材料科學(xué)基礎(chǔ)塑性變形

材料科學(xué)基礎(chǔ)塑性變形第1頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的變形與再結(jié)晶123金屬熱變形、蠕變與超塑性4金屬的應(yīng)力－應(yīng)變曲線金屬的塑性變形回復(fù)與再結(jié)晶第2頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.1金屬的應(yīng)力－應(yīng)變曲線9.1.1工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線塑性階段彈性階段頸縮屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度

第3頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

應(yīng)變應(yīng)變0.2有屈服點(diǎn)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線無屈服點(diǎn)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線第4頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.1.2真應(yīng)力應(yīng)變曲線9.1金屬的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第5頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形9.2.1單晶體的塑性變形一、滑移

1、滑移線和滑移帶工業(yè)純銅中的滑移

帶第6頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五滑移帶形成示意圖9.2金屬的塑性變形第7頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形2、滑移系滑移面：晶體滑移時(shí)沿某一特定晶面進(jìn)行（通常為最密排晶面）?；葡祷品较颍壕w滑移時(shí)沿滑移面的某特定晶體學(xué)方向進(jìn)行（通常為最密排晶向）?；葡担好總€(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向。第8頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形

(1)面心立方滑移面{111}滑移方向<110>滑移系共12個(gè)第9頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形

(2)體心立方滑移面不穩(wěn)定，低溫時(shí)多為{112}，中溫時(shí)多為{110}，高溫時(shí)多為{123}；

滑移方向很穩(wěn)定：<111>；

滑移系可能有12~48個(gè)?；葡担?2滑移系：12滑移系：24第10頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形

滑移系：3一般來說，fcc和bcc中滑移系較多，比hcp塑性好；bcc中雖然滑移系的數(shù)目較多，但滑移面的密排程度比fcc低，且滑移方向較少，故塑性不如fcc。第11頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五一些金屬的滑移系第12頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

9.2金屬的塑性變形

3、滑移的臨界分切應(yīng)力晶體中的某滑移系是否開動(dòng)，決定于沿此滑移系分切應(yīng)力的大小，當(dāng)分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，滑移才能發(fā)生。第13頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

第14頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五鎂晶體拉伸屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系

9.2金屬的塑性變形第15頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五4、滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)9.2金屬的塑性變形

4、滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸時(shí)，晶面轉(zhuǎn)動(dòng)使滑移面和滑移方向都逐漸與應(yīng)力軸平行。第16頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五自由滑移受限制的滑移第17頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形壓縮時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng)第18頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五壓縮時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮時(shí)，晶面轉(zhuǎn)動(dòng)使滑移面和滑移方向都逐漸與應(yīng)力軸垂直。第19頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五單軸拉伸時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶9.2金屬的塑性變形

第20頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五5、復(fù)滑移滑移過程能夠沿兩個(gè)以上滑移系同時(shí)或交替進(jìn)行，這種滑移過程就稱為復(fù)滑移，又稱多滑移。9.2金屬的塑性變形第21頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形立方晶體（001）標(biāo)準(zhǔn)投影圖fcc晶體滑移系第22頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形fcc晶體滑移的超越現(xiàn)象第23頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五例題：當(dāng)面心立方晶體拉伸時(shí)，根據(jù)下圖所給的立方晶體(001)標(biāo)準(zhǔn)投影圖回答：(a)拉伸沿P點(diǎn)所代表的方向進(jìn)行時(shí)，哪個(gè)滑移系首先開動(dòng)？(b)拉伸軸平行于[001]時(shí)，共有幾個(gè)滑移系可能開動(dòng)，寫出所有可能的情況。第24頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五6、交滑移9.2金屬的塑性變形宏觀：兩個(gè)或兩個(gè)以上滑移面沿著同一個(gè)滑移方向同時(shí)或交替進(jìn)行滑移的現(xiàn)象。微觀：螺位錯(cuò)在不改變滑移方向的情況下，改變滑移面引起的。第25頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第26頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五雙交滑移9.2金屬的塑性變形思考：交滑移和層錯(cuò)能的關(guān)系第27頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五7、滑移的位錯(cuò)機(jī)制宏觀上晶體滑移的臨界分切應(yīng)力

=

微觀上克服位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的外力，包括：點(diǎn)陣阻力（派－納力）；F-R源開動(dòng)阻力；與其它位錯(cuò)的交互作用阻力；長程交互力：克服彈性作用阻力；短程交互力：切割林位錯(cuò)（扭折、割階）阻力；位錯(cuò)交割后形成的割階與扭折；位錯(cuò)與其他缺陷發(fā)生交互作用。

9.2金屬的塑性變形第28頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、孿生9.2金屬的塑性變形鎂合金變形過程中的孿生第29頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五第30頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五孿生：切應(yīng)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）相對于另一部分發(fā)生均勻切變的過程。孿生部分與原晶體形成鏡面對稱。9.2金屬的塑性變形變形前孿生第31頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五孿晶（twin）：晶體中原子排列以某一晶面成鏡面對稱部分的合稱。9.2金屬的塑性變形第32頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五變形前9.2金屬的塑性變形

1、孿生過程形成條件：滑移系較少的密排六方晶體（如Mg、Zn）；低溫（如Cu在4.2K）；高應(yīng)變速率（如Fe爆炸變形）?；撇痪鶆蚯凶儧]有位相變化孿生不均勻切變沒有位相變化第33頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五1、孿生的形成過程9.2金屬的塑性變形Fcc晶體孿生變形示意圖第34頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形孿晶界

切變晶體仍然保持面心立方結(jié)構(gòu)位向發(fā)生變化第35頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第36頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五孿生幾何學(xué)球狀晶體，孿生面K1；上半球均勻切變方向η1；孿生要素：K1、η1、K2、η2；9.2金屬的塑性變形第37頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第38頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五2、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(xiàn)透鏡片狀，多數(shù)發(fā)源于晶界，終止于晶內(nèi)，又稱機(jī)械孿晶。9.2金屬的塑性變形鋅和鐵經(jīng)塑性變形后形成的形變孿晶第39頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形銅單晶在4.2K的拉伸曲線第40頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

退火孿晶：變形金屬在退火過程中也可能產(chǎn)生孿晶組織，與形變孿晶相比，一般孿晶界面平直，且孿晶片較厚。9.2金屬的塑性變形銅晶體中的退火孿晶組織第41頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

3、孿生的位錯(cuò)機(jī)制9.2金屬的塑性變形面心立方晶體中孿晶的形成第42頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

a/6[112]-9.2金屬的塑性變形

孿生的孿生的極軸機(jī)制第43頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五4、滑移和孿生的比較

1)相同點(diǎn)：宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；微觀上，都是晶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移動(dòng)過程；均不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)；從機(jī)制上看，都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)結(jié)果。9.2金屬的塑性變形第44頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

2)不同點(diǎn)：9.2金屬的塑性變形滑移不改變晶體的位相；全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；不均勻切變過程；比較平緩，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較光滑、連續(xù)；臨界分切應(yīng)力值較??；切變較大，取決于晶體的塑性；孿生改變晶體的位相；不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；均勻切變過程；發(fā)生迅速，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈鋸齒狀；臨界分切應(yīng)力值大；切變較小，取決于晶體結(jié)構(gòu)；第45頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形三、晶體的扭折第46頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.1.2多晶體的塑性變形Zn單晶與多晶拉伸9.2金屬的塑性變形9.2.2多晶體的塑性變形第47頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五一、多晶體變形的特點(diǎn)

1、相鄰晶粒的相互協(xié)調(diào)性多晶體中晶粒取向隨機(jī)性變形不一致相鄰晶粒的相互協(xié)調(diào)性對獨(dú)立滑移系的要求（5個(gè)）9.2金屬的塑性變形第48頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五2、晶界的影響雙晶拉伸 位錯(cuò)塞積9.2金屬的塑性變形第49頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

3、晶粒尺寸與強(qiáng)度的關(guān)系霍爾－佩奇（Hall-Patch）關(guān)系：9.2金屬的塑性變形細(xì)晶是唯一既提高強(qiáng)度也增加塑形的強(qiáng)化方式。提高塑形：變形較均勻、應(yīng)力集中較小第50頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五等強(qiáng)溫度9.2金屬的塑性變形第51頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、屈服

1、屈服現(xiàn)象9.2金屬的塑性變形第52頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第53頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

2、應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象時(shí)效后9.2金屬的塑性變形第54頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

3、屈服現(xiàn)象的解釋

1）氣團(tuán)理論：在固溶體中，溶質(zhì)或雜質(zhì)原子在晶體中造成點(diǎn)陣畸變，溶質(zhì)原子的應(yīng)力場和位錯(cuò)應(yīng)力場會(huì)發(fā)生交互作用，作用的結(jié)果是溶質(zhì)原子將聚集在位錯(cuò)線附近，形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，即所謂的柯垂?fàn)枺–ottrell）氣團(tuán)?？梢越忉尨蟛糠志w中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象。9.2金屬的塑性變形第55頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

2）位錯(cuò)理論材料的塑性變形的應(yīng)變速率p是與晶體中可動(dòng)位錯(cuò)密度m、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速度v以及位錯(cuò)的柏氏矢量b成正比，即：可見，具有明顯屈服現(xiàn)象的材料應(yīng)具備以下條件：①開始變形前，晶體中的可動(dòng)位錯(cuò)密度rm較低；②隨著塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能夠迅速增殖；③應(yīng)力敏感因子m'較低。9.2金屬的塑性變形第56頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

9.1.3合金的塑性變形與強(qiáng)化一、固溶體的塑性變形

1）固溶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度隨溶質(zhì)含量增加而增加，而塑性指標(biāo)則相反9.2金屬的塑性變形第57頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五溶質(zhì)原子的加入通常同時(shí)提高了屈服強(qiáng)度和整個(gè)應(yīng)力－應(yīng)變曲線的水平，并使材料的加工硬化速率增高鋁溶有鎂后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線9.2金屬的塑性變形第58頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五不同溶質(zhì)的強(qiáng)化效果不同溶入合金元素對銅單晶臨界分切應(yīng)力的影響9.2金屬的塑性變形第59頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五原因主要有以下幾個(gè)方面：①溶質(zhì)原子的濃度。濃度越高，一般其強(qiáng)化效果也越好，但并不是線性關(guān)系，低濃度時(shí)顯著；②原子尺寸因素。溶質(zhì)與溶劑原子尺寸相差越大，其強(qiáng)化作用越好,但通常原子尺寸相差較大時(shí)，溶質(zhì)原子的溶解度也很低；③溶質(zhì)原子類型。間隙型溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果好于置換型，特別是體心立方晶體中的間隙原子；④相對價(jià)因素（電子因素）。溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化效果越顯著，9.2金屬的塑性變形第60頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五電子濃度對Cu固溶體屈服應(yīng)力的影響

9.2金屬的塑性變形第61頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五固溶強(qiáng)化是由于多方面的作用引起的，包括：①溶質(zhì)原子與位錯(cuò)發(fā)生彈性交互作用固溶體中的溶質(zhì)原子趨向于在位錯(cuò)周圍的聚集分布，稱為溶質(zhì)原子氣團(tuán)，也就是柯垂耳氣團(tuán)，它將對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到釘扎作用，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；9.2金屬的塑性變形第62頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五②靜電交互作用溶質(zhì)原子的額外自由電子從點(diǎn)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(fù)電，即形成了局部靜電偶極。研究表明，在鋼中這種強(qiáng)化效果僅為彈性交互作用的1/3—1/6，且不受溫度影響。9.2金屬的塑性變形第63頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五③化學(xué)交互作用與鈴木氣團(tuán)這與晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò)有關(guān)，由于層錯(cuò)能與化學(xué)成分相關(guān)，因此晶體中層錯(cuò)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(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，而且層錯(cuò)能下降會(huì)導(dǎo)致層錯(cuò)區(qū)增寬，這也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用?；瘜W(xué)交互作用引發(fā)的固溶強(qiáng)化效果，較彈性交互作用低一個(gè)數(shù)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。9.2金屬的塑性變形第64頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形

2）有序強(qiáng)化

超結(jié)構(gòu) 有序疇第65頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、多相合金的塑性變形9.2金屬的塑性變形聚合型合金彌散型合金第66頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

1、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(gè)相都具有塑性，則合金的塑性變形決定于兩相的比例：如果應(yīng)變相等，則對一定應(yīng)變時(shí)合金的平均流變應(yīng)力為：

sm=f1s1+f2s2

如果應(yīng)力相等，則對于一定應(yīng)力時(shí)合金的平均應(yīng)變?yōu)椋?/p>

em=f1e1+f2e29.2金屬的塑性變形第67頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

2、彌散分布型合金的塑性變形當(dāng)?shù)诙嘁詮浬⒎植夹问酱嬖跁r(shí)，一般將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化:強(qiáng)化相顆粒通過過飽和固溶體的時(shí)效處理沉淀析出彌散強(qiáng)化:借助粉末冶金或其它方法加入9.2金屬的塑性變形第68頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

1）不可變形顆粒的強(qiáng)化作用9.2金屬的塑性變形第69頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五根據(jù)位錯(cuò)理論，位錯(cuò)彎曲至半徑R時(shí)所需切應(yīng)力為：而當(dāng)R為顆粒間距的一半時(shí)，所需切應(yīng)力最?。哼@就是奧羅萬（Orowan）機(jī)制9.2金屬的塑性變形第70頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

2）可變形顆粒的強(qiáng)化作用當(dāng)?shù)诙囝w粒為可變形顆粒時(shí)，位錯(cuò)將切過，此時(shí)強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系：9.2金屬的塑性變形第71頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形①位錯(cuò)切過顆粒后，在其表面產(chǎn)生b大小的臺(tái)階，增加了顆粒與基體兩者間界面，需要相應(yīng)的能量；②如果顆粒為有序結(jié)構(gòu)，將在滑移面上產(chǎn)生反相疇界，從而導(dǎo)致有序強(qiáng)化；③由于兩相的結(jié)構(gòu)存在差異，因此當(dāng)位錯(cuò)切過顆粒后，在滑移面上導(dǎo)致原子錯(cuò)配，需要額外作功；P-N力不同造成阻力；④顆粒周圍存在彈性應(yīng)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(jié)合）與位錯(cuò)交互作用，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用；第72頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五Al-1.6%Cu合金9.2金屬的塑性變形第73頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第74頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2.4變形后的組織與性能一、顯微組織的變化銅經(jīng)不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織

30%,50%,99%（3000×）9.2金屬的塑性變形第75頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、亞結(jié)構(gòu)的變化位錯(cuò)密度：從退火的106～1010/cm2增至1011－1012/cm2。

30%壓縮率（30000×）

50%壓縮率（30000×）99%壓縮率（30000×）9.2金屬的塑性變形與層錯(cuò)能的關(guān)系？銅經(jīng)不同程度冷軋后的透射電鏡相第76頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五三、性能的變化加工硬化；其他性能變化9.2金屬的塑性變形第77頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形單晶體應(yīng)力－應(yīng)變曲線上的三個(gè)典型階段第78頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形三種常見結(jié)構(gòu)的純金屬單晶體處于軟取向時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第79頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五四、形變織構(gòu)（擇優(yōu)取向）形變織構(gòu)：當(dāng)塑性變形量不斷增加時(shí)，多晶體中原本取向隨機(jī)的各個(gè)晶粒由于轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)逐漸調(diào)整到其取向趨于一致，這種經(jīng)過強(qiáng)烈變形后的多晶體材料形成了擇優(yōu)取向。絲織構(gòu)：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(gòu)也就以相關(guān)方向表示。如鋁拉絲為<111>織構(gòu)，而冷拉鐵絲為<110>織構(gòu)；板織構(gòu)：板織構(gòu)主要是在軋板時(shí)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(gòu)也就以相關(guān)面和方向表示。如冷軋黃銅的{110},<112>織構(gòu)。9.2金屬的塑性變形第80頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.2金屬的塑性變形第81頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五五、殘余應(yīng)力來源：形變過程中殘留在材料內(nèi)部的應(yīng)力；實(shí)質(zhì)：是材料內(nèi)部各部分之間不均勻變形引起的。類型：宏觀、微觀、點(diǎn)陣畸變第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力，作用范圍工件尺度；第二類內(nèi)應(yīng)力，又稱微觀殘余應(yīng)力，作用范圍晶粒尺度；第三類內(nèi)應(yīng)力，又稱點(diǎn)陣畸變，作用范圍點(diǎn)陣尺度，由于在形變過程中形成了大量點(diǎn)陣缺陷所致，這部分能量占整個(gè)儲(chǔ)存能中的絕大部分。9.2金屬的塑性變形第82頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.3回復(fù)與再結(jié)晶第83頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五回復(fù)：新的無畸變晶粒出現(xiàn)前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化 的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化；再結(jié)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(jié)晶結(jié)束后晶粒的長大過程。9.3回復(fù)與再結(jié)晶一、組織變化第84頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.3回復(fù)與再結(jié)晶第85頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力儲(chǔ)存能是變形金屬加熱時(shí)發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力9.3回復(fù)與再結(jié)晶第86頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五三、性能的變化9.3回復(fù)與再結(jié)晶三、性能變化第87頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

9.3.1冷變形晶體的回復(fù)一、回復(fù)的去應(yīng)力作用在回復(fù)階段，第一類內(nèi)應(yīng)力基本可以消除，造成加工硬化的第三類內(nèi)應(yīng)力變化很少，而第二類內(nèi)應(yīng)力的消除程度則介于一、三類內(nèi)應(yīng)力之間。去應(yīng)力退火；例：彈殼黃銅的應(yīng)力腐蝕9.3回復(fù)與再結(jié)晶第88頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、回復(fù)動(dòng)力學(xué)9.3回復(fù)與再結(jié)晶二、回復(fù)動(dòng)力學(xué)屈服應(yīng)力回復(fù)率回復(fù)過程在加熱后立刻開始，沒有孕育期；回復(fù)開始的速率很大，隨著時(shí)間的延長，逐漸降低，直至趨于零；加熱溫度越高，最終回復(fù)程度也越高；變形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回復(fù)速率。第89頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五三、回復(fù)機(jī)制（1）低溫回復(fù)（0.1－0.3Tm）因溫度較低，原子活動(dòng)能力有限，一般局限于點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)，通過空位遷移至晶界、位錯(cuò)或與間隙原子結(jié)合而消失，使冷變形過程中形成的過飽和空位濃度下降。9.3回復(fù)與再結(jié)晶點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)（空位）移至晶界、位錯(cuò)處空位——間隙原子空位聚集（空位群、對）消失缺陷密度降低第90頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（2）中溫回復(fù)（0.3－0.5Tm）原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)也被激活，在內(nèi)應(yīng)力作用下開始滑移，部分異號(hào)位錯(cuò)發(fā)生抵消，密度略有降低。

位錯(cuò)滑移異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷位錯(cuò)纏結(jié)重新排列亞晶粒長大位錯(cuò)密度降低第91頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（3）高溫回復(fù)（>0.5Tm）變形金屬的回復(fù)機(jī)制主要與位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)有關(guān)，最終通過滑移和攀移使得位錯(cuò)從同一滑移面變?yōu)樵诓煌泼嫔县Q直排列的位錯(cuò)墻，以降低總畸變能.（3）高溫回復(fù)（>0.5Tm）位錯(cuò)攀移（＋滑移）位錯(cuò)垂直排列（亞晶界）多邊化（亞晶粒）彈性畸變能降低。第92頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五回復(fù)過程中的位錯(cuò)攀移與滑移9.3回復(fù)與再結(jié)晶第93頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五位錯(cuò)在多邊化過程中重新分布9.3回復(fù)與再結(jié)晶第94頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

9.3.2冷變形金屬的再結(jié)晶一、再結(jié)晶晶核的形成與長大(與相變相區(qū)別）(1)晶界弓出形核機(jī)制對于變形程度較小的金屬（一般小于20%），再結(jié)晶晶核往往采用弓出形核機(jī)制生成。9.3回復(fù)與再結(jié)晶第95頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五弓出方式形核的條件對球面：若晶界弓出段兩端a、b固定，且值恒定，則開始階段隨ab弓出彎曲，r逐漸減小、G值增大。當(dāng)r達(dá)到最小值(r＝ab/2＝L)時(shí)，G將達(dá)到最大值。此后，若繼續(xù)弓出，由于r的增大而G減小，于是，晶界將自發(fā)地向前推移。因此，一段長為2L的晶界，其弓出形核的能量條件為G<0，即：

Es≥2/L9.3回復(fù)與再結(jié)晶第96頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.3回復(fù)與再結(jié)晶第97頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

(2)亞晶形核機(jī)制亞晶合并形核機(jī)制9.3回復(fù)與再結(jié)晶第98頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

(2)亞晶形核機(jī)制亞晶直接長大形核機(jī)制（3）再結(jié)晶晶核的長大驅(qū)動(dòng)力：儲(chǔ)存能晶界總是背離其曲率中心方向移動(dòng)9.3回復(fù)與再結(jié)晶第99頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)同一變形度的Fe-0.03C-0.5Mn-0.19Nb合金冷軋80%在不同溫度等溫退火后的再結(jié)晶曲線9.3回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒分?jǐn)?shù)再結(jié)晶過程存在著孕育期；并且剛開始再結(jié)晶速度很小，然后逐漸加快，直至再結(jié)晶分?jǐn)?shù)約50%時(shí)達(dá)到最大，然后逐漸降低；溫度越高，最再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度越快。第100頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五再結(jié)晶溫度：加熱時(shí)間越長，再結(jié)晶溫度便越低。這樣，再結(jié)晶溫度便是個(gè)不確定的值。由于再結(jié)晶可以隨相關(guān)條件不同，在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生，為便于比較不同材料的再結(jié)晶情況，一般工業(yè)上所說的再結(jié)晶溫度是指經(jīng)較大冷變形量（>70%）的金屬，在1h完成再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95%所對應(yīng)的溫度。實(shí)驗(yàn)表明，對許多工業(yè)純金屬而言，在上述條件下，再結(jié)晶溫度TR與其熔點(diǎn)Tm間有如下關(guān)系：

TR≈(0.35-0.45)Tm。在實(shí)際應(yīng)用中，退火的溫度要比再結(jié)晶溫度高些。9.3回復(fù)與再結(jié)晶第101頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五三、影響再結(jié)晶溫度的因素（1）變形程度9.3回復(fù)與再結(jié)晶第102頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（2）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，形變后的儲(chǔ)存能較高，因此再結(jié)晶溫度降低。此外，再結(jié)晶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，所形成的再結(jié)晶晶粒更小，而再結(jié)晶溫度也降低。（3）微量溶質(zhì)原子9.3回復(fù)與再結(jié)晶第103頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（4）第二相顆粒多數(shù)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(jié)晶也主要發(fā)生在基體上，這些第二相顆粒對基體再結(jié)晶的影響主要由第二相的尺寸和分布決定。當(dāng)?shù)诙囝w粒較粗時(shí)，變形時(shí)位錯(cuò)會(huì)繞過顆粒，并在顆粒周圍留下位錯(cuò)環(huán)，或塞積在顆粒附近，從而造成顆粒周圍畸變嚴(yán)重，因此會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶，降低再結(jié)晶溫度；當(dāng)?shù)诙囝w粒細(xì)小，分布均勻時(shí)，不會(huì)使位錯(cuò)發(fā)生明顯聚集，因此對再結(jié)晶形核作用不大，相反，其對再結(jié)晶晶核的長大過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移起一種阻礙作用，因此使得再結(jié)晶過程更加困難，提高再結(jié)晶溫度。9.3回復(fù)與再結(jié)晶第104頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五四、再結(jié)晶后的晶粒大小再結(jié)晶后晶粒尺寸符合約翰遜－梅厄方程：1、變形度的影響9.3回復(fù)與再結(jié)晶第105頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五2、再結(jié)晶退火溫度的影響9.3回復(fù)與再結(jié)晶第106頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（3）原始晶粒大小晶界附近區(qū)域的形變情況比較復(fù)雜，因而這些區(qū)域的局部儲(chǔ)存能較高，使晶核易于形成。細(xì)晶粒金屬的晶界面積大，所以儲(chǔ)存能高的區(qū)域多，形成的再結(jié)晶核心也多，故使再結(jié)晶后的晶粒尺寸減小。（4）雜質(zhì)金屬中雜質(zhì)的存在可提高強(qiáng)度，因此在同樣的形變量下，雜質(zhì)將增大冷形變金屬中的儲(chǔ)存能，從而使再結(jié)晶時(shí)的u/I值減小。另一方面，雜質(zhì)對降低界面的遷移能力是極為有效的，這就是說，它會(huì)降低再結(jié)晶完成后晶粒的長大速率。所以，金屬中的雜質(zhì)將會(huì)使再結(jié)晶后的晶粒變小。9.3回復(fù)與再結(jié)晶第107頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五9.3.3再結(jié)晶后的晶粒長大正常長大：大多數(shù)晶粒長大速率相差不多，幾乎是均勻長大；異常長大：少數(shù)晶粒突發(fā)性的不均勻長大，也稱二次再結(jié)晶。一、晶粒的正常長大（1）長大方式再結(jié)晶完成后，新等軸晶已完全接觸，形變儲(chǔ)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界的移動(dòng)并吞食其它晶粒實(shí)現(xiàn)的。（2）長大的驅(qū)動(dòng)力晶粒長大的過程實(shí)際上就是一個(gè)晶界遷移過程，從宏觀上來看，晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是界面能的降低，而從晶粒尺度來看，驅(qū)動(dòng)力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。有時(shí)也將晶粒長大稱之為粗化。9.3回復(fù)與再結(jié)晶第108頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二、二次再結(jié)晶（異常晶粒長大）Mg-3Al-0.8Zn合金退火組織a正常再結(jié)晶，b晶粒長大，c二次再結(jié)晶9.3回復(fù)與再結(jié)晶第109頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二次再結(jié)晶的一般規(guī)律：①二次再結(jié)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(jié)晶中形成的某些特殊晶粒的繼續(xù)長大。②開始時(shí)長大得很慢，只是在長大到某一臨界尺寸以后才迅速長大?？梢哉J(rèn)為在二次再結(jié)晶開始之前，有一個(gè)孕育期。③二次再結(jié)晶完成以后，有時(shí)也有明顯的織構(gòu)。這種織構(gòu)總是和初次再結(jié)晶得到的織構(gòu)明顯地不同。④要發(fā)生二次再結(jié)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(shí)得到的。當(dāng)加熱溫度更高時(shí)，得到的二次再結(jié)晶晶粒的尺寸反而較小。⑤和正常的晶粒長大一樣，二次再結(jié)晶助驅(qū)動(dòng)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、織構(gòu)或表面熱蝕溝等強(qiáng)烈阻礙情況下發(fā)生的。9.3