北科大材料考研试题

1、第九章第九章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶2 2 本次课程主要内容： 1 冷变形金属的内应力和储存能 2 冷变形金属的回复 3 冷变形金属的再结晶 4 冷变形金属再结晶后的晶粒长大 5 金属的热变形 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 一、残余内应力一、残余内应力 塑性变形不仅使晶体的外部形状、内部组 织和性能发生变化，而且由于塑性变形的 不均匀性，还使冷变形晶体中产生残余内 应力。 残余内应力宏观残余内应力和微观残余内 应力两大类 1、宏观残余内应力、宏观残余内应力 它是由工件不同部分 的宏观变形不均匀性引起 的，故其应力平衡范围包 括整个工件。例如，将金 属棒施以弯曲载荷，则上 边

2、受拉而伸长，下边受到 压缩；变形超过弹性极限 产生了塑性变形时，则外 力去除后被伸长的一边就 存在压应力，短边为张应 力。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 又如，金属线材经拔丝加 工后，由于拔丝模壁的阻 力作用，线材的外表面较 心部变形少，故表面受拉 应力，而心部受压应力。 这类残余应力所对应的畸 变能不大，仅占总储存能 的0.1左右。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 2 微观残余应力微观残余应力 当对多晶体施加外力时，力轴对各晶粒的取 向不同，只有满足 c的晶粒其滑移系方可启 动（称软取向晶粒）。而其相邻晶粒可能会因取 向不合适而无法塑性变形（称硬取向晶粒）。由 于多晶体变形具有协调

3、性，软取向晶粒必然会对 硬取向晶粒产生附加拉应力，反过来后者对前者 产生附加压应力。这种作用在物体微观组织间的 应力称微观残余内应力。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 二二 储存能储存能 1、储存能的构成 冷变形引起点阵畸变，形成大量结构缺陷（空位 或位错），晶体内部残存着相应的能量。实验证 明，冷变形所消耗的能量的百分之几到百分之十 几就以各种不同的形式（残余弹性应变能和结构 缺陷能）存在于晶体内部称为储存能，以位错产 生的能量为主。极限值几J/mol到几十J/mol。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 这部分能量提高了变形晶体的能量，使之 处于热力学不稳定状态，故它有一种使变 形金属

4、重新恢复到自由焓最低的稳定结构 状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在 加热时的回复及再结晶过程。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 2 影响储存能的因素影响储存能的因素 （1）储存能随形变量的增加而增大，但增速逐 渐变缓，最后趋于饱和。 （2）加工温度越低，形变速度越大，材料的加 工硬化率越大，经受相同变形后的储存能也就越 高。 （3）加工方式的应力状态越复杂，加工时的摩 擦力越大，应力、应变的分布越不均匀，消耗的 总能量越高，储存能也就越大。 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 （4）金属的熔点越高，变形越难，经同等程度 变形的总消耗功越大，储存能越高。 （5）固溶体中的溶质因其对变形的阻

5、碍作用而 使储存能增加。 （6）在其他条件相同时，细晶中的储存能高于 粗晶粒。 （7）合金中的弥散第二相对储存能的影响视第 二相的性质而定。若第二相本身可变形，对储存 能的影响不大；若第二相不可变形，储存能增大 第七节 冷变形金属的内应力和储存能 第八节 冷变形金属的回复 前言 回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热 过程中经历的基本过程。 将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附 近，进行保温，随时间的延长。第一阶段01， 显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状， 称为回复阶段。第二阶段完全变成新的等轴晶粒， 称为再结晶阶段（ 1 2 ）。第三阶段称为晶粒 长大阶段（ 2 3） 。 一

6、、回复过程的特征回复过程的特征 所谓回复是指冷变形金 属加热时，在新的无畸 变晶粒出现之前，所产 生的亚结构与性能的变 化的过程。 回复特点回复特点： （1）回复过程中组织不发生改变，但高温 回复后，电镜下可观察到胞状位错缠结转 变呈的亚晶。 （2）经过回复可完全消除宏观残余内应力， 但微观残余内应力部分存在。 （3）回复过程中力学性能变化不大，储存 能释放较为平缓，说明主要结构缺陷 位错密度变化不大，因此与位错密度密切 相关的强度、硬度变化不大。 （4）回复过程对物理性能的影响较大，电 阻率的降低和密度的增加说明回复期间点 缺陷的浓度有了明显的降低。 二、回复机理 (1)低温回复低温回复 冷

7、变形金属在较低温度（0.1Tm0.3Tm）加热时所 产生的回复称为低温回复。主要涉及点缺陷的运动。空位 或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的 相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度 大大下降。 (2)中温回复中温回复 冷变形金属在中温（0.3Tm0.5Tm）加热时所产生 的回复称为中温回复。除继续涉及点缺陷的运动外，还与 位错的运动有关。随温度升高，原子活动能力增强，位错 可以在滑移面上滑移，使异号位错相遇对消，位错密度下 降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。 第八节 冷变形金属的回复 （3）高温回复）高温回复 冷变形金属在较高温度（0.5Tm）加热时所产生的

8、回 复称为高温回复。主要涉及由位错攀移所造成的位错组态的 变化。原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。 每组位错墙均以小角度晶界分割晶粒成为亚晶，这一过程为 位错的多边形化。为了降低界面能，小角度亚晶界有合并成 为大位向差亚晶界的趋势。 第八节 冷变形金属的回复 三 回复动力学 图7-5为经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时， 屈服强度的回复动力学曲线。(1-R)为剩余加工硬 化分数，t为退火时间。 第八节 冷变形金属的回复 冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变 形基体中，重新生成无畸变的等轴新晶粒的过程 叫再结晶。再结晶包括生核与长大两个基本过程。 第九节 冷变形金属的再结晶 一

9、再结晶的形核 1. 已存晶界的弓出形核 对于变形程度较小（一般小于40）的金属， 其再结晶核心多以晶界弓出方式形成，即应变诱 导晶界移动或称为凸出形核机制。 2. 亚晶合并形核 此机制一般是在大的变形度下发生。借助亚 晶作为再结晶的核心，其形核机制又可分为以下 两种： 亚晶合并机制。 亚晶迁移机制。 第九节 冷变形金属的再结晶 复习 1冷变形金属的内应力(宏观和微观) 2储存能(残余弹性应变能和结构缺陷能) 3回复概念 4再结晶概念 复习 1、回复过程有何特征？ 回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸 长的晶粒。 回复过程使变形引起的宏观（一类）应力全部 消除，微观（二类）应力部分消除。 回

10、复过程中一般力学性能变化不大，硬度、强 度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有 较大变化，电阻率降低，密度增大。 变形储能在回复阶段部分释放。 复习 2、再结晶过程的特征是什么？（10分） 答：组织发生变化，由冷变形的伸长晶 粒变为新的等轴晶粒。 力学性能发生急剧变化，强度、硬度急 剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。 变形储能在再结晶过程中全部释放，点 阵畸变（三类应力）清除，位错密度降低。 二、再结晶的形核率及长大速率 再结晶的形核率指在单位时间、单位体积内形成 的再结晶核心的数目，一般用N表示。长大速率 用G表示。 N 和G都受储存能的驱动，其影响因 素主要如下： （1）变形程度的

11、影响）变形程度的影响 随着冷变形程度的增加，再结晶的形核率和 长大速度均成上升趋势。这是因为储存能也增多， 再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低， 同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形 量增大到一定程度后，再结晶温度就基本上稳定 不变了。 第九节 冷变形金属的再结晶 对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温 度约为0.3504Tm。另外，发生再结晶需要一个 最小变形量，称临界变形量。低于此变形量不能 发生再结晶。 （2）金属纯度）金属纯度 杂质对N和G的影响有着截然不同的两重性 一方面杂质阻碍变形使储存能增加，N和G 增大； 另一方面，杂质又钉扎晶界，降低界面迁 移率，使形核率减小

12、、生长速率减慢。 一般均起细化晶粒的作用。 （3）原始晶粒大小）原始晶粒大小 材料的原始组织晶粒越细小，阻碍变形的 能力越强，储存能越高，从而N和G也就越 大。另外，晶粒越细小，晶界面积越多。 细晶组织中晶界多，可提供形核的位置也 多，N也会相应增大。 （4）温度）温度 再结晶温度越高，位错的攀移，亚晶界的 移动、转动和聚合都变得容易，因此使N增 加。同时温度越高，晶界迁移率越大，G 也就随之增加。 提高再结晶退火温度，不仅使再结晶后的 晶粒长大，而且还减小临界变形度的具体 值。 四、再结晶温度及晶粒大小四、再结晶温度及晶粒大小 1、再结晶温度 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为开始 再结

13、晶温度。 一般工程当中所说的再结晶温度是指完成再结晶 的温度，即在1h内再结晶完成95所对应的温度 测定方法：金相法，硬度法，公式法（9-32） 经验公式：Tk=(0.350.45)Tm 常用金属的再结晶温度：表9-6 凡影响形核率和长大速率的因素均影响再结晶温 度。 公式法： 金相法：以新晶粒全部替代变形晶粒为准 硬度法：以硬度降低50%所对应的温度为准 2再结晶晶粒大小 变形度的影响如图7-14。变形量很小时， 储存能少，不足以发生再结晶，故退火后晶 粒尺寸不变：能发生再结晶的最小变形度通 常在2-8范围内，此时驱动力小，形核 率低，最终能长大的晶粒个数少，再结晶退 火后晶粒特别粗大，称为

14、“临界变形度”； 超过临界变形度随变形度增加，储存能增加。 从而使再结晶驱动力增加，导致生核率N与 长大率G同时增加，但由于N增加速率大于 G，故再结晶后的晶粒得到细化。 图7-14 变形度与晶粒尺寸的关系示意图 另外，当金属的原始晶粒细小及有微量溶质原 子存在时，G/N的比值均减小，再结晶后可得到 细小的晶粒。而再结晶温度对刚完成再结晶时晶 粒尺寸的影响比较弱，这是因为它对G/N比值影 响微弱。但提高退火温度可使再结晶的速度显著 加快，临界变形度数值变小（见图7-15）若再结 晶过程已完成，随后还有一个晶粒长大阶段，很 明显温度越高晶粒越粗。 五 晶粒长大 冷变形金属在完成再结晶后，继续加热

15、时，会发 生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常 长大（二次再结晶）。 1 晶粒的正常长大 再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒， 当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大， 若均匀地连续生长叫正常长大。 1）晶粒长大的驱动力 晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前 后总的界面能差。 从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同 的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。 通常小晶粒凸边界， 大晶粒为凹边界，存 在化学势差使原子移 向大晶粒，晶界移向 小晶粒。 2）晶粒的稳定形貌 实际的二维晶粒如图7-17所示，较大的晶粒往往 是六边以上。 小晶粒凸边界，大晶粒为凹边界，存在化学势差使原子

16、移向大晶粒，晶界 移向小晶粒。在三晶粒会聚处，界面交角呈120度才能保证界面张力平衡。 因此晶粒长大的稳定形态应该为规则的六边形。 3）影响晶粒长大的因素 a 温度 温度越高晶粒长大速度越快。一定温度 下，晶粒长到极限尺寸后就不再长大，但提高温 度后晶粒将继续长大。 b 杂质与合金元素 杂质及合金元素渗入基体后能 阻碍晶界运动。可使晶粒长大受到抑制。 c 第二相质点 弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的 移动，也可使晶粒长大受到抑制。一般，第二相 粒子尺寸越小，体积分数越大，再结晶晶粒就越 细小。粗略估计，若第二相粒子为球形，半径为r， 体积分数为f，则再结晶晶粒尺寸R=4r/3f 2 晶粒的异常长

17、大 异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结 晶，是一种特殊的晶粒长大现象。 发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分 散相粒子，织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长 大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。晶粒 尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利， 大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成晶粒大 小极不均匀的组织，如图7-21(c)。 二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织， 从而降低了材料的强度与塑性。因此在制定冷变形材料 再结晶退火工艺时。应注意避免发生二次再结晶 。 三、热加工与冷加工的应用三、热加工与冷加工的应用 热加工优点热加工优点：改善组织：改善组织 塑性好，变形抗

18、力小；塑性好，变形抗力小； 缺缺 陷陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低、：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低、 应应 用用: （1）室温下硬度、脆性较大的金属；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；）截面尺寸大、精度低、变形量大； 冷加工冷加工：（1）用于）用于塑性好的金属；塑性好的金属； （2）截面小，精度与表面质量要求高；）截面小，精度与表面质量要求高； 第十节 金属的热变形 热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加 工变形。工业生产中，高温进行的锻造，轧制等压 力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同时 进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。 1动态回复 动态回复主要发生在层错能高的金属材料的热变形 过程中