū)的成分與其它地方存在一定差別，這種成分的偏聚也會晶體中層錯區(qū)的成分與其它地方存在一定差別，這種成分的偏聚也會導致位錯運動受阻，而且層錯能下降會導致層錯區(qū)增寬，這也會產生導致位錯運動受阻，而且層錯能下降會導致層錯區(qū)增寬，這也會產生強化作用。強化作用。 化學交互作用引發(fā)的固溶強化效果，較彈性交互作用低一個數量化學交互作用引發(fā)的固溶強化效果，較彈性交互作用低一個數量級，但由于其不受溫度的影響，因此在高溫形變中具有較重要的作用。級，但由于其不受溫度的影響，因此在高溫形變中具有較重要的作用。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形

25、2 2）有序強化）有序強化 超結構超結構有序疇有序疇二、多相合金的塑性變形二、多相合金的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形聚合型合金聚合型合金彌散型合金彌散型合金 1 1、聚合型兩相合金的塑性變形、聚合型兩相合金的塑性變形 對聚合型兩相合金而言，如果兩個相都具有塑性，則合金對聚合型兩相合金而言，如果兩個相都具有塑性，則合金的塑性變形決定于兩相的比例：的塑性變形決定于兩相的比例： 如果應變相等，則對一定應變時合金的平均流變應力為：如果應變相等，則對一定應變時合金的平均流變應力為： m m = f = f1 1 1 1 + f + f2 2 2 2 如果應力相等，則對于一定應力時

26、合金的平均應變?yōu)椋喝绻麘ο嗟?，則對于一定應力時合金的平均應變?yōu)椋?m m = f = f1 1 1 1 + f + f2 2 2 29.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2 2、彌散分布型合金的塑性變形、彌散分布型合金的塑性變形 當第二相以彌散分布形式存在時，一般將產生顯著的強化當第二相以彌散分布形式存在時，一般將產生顯著的強化作用。作用。 沉淀強化或時效強化沉淀強化或時效強化: :強化相顆粒通過過飽和固溶體的時強化相顆粒通過過飽和固溶體的時效處理沉淀析出效處理沉淀析出 彌散強化彌散強化: :借助粉末冶金或其它方法加入借助粉末冶金或其它方法加入9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性

27、變形 1 1）不可變形顆粒的強化作用）不可變形顆粒的強化作用9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形根據位錯理論，位錯彎曲至半徑根據位錯理論，位錯彎曲至半徑R R時所需切應力為：時所需切應力為：RGb2Gb而當而當R R為顆粒為顆粒間距的間距的一半時，所需切應力最?。阂话霑r，所需切應力最小：這就是奧羅萬（這就是奧羅萬（OrowanOrowan）機制）機制9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 2 2）可變形顆粒的強化作用）可變形顆粒的強化作用 當第二相顆粒為可變形顆粒時，位錯將切過，此時強化作當第二相顆粒為可變形顆粒時，位錯將切過，此時強化作用主要決定于粒子本身的性質以及其與基體的聯

28、系：用主要決定于粒子本身的性質以及其與基體的聯系：9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 位錯切過顆粒后，在其表面產生位錯切過顆粒后，在其表面產生b大小的臺階，增加了顆粒大小的臺階，增加了顆粒與基體兩者間界面，需要相應的能量；與基體兩者間界面，需要相應的能量； 如果顆粒為有序結構，將在滑移面上產生反相疇界，從而導如果顆粒為有序結構，將在滑移面上產生反相疇界，從而導致有序強化；致有序強化； 由于兩相的結構存在差異，因此當位錯切過顆粒后，在滑移由于兩相的結構存在差異，因此當位錯切過顆粒后，在滑移面上導致原子錯配，需要額外作功；面上導致原子錯配，需要

29、額外作功；P-N力不同造成阻力；力不同造成阻力； 顆粒周圍存在彈性應力場（由于顆粒與基體的比容差別，而顆粒周圍存在彈性應力場（由于顆粒與基體的比容差別，而且顆粒與基體之間往往保持共格或半共格結合）與位錯交互作且顆粒與基體之間往往保持共格或半共格結合）與位錯交互作用，對位錯運動有阻礙作用；用，對位錯運動有阻礙作用；Al-1.6%Cu合金合金 9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2.4 9.2.4 變形后的組織與性能變形后的組織與性能一、顯微組織的變化一、顯微組織的變化銅經不同程度冷軋后的光學銅經不同程度冷軋后的光學顯微組織顯微組織 30%,

30、 50%, 99%（3000）9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形二、亞結構的變化二、亞結構的變化 位錯密度：從退火的位錯密度：從退火的10106 610101010/cm/cm2 2增至增至1010111110101212/cm/cm2 2。 30%壓縮率（壓縮率（30000） 50%壓縮率（壓縮率（30000）99%壓縮率（壓縮率（30000）9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形與層錯能的關系？與層錯能的關系？銅經不同程度冷軋后的透射電鏡銅經不同程度冷軋后的透射電鏡相相三、性能的變化三、性能的變化 加工硬化；其他性能變化加工硬化；其他性能變化9.2 9.2 金屬的塑性變形金

31、屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形單晶體應力應變曲單晶體應力應變曲線上的三個典型階段線上的三個典型階段9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形三種常見結構的純金三種常見結構的純金屬單晶體處于軟取向屬單晶體處于軟取向時的應力應變曲線時的應力應變曲線四、形變織構（擇優(yōu)取向）四、形變織構（擇優(yōu)取向）形變織構：當塑性變形量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機形變織構：當塑性變形量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機的各個晶粒由于轉動會逐漸調整到其取向趨于一致，這種經過的各個晶粒由于轉動會逐漸調整到其取向趨于一致，這種經過強烈變形后的多晶體材料形成了擇優(yōu)取向。強烈變形后的多晶體材料形成

32、了擇優(yōu)取向。 絲織構：絲織構： 拉拔過程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趨向于拉拔過程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趨向于與拔絲方向平行，一般這種織構也就以相關方向表示。與拔絲方向平行，一般這種織構也就以相關方向表示。 如鋁拉絲為如鋁拉絲為織構，而冷拉鐵絲為織構，而冷拉鐵絲為織構；織構； 板織構：板織構： 板織構主要是在軋板時形成，其主要特征為各晶粒的某一板織構主要是在軋板時形成，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向趨向于與軋面和軋向平行，一般這種織構也就以相晶面和晶向趨向于與軋面和軋向平行，一般這種織構也就以相關面和方向表示。關面和方向表示。 如冷軋黃銅的如冷軋黃銅的110,110,

33、織構。織構。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形五、殘余應力五、殘余應力 來源：形變過程中殘留在材料內部的應力；來源：形變過程中殘留在材料內部的應力； 實質：是材料內部各部分之間不均勻變形引起的。實質：是材料內部各部分之間不均勻變形引起的。 類型：宏觀、微觀、點陣畸變類型：宏觀、微觀、點陣畸變 第一類內應力，又稱宏觀殘余應力，作用范圍工件尺度；第一類內應力，又稱宏觀殘余應力，作用范圍工件尺度； 第二類內應力，又稱微觀殘余應力，作用范圍晶粒尺度；第二類內應力，又稱微觀殘余應力，作用范圍晶粒尺度； 第三類內應力，又稱點陣畸變，作用范圍點陣尺度，由

34、于第三類內應力，又稱點陣畸變，作用范圍點陣尺度，由于在形變過程中形成了大量點陣缺陷所致，這部分能量占整個儲在形變過程中形成了大量點陣缺陷所致，這部分能量占整個儲存能中的絕大部分。存能中的絕大部分。9.2 9.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶回回 復：新的無畸變晶粒出現前所產生的亞結構和性能變化復：新的無畸變晶粒出現前所產生的亞結構和性能變化 的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化；的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化；再再 結結 晶：無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶：無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大：再結晶結束后晶粒的長大過程。晶粒長

35、大：再結晶結束后晶粒的長大過程。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶一、組織變化一、組織變化9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶二、回復和再結晶的驅動力二、回復和再結晶的驅動力 儲存能是變形金屬加熱時發(fā)生回復與再結晶的驅動力儲存能是變形金屬加熱時發(fā)生回復與再結晶的驅動力9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶 三、性能的變化9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶三、性能變化三、性能變化 冷變形晶體的回復冷變形晶體的回復一、回復的去應力作用一、回復的去應力作用 在回復階段，第一類內應力基本可以消除，造成加工硬化在回復階段，第一類內應力基本可以消除，造成加工硬化的第三類內應力變化很少，而

36、第二類內應力的消除程度則介于的第三類內應力變化很少，而第二類內應力的消除程度則介于一、三類內應力之間。一、三類內應力之間。 去應力退火；去應力退火； 例：彈殼黃銅的應力腐蝕例：彈殼黃銅的應力腐蝕9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶二、回復動力學)()(0mrmR9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶二、回復動力學二、回復動力學屈服應力回復率 回復回復過程在加熱過程在加熱后立刻開始，沒后立刻開始，沒有孕育期；有孕育期； 回復回復開始的速率開始的速率很大，隨著時間很大，隨著時間的延長，逐漸降的延長，逐漸降低，直至趨于零；低，直至趨于零； 加熱加熱溫度越高，溫度越高，最終回復程度也最終回復程度

37、也越高；越高； 變形量變形量越大，初越大，初始晶粒尺寸越小，始晶粒尺寸越小，都有助于加快回都有助于加快回復速率。復速率。三、回復機制三、回復機制（1 1）低溫）低溫回復回復（0.10.3Tm） 因溫度較低，原子活動能力有限，一般局限于點缺陷的運因溫度較低，原子活動能力有限，一般局限于點缺陷的運動，通過空位遷移至晶界、位錯或與間隙原子結合而消失，使動，通過空位遷移至晶界、位錯或與間隙原子結合而消失，使冷變形過程中形成的過飽和空位濃度下降冷變形過程中形成的過飽和空位濃度下降。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶點缺陷運動點缺陷運動（空位）（空位）移至晶界、位錯處移至晶界、位錯處空位空位間隙原子

38、間隙原子空位聚集（空位群、對）空位聚集（空位群、對）消失消失缺陷密度降低缺陷密度降低（2 2）中溫）中溫回復回復（0.30.5Tm） 原子活動能力增強，位錯也被激活，在內應力作用下原子活動能力增強，位錯也被激活，在內應力作用下開始滑移，部分異號位錯發(fā)生抵消，密度略有降低開始滑移，部分異號位錯發(fā)生抵消，密度略有降低。 位錯滑移位錯滑移異號位錯相遇而抵銷異號位錯相遇而抵銷位錯纏結重新排列位錯纏結重新排列亞晶粒長大亞晶粒長大位錯密度降低位錯密度降低（3 3）高溫）高溫回復回復（0.5Tm） 變形金屬的回復機制主要與位錯的攀移運動有關，最變形金屬的回復機制主要與位錯的攀移運動有關，最終通過滑移和攀移使

39、得位錯從同一滑移面變?yōu)樵诓煌平K通過滑移和攀移使得位錯從同一滑移面變?yōu)樵诓煌泼嫔县Q直排列的位錯墻，以降低總面上豎直排列的位錯墻，以降低總畸變能畸變能. .（3） 高溫回復（高溫回復（0.5Tm）位錯攀移位錯攀移（滑移）（滑移） 位錯垂直排列（亞晶界）位錯垂直排列（亞晶界） 多邊化（亞晶粒）多邊化（亞晶粒） 彈性畸變能降低。彈性畸變能降低?；貜瓦^程中的位錯攀移與滑移回復過程中的位錯攀移與滑移9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶位錯在多邊化過程中重新分布位錯在多邊化過程中重新分布 9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶 冷變形金屬的再結晶冷變形金屬的再結晶一、再結晶晶核的形成與長大一、

40、再結晶晶核的形成與長大( (與相變相區(qū)別）與相變相區(qū)別）(1) (1) 晶界弓出形核機制晶界弓出形核機制 對于變形程度較小的金屬（一般小于對于變形程度較小的金屬（一般小于20%20%），再結晶晶核），再結晶晶核往往采用弓出形核機制生成。往往采用弓出形核機制生成。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶弓出方式形核的條件弓出方式形核的條件dVdAEGsrdVdA2對球面：對球面：rEdVdAEGss2 若晶界弓出段兩端若晶界弓出段兩端a a、b b固定，且固定，且 值恒定，則開始階段隨值恒定，則開始階段隨abab弓弓出彎曲，出彎曲，r r逐漸減小、逐漸減小、 G G值增大。當值增大。當r r達到

41、最小值達到最小值(r(rab/2ab/2L)L)時，時， G G將達到最大值。此后，若繼續(xù)弓出，由于將達到最大值。此后，若繼續(xù)弓出，由于r r的增大而的增大而 G G減小，于是，晶界將自發(fā)地向前推移。因此，一段長為減小，于是，晶界將自發(fā)地向前推移。因此，一段長為2L2L的晶的晶界，其弓出形核的能量條件為界，其弓出形核的能量條件為 G 0G 70%70%）的金屬，在）的金屬，在1h1h完成再結晶體積分完成再結晶體積分數數95%95%所對應的溫度。所對應的溫度。 實驗表明，對許多工業(yè)純金屬而言，在上述條件下，再結晶實驗表明，對許多工業(yè)純金屬而言，在上述條件下，再結晶溫度溫度T TR R與其熔點與其

42、熔點TmTm間有如下關系：間有如下關系： T TR R (0.35-0.45)Tm (0.35-0.45)Tm。 在實際應用中在實際應用中，退火，退火的溫度要比再結晶溫度高些。的溫度要比再結晶溫度高些。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶三、影響再結晶溫度的因素三、影響再結晶溫度的因素（1 1）變形程度）變形程度9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶 （2 2）原始晶粒尺寸）原始晶粒尺寸 原始晶粒越小，則由于晶界較多，其變形抗力愈大，形變原始晶粒越小，則由于晶界較多，其變形抗力愈大，形變后的儲存能較高，因此再結晶溫度降低。此外，再結晶形核通后的儲存能較高，因此再結晶溫度降低。此外，再結晶

43、形核通常是在原晶粒邊界處發(fā)生，所以原始晶粒尺寸愈小，所形成的常是在原晶粒邊界處發(fā)生，所以原始晶粒尺寸愈小，所形成的再結晶晶粒更小，而再結晶溫度也降低。再結晶晶粒更小，而再結晶溫度也降低。（3 3）微量溶質原子）微量溶質原子9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶 （4 4）第二相顆粒）第二相顆粒 多數情況下，合金中的第二相為硬脆的化合物，在冷變形多數情況下，合金中的第二相為硬脆的化合物，在冷變形過程中，一般不考慮其變形，所以合金的再結晶也主要發(fā)生在過程中，一般不考慮其變形，所以合金的再結晶也主要發(fā)生在基體上，這些第二相顆粒對基體再結晶的影響主要由第二相的基體上，這些第二相顆粒對基體再結晶的影響

44、主要由第二相的尺寸和分布決定。尺寸和分布決定。 當第二相顆粒較粗時，變形時位錯會繞過顆粒，并在顆粒當第二相顆粒較粗時，變形時位錯會繞過顆粒，并在顆粒周圍留下位錯環(huán)，或塞積在顆粒附近，從而造成顆粒周圍畸變周圍留下位錯環(huán)，或塞積在顆粒附近，從而造成顆粒周圍畸變嚴重，因此會促進再結晶，降低再結晶溫度；嚴重，因此會促進再結晶，降低再結晶溫度； 當第二相顆粒細小，分布均勻時，不會使位錯發(fā)生明顯聚當第二相顆粒細小，分布均勻時，不會使位錯發(fā)生明顯聚集，因此對再結晶形核作用不大，相反，其對再結晶晶核的長集，因此對再結晶形核作用不大，相反，其對再結晶晶核的長大過程中的位錯運動和晶界遷移起一種阻礙作用，因此使得再

45、大過程中的位錯運動和晶界遷移起一種阻礙作用，因此使得再結晶過程更加困難，提高再結晶溫度。結晶過程更加困難，提高再結晶溫度。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶四、再結晶后的晶粒大小四、再結晶后的晶粒大小 再結晶后晶粒尺寸符合約翰遜梅厄方程：再結晶后晶粒尺寸符合約翰遜梅厄方程：41）（常數Iud1 1、變形度的影響、變形度的影響9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶2 2、再結晶退火溫度的影響、再結晶退火溫度的影響9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶 （3 3）原始晶粒大?。┰季Я４笮?晶界附近區(qū)域的形變情況比較復雜，因而這些區(qū)域的局部晶界附近區(qū)域的形變情況比較復雜，因而這些區(qū)域的局

46、部儲存能較高，使晶核易于形成。細晶粒金屬的晶界面積大，所儲存能較高，使晶核易于形成。細晶粒金屬的晶界面積大，所以儲存能高的區(qū)域多，形成的再結晶核心也多，故使再結晶后以儲存能高的區(qū)域多，形成的再結晶核心也多，故使再結晶后的晶粒尺寸減小。的晶粒尺寸減小。（4 4）雜質）雜質 金屬中雜質的存在可提高強度，因此在同樣的形變量下，金屬中雜質的存在可提高強度，因此在同樣的形變量下，雜質將增大冷形變金屬中的儲存能，從而使再結晶時的雜質將增大冷形變金屬中的儲存能，從而使再結晶時的u/Iu/I值值減小減小。另一方面，雜質對降低界面的遷移能力是極為有效的，另一方面，雜質對降低界面的遷移能力是極為有效的，這就是說，

47、它會降低再結晶完成后晶粒的長大速率。所以，金這就是說，它會降低再結晶完成后晶粒的長大速率。所以，金屬中的雜質將會使再結晶后的晶粒變小。屬中的雜質將會使再結晶后的晶粒變小。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶再結晶后的晶粒長大再結晶后的晶粒長大正常長大：大多數晶粒長大速率相差不多，幾乎是均勻長大；正常長大：大多數晶粒長大速率相差不多，幾乎是均勻長大；異常長大：少數晶粒突發(fā)性的不均勻長大，也稱二次再結晶。異常長大：少數晶粒突發(fā)性的不均勻長大，也稱二次再結晶。一、晶粒的正常長大一、晶粒的正常長大（1 1）長大方式）長大方式 再結晶完成后，新等軸晶已完全接觸，形變儲存能已完全再結晶完成后，新等軸晶

48、已完全接觸，形變儲存能已完全釋放，但在繼續(xù)保溫或升高溫度情況下的長大是依靠大角度晶釋放，但在繼續(xù)保溫或升高溫度情況下的長大是依靠大角度晶界的移動并吞食其它晶粒實現的。界的移動并吞食其它晶粒實現的。（2 2）長大的驅動力）長大的驅動力 晶粒長大的過程實際上就是一個晶界遷移過程，從宏觀上晶粒長大的過程實際上就是一個晶界遷移過程，從宏觀上來看，晶粒長大的驅動力是界面能的降低，而從晶粒尺度來看，來看，晶粒長大的驅動力是界面能的降低，而從晶粒尺度來看，驅動力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。有時也將晶粒長驅動力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。有時也將晶粒長大稱之為粗化。大稱之為粗化。9.3 9.3 回

49、復與再結晶回復與再結晶二、二次再結晶（異常晶粒長大）二、二次再結晶（異常晶粒長大）Mg-3Al-0.8ZnMg-3Al-0.8Zn合金退火組織合金退火組織a a 正常再結晶，正常再結晶，b b 晶粒長大，晶粒長大，c c 二次再結晶二次再結晶 9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶二次再結晶的一般規(guī)律：二次再結晶的一般規(guī)律：二次再結晶中形成的大晶粒不是重新形核后長大的，它們是二次再結晶中形成的大晶粒不是重新形核后長大的，它們是初次再結晶中形成的某些特殊晶粒的繼續(xù)長大。初次再結晶中形成的某些特殊晶粒的繼續(xù)長大。開始時長大得很慢，只是在長大到某一臨界尺寸以后才迅速開始時長大得很慢，只是在長大到某

50、一臨界尺寸以后才迅速長大。可以認為在二次再結晶開始之前，有一個孕育期。長大?？梢哉J為在二次再結晶開始之前，有一個孕育期。二次再結晶完成以后，有時也有明顯的織構。這種織構總是二次再結晶完成以后，有時也有明顯的織構。這種織構總是和初次再結晶得到的織構明顯地不同。和初次再結晶得到的織構明顯地不同。要發(fā)生二次再結晶，加熱溫度必須在某一溫度以上。通常最要發(fā)生二次再結晶，加熱溫度必須在某一溫度以上。通常最大的晶粒尺寸是在加熱溫度剛剛超過這一溫度時得到的。當加大的晶粒尺寸是在加熱溫度剛剛超過這一溫度時得到的。當加熱溫度更高時，得到的二次再結晶晶粒的尺寸反而較小。熱溫度更高時，得到的二次再結晶晶粒的尺寸反而較小。和正常的晶粒長大一樣，二次再結晶助驅動力也是晶界能。和正常的晶粒長大一樣，二次再結晶助驅動力也是晶界能。 晶粒的異常長大一般是在晶粒正常長大過程被分散相粒子、晶粒的異常長大一般是在晶粒正常長大過程被分散相粒子、織構或表面熱蝕溝等強烈阻礙情況下發(fā)生的?？棙嫽虮砻鏌嵛g溝等強烈阻礙情況下發(fā)生的。9.3 9.3 回復與再結晶回復與再結晶晶界的影響晶界的影響-熱蝕溝熱蝕溝9.3 9.3 回復與再結