第6章塑性变形与再结晶

1、11Chapter 6 塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶材料科学基础材料科学基础22Objectives of Chapter 6o To learn how the strength of metals and alloys is influenced by mechanical processing and heat treatments.o To learn how to enhance the strength of metals and alloys using cold working.o To learn how to enhance ductility using anneal

2、ing heat treatment.33Chapter Outline o6.1晶体的塑性变形o6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响o6.3 回复与再结晶o6.4 金属的热加工变形44 Section 6.1 晶体的塑性变形o Flow stress o Strain hardeningo Strain hardening exponent (n)o Strain-rate sensitivity (m)o Bauschinger effect55图图61 金属表面的滑移带金属表面的滑移带 （a）铜中的滑移带）铜中的滑移带 （b）7冷变形铝的表面图像冷变形铝的表面图像66 6.1.1 单晶

3、体的塑性变形常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移滑移和孪生孪生。（一） 滑移1.滑移带与滑移线将表面抛光的单晶体试样进行拉伸，使之产生适量的塑性变形后，在金相显微镜下观察，可以看到抛光的表面上出现许多相互平行的线条，通常称为滑移带滑移带。经高分辨率的电子显微镜分析表明，每条滑移带是由一族相互平行的滑移线组成。滑移线是试样塑性变形后，表面上产生的一个个小台阶。塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移。晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移线之间的晶体并未发生变形。77 图图62 滑移带形成示意图滑移带形成示意图 88 6.1.1 单晶体

4、的塑性变形2滑移系o 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面滑移面，晶向称为滑移方向滑移方向。o 滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小，故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要移动的间距小，阻力也小。o 一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系滑移系。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间取向。99表表61 三种常见金属晶体结构的滑移系三种常见金属晶体结构的滑移系1010 6.1.1 单晶体的塑性变形o 晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空

5、间取向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。o 晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。例如体心立方金属Fe，与面心立方金属的滑移系同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑性要比铝、铜等面心立方金属差。1111 6.1.1 单晶体的塑性变形3滑移的临界分切应力o 晶体受力时，并非所有的滑移系都同时参与滑移，而是由受力状态决定的。只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时，这一

6、滑移系开动，晶体才开始滑移。该分切应力即称为滑移的临界分切应力，以k表示，它是使滑移系开动的最小分切应力。o 外力F在滑移方向上的分切应力为coscoscoscoscos/cosFFAA coscoskscos cosscoscosm1212 图图63 单晶体滑移时分切应力的分析图单晶体滑移时分切应力的分析图1313 6.1.1 单晶体的塑性变形o m称为取向因子取向因子，或称施密特因子施密特因子（Schmid）。单晶体的屈服强度s将随外力与滑移面和滑移方向之间的位向关系而变，即取向因子m发生改变时，s也要改变。 s的变化如图64所示，当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45时，取向因子具有最大

7、值，为0.5。此时分切应力最大，s具有最低值，晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这种取向称为软位向软位向。而当外力与滑移面平行( 90)或垂直（90）时，取向因子为零，则无论k的数值如何， s均为无穷大，晶体在此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向硬位向。1414 图图64 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系1515Example 6.1 临界分切应力已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 面上产生101方向的滑移，应在001方向上施加多大的力？Example 6.1 SOLUTION对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向h2k2

8、l2的夹角为故滑移面 的法线方向与拉力轴001的夹角为 同理，滑移方向101和拉力轴001的夹角为故 12121 2222122111222cosh hk kl lhklhkl2222221 0 1 0 1 11cos3111001 1cos20.240.59cos cos12 13csMPa_(111)_(111)1616 6.1.1 单晶体的塑性变形4滑移时晶体的转动o 单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。o 位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸的轴线。图图66 拉伸时晶体发生转动的示意图拉伸时晶体发生转动的示意图1717

9、6.1.1 单晶体的塑性变形5多系滑移与交滑移o 多滑移：多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个或多个滑移系同时进行。o 交滑移：交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。 图图67 交滑移的示意图交滑移的示意图 图图68 抛光试样的波纹状交滑移带抛光试样的波纹状交滑移带1818 6.1.1 单晶体的塑性变形6. 滑移的位错机制o 实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体

10、表面留下个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕迹，即滑移线。由此可见，晶体滑移时，不是滑移面上的原子整体移动，而是位错中心附近的少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），因此只需要很小的切应力就可实现，这就是实际滑移的临界切应力k远低于理论计算值的原因。 1919 6.1.1 单晶体的塑性变形7位错的增殖o 塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。o 变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。o 位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克瑞德（FrankRead）位错增殖机制

11、，F-R源。 图图610 弗兰克弗兰克-瑞德位错源瑞德位错源2020Figure The Frank-Read source can generate dislocations. (a) A dislocation is pinned at its ends by lattice defects. (b) As the dislocation continues to move, the dislocation bows, eventually bending back on itself. (c) finally the dislocation loop forms, and (d) a n

12、ew dislocation is created. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., Climb Sources in Beta Prime-NiAl, Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)2121 6.1.1 单晶体的塑性变形8位错的交割与塞积o 在多系滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇，发生交割。此外，在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面

13、的位错相交割。o 不在原位错线的滑移面上的位错线，故称之为割阶。有的割阶的产生并不影响位错的运动，但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外，还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，交割的结果都要形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方面还可能形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，从而产生较强的加工硬化效果。 2222 6.1.1 单晶体的塑性变形o 在切应力的作用下，弗兰克瑞德位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物(固定位错、杂质粒子、晶界等)的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被阻塞起来，结果形成位错的平面

14、塞积群，并在障碍物的前端形成高度应力集中。o 位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距离L成正比。塞积群在障碍处产生的应力集中n0 。在塞积群前端产生的应力集中是0的n倍。L越大，则塞积的位错数目n越多，造成的应力集中便越大。 2323 图图611 两个垂直刃型位错交割两个垂直刃型位错交割2424 图图6-12 位错塞积位错塞积 图图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像2525 6.1.1 单晶体的塑性变形（二）孪生 o 晶体塑性变形的另一种常见方式是孪生。孪生孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方

15、向)产生一定角度的均匀切变。发生切变的区域称为孪晶或孪晶带。2孪生变形的特点(与滑移相比)o 孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。 2626 6.1.1 单晶体的塑性变形o 孪生变形速度极快，常引起冲击波，并伴随响声。o 孪生是一种均匀切变，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。而滑移变形是不均匀的，只

16、集中在一些滑移面上。o 孪生的两部分晶体形成晶面对称的位向关系。o 与滑移相比，孪生对晶体塑性变形的贡献较小，但孪生的形成改变了晶体的位向，使某些处于不利取向的滑移系转变到有利于滑移的位置，于是，可以激发进一步的滑移变形，使金属的变形能力得到提高。 2727图图615 面心立方晶体孪生变形示意图面心立方晶体孪生变形示意图 （a）孪晶面和孪晶方向）孪晶面和孪晶方向 （b）孪生变形时原）孪生变形时原子的移动子的移动 图图614 锌晶体中锌晶体中的变形孪的变形孪晶组织晶组织2828 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1.晶粒取向的影响o 处于软位向的晶粒，开始产生滑移，滑移面上的位错源开动

17、，源源不断的位错沿着滑移面进行运动，而后，位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群。 o 位错塞积造成很大的应力集中，随着外力的增加，使相邻晶粒某些滑移系中的分切应力达到临界值，于是，相邻晶粒位错源也开始启动，并产生相应的滑移。o 塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批批晶粒如此传递下去，使整个试样产生了宏观的塑性变形。o 晶粒间须通过多系滑移来保证其协调性。滑移系较多的FCC和BCC晶体，通过多系滑移表现出良好的塑性，而HCP晶体的滑移系少，晶粒之间的协调性差，故塑性变形能力低。 2929 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形2. 晶界的影响o 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重。同

18、时，晶界两侧的晶粒取向不同，滑移系的位向彼此不一致，因此，滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的，晶界对滑移有阻碍作用。此外，多晶体的塑性变形具有不均匀性。3. 晶粒大小对塑性变形的影响o 材料的强度随晶粒细化而提高。满足HallPetch公式。o 晶粒越细，单位体积材料中晶粒的数目越多，晶界的总面积越大，对材料塑性变形的阻力越大，这就是细晶强化的实质。 3030 图图6-17 位错的平面塞积群位错的平面塞积群 图图618 拉伸后晶界处呈竹节状拉伸后晶界处呈竹节状3131 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形o 晶粒细小而均匀时，不仅常温下材料的强度较高，而且塑性和韧性较好。这是因为

19、晶粒越细，在定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，引起的应力集中减小。使材料在断裂之前能承受较大的变形量，所以具有较大的延伸率和断面收缩率。此外，晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。 3232 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形o 固溶强化o 合金为单相固溶体时，随溶质原子含量的增加，合金的强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。同时，溶质原子还使固溶体合金的加工硬化率提高。影响固溶强化效果的因素：o 溶质原子的浓度越高，固溶强化作用

20、越大，但不保持线性关系。o 溶质原子与溶剂金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 3333 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形o 间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。间隙溶质原子引起的点阵畸变比置换原子大；间隙原子在晶体中引起非对称性点阵畸变时，其强化作用大于对称性点阵畸变。由于间隙原子在晶体中的固溶度较小，数量少，故实际强化效果有限。o 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著，即固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提高。 3434Figure The effects of several alloying elements on the yield s

21、trength of copper. Nickel and zinc atoms are about the same size as copper atoms, but beryllium and tin atoms are much different from copper atoms. Increasing both atomic size difference and amount of alloying element increases solid-solution strengthening.3535From the atomic radii, show whether the

22、 size difference between copper atoms and alloying atoms accurately predicts the amount of strengthening found in FigureExample Solid-Solution StrengtheningFigure The effects of several alloying elements on the yield strength of copper. Nickel and zinc atoms are about the same size as copper atoms,

23、but beryllium and tin atoms are much different from copper atoms. Increasing both atomic size difference and amount of alloying element increases solid-solution strengthening.3636For atoms larger than coppernamely, zinc, aluminum, and tin increasing the size difference increases the strengthening ef

24、fect. Likewise for smaller atoms, increasing the size difference increases strengthening.Example SOLUTIONThe atomic radii and percent size difference are shown below:3737Figure The effect of additions of zinc to copper on the properties of the solid-solution-strengthened alloy. The increase in % elo

25、ngation with increasing zinc content is not typical of solid-solution strengthening.3838 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形固溶强化固溶强化的实质o 由于溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用，阻碍了位错的运动。其中最主要的是溶质原子与位错的弹性交互作用。以刃型位错为例，为了减小晶格畸变，降低体系的能量，置换固溶体中，比溶剂原子大的溶质原子，往往扩散到位错线下方受拉应力的部位；而比溶剂原子小的溶质原子，往往扩散到位错线上方受压应力的部位；间隙固溶体中的溶质原子，总是扩散到位错线下方。这

26、样，溶质原子聚集在位错的周围，形成“柯氏气团”。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用，增大了位错运动的阻力，从而提高了固溶体合金的塑性变形抗力。 3939 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形2. 屈服现象与应变时效o 某些单相固溶体合金，特别是含有间隙原子的体心立方金属（例如低碳钢），它们的应力应变曲线，具有明显的屈服现象。o 在屈服过程中，各处的应变是不均匀的，当应力达到上屈服点时，首先在应力集中处开始塑性变形，这时在光滑试样表面，出现与拉伸轴成45的应变痕迹，称为吕德斯（Lders）带，同时应力下降到下屈服点，然后吕德斯带开始扩展。当吕德斯带扩展到整个试样后，这个平台延伸阶段就结束了。

27、 4040 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形o 如果在试验之前，对试样进行少量的塑性变形，屈服点可暂不出现。如果将预塑性变形的试样放置一段较长的时间，或经200左右短时加热后再拉伸，则屈服点又重新出现，且屈服应力提高，此现象称为应变应变时效时效。o 柯氏气团对位错的“钉扎”作用，提高了固溶体合金的屈服强度；而位错一旦挣脱气团的钉扎，便可在较小的应力下运动，这时拉伸曲线上出现下屈服点。已经屈服的试样，立即重新加载拉伸时，由于位错已摆脱溶质原子气团的钉扎，故不出现屈服点。但若卸载后，放置较长时间或适当加热后，溶质原子通过扩散又聚集到位错周围，形成气团，再进行拉伸时，屈服现象又重新出现。 4

28、141 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形o 屈服现象的出现还与位错的增值有关。晶体塑性变形时，会引起位错的增值。位错密度增大后，在维持一定的应变速率时，塑性变形应力有所降低，造成下屈服点。具有屈服现象与应变时效的金属材料，在拉伸和深冲过程中，由于变形不均匀，会造成工件表面不平整，为避免这种缺陷，可采取以下措施：（1）在合金中加入少量能够与溶质原子形成稳定化合物的元素，减少间隙原子的含量，从而减轻或消除屈服现象。例如，在低碳钢中加入AL、V、Ti、Nb、B等元素。（2）板材在深冲之前，进行少量的塑性变形，然后尽快的进行深冲。 4242 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形（二） 多相

29、合金的塑性变形1. 聚合型合金的变形（第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级）o 如果两相都具有较好的塑性。o 如果第二相为脆性相，合金的性能除与相的相对量有关外，在很大程度上取决于第二相的形状和分布。o 渗碳体脆性相呈连续网状分布于珠光体晶界上时，钢的塑性变形能力大大降低。o 珠光体中的渗碳体以层片状分布，钢的强硬度提高。o 通过球化退火使渗碳体球化，钢的强度降低，塑性、韧性得到改善。 1122 4343 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形2. 弥散型合金的变形（第二相粒子细小而弥散地分布在基体中） 弥散强化弥散强化o 不可变形颗粒对位错运动的阻碍作用-奥罗万（E.Orowan）机制-位

30、错绕过粒子的机制。位错绕过粒子前进时，运动的阻力增加，且随着位错环的增多，继续变形时必须增大外加应力，使得金属的变形抗力迅速提高。 4444 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形o 可变形颗粒对位错运动的阻碍作用-位错切过粒子的机制。如果第二相为硬度不高、尺寸较小的可变形颗粒时，位错将切过粒子，此时，会生成一个台阶，增加了表面积，提高了界面能；由于第二相的结构往往与基体不同，位错切过粒子时，造成滑移面上原子的错排，引起能量升高；颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用。这些因素都增大了位错运动的阻力，

31、使得金属变形抗力增加。o 粒子的大小和体积分数对强度也有影响，增大粒子尺寸和增加体积分数，有利于提高合金的强度。 4545 图图6 628 28 位错绕过第位错绕过第二相粒子的二相粒子的示意图示意图 图图6 629 29 第二第二相颗相颗粒周粒周围位围位错环错环的电的电镜观镜观察察4646 图图630 位错切割粒子的示意图位错切割粒子的示意图 图图631 位错切割粒子的电镜观察位错切割粒子的电镜观察47Section 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响1显微组织的变化o 晶粒的形状会发生相应的变化，其显微组织发生明显的改变。如在轧制过程中，随着变形量的增加，原

32、来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长，o 当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条纹，通常称之为纤维组织。纤维组织。o 纤维的分布方向就是金属流变伸展的方向。纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向的强度和塑性高于横向。o 金属中有夹杂物存在时，塑性杂质沿变形方向被拉长为细条状，脆性杂质破碎，沿变形方向呈断续状分布。476.2.1 塑性变形对材料组织的影响塑性变形对材料组织的影响4848 99%压缩率压缩率图图632 铜经不同程度冷轧后的光学显微组织铜经不同程度冷轧后的光学显微组织30%压缩率压缩率50%压缩率压缩率49 6.2.1 塑性变形对材料组织的影响塑性变形对材

33、料组织的影响2亚结构的细化o 随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。o 当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差；o 随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非常大时，如强烈冷变形或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。o 变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一。4950 6.2.1 塑性变形对材料组织的影响塑性变形对材料组织的影响3变形织构（择优取向）o 当塑性变形量不断增加时，多晶体中

34、原本取向随机的各个晶粒，会逐渐调整到其取向趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向(变形织构变形织构)。o 丝织构丝织构其特征是各晶粒的某一晶向趋向平行于拉拔方向。如铝拉丝为织构，冷拉铁丝为织构；o 板织构特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向平行于轧面和轧向。如冷轧黄铜的110,织构。o 变形织构造成材料的各向异性，对材料的加工成型和使用都有很大的影响，多数情况下是有害的。所谓的“制耳”现象。但有时，织构的存在却是有利的，例如，采用具有 (100)001) 织构的硅钢片制作电动机或变压器的铁心时，将可以提高导磁率，减少损耗。5051 6.2.1 塑性变形对材料组织的影响塑性变形对材料组织的影响4残余应

35、力 材料在塑性变形过程中，外力所作的功大部分转化为热能散失了，只有不到10%被保留在材料内部（即储存能）。储存能以残余内应力和点阵畸变的形式表现出来。 o 第一类内应力（宏观残余应力）。它是由于工件各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其作用范围是整个工件。易产生变形、开裂。一般不希望工件内部存在宏观内应力。o 第二类内应力（微观残余应力）。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而产生的。其作用范围为几个晶粒或几个亚晶粒。虽然这种内应力所占的比例不大(约占全部内应力的1%2)，但在某些局部区域，有时微观残余应力很大，致使工件在不大的外力作用下即产生显微裂纹，并进而导致工件的断裂。5152 6.2.1

36、塑性变形对材料组织的影响塑性变形对材料组织的影响o 第三类内应力（点阵畸变）第三类内应力（点阵畸变）。它是由于材料在塑性变形中，产生大量点阵缺陷，而造成的晶格畸变。其作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。o 塑性变形后晶体中存在的储存能，特别是点阵畸变，导致系统处于不稳定状态，外界条件合适时，将会发生向平衡状态的转变，即回复和再结晶现象。o 一般残余应力的存在对材料的性能是有害的，它导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀。残余应力可以通过适当方式的热处理加以消除。但是，工件表面残留一层压应力时，对提高使用寿命有利。例如，采用喷九和化学热处理方

37、法使工件表面产生一层压应力，可以有效地提高工件（如弹簧和齿轮等）的疲劳抗力。525353 50%压缩率（压缩率（30000） 图图633 铜经不同程度冷轧后的透射铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像电镜图像30%压缩率（压缩率（30000） 99%压缩率（压缩率（30000）5454Figure The fibrous grain structure of a low carbon steel produced by cold working: (a) 10% cold work, (b) 30% cold work, (c) 60% cold work, and (d) 90% cold wor

38、k (250). (Source: From ASM Handbook Vol. 9, Metallography and Microstructure, (1985) ASM International, Materials Park, OH 44073. 5555 图图634 形变织构的示意图形变织构的示意图 （a）丝织构）丝织构 （b）板织构）板织构图图635 变形织构造成的变形织构造成的“制耳制耳”现现象象5656Figure Anisotropic behavior in a rolled aluminum-lithium sheet material used in aerospa

39、ce applications. The sketch relates the position of tensile bars to the mechanical properties that are obtained57575858Characteristics of Cold WorkingFigure A comparison of strengthening copper by (a) cold working and (b) alloying with zinc. Note that cold working produces greater strengthening, yet

40、 has little effect on electrical conductivity5959Figure The compressive residual stresses can be harmful or beneficial. (a) A bending force applies a tensile stress on the top of the beam. Since there are already tensile residual stresses at the top, the load-carrying characteristics are poor. (b) T

41、he top contains compressive residual stresses. Now the load-carrying characteristics are very goods60 6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌塑性变形对材料性能的影晌1对材料力学性能的影响o 随着形变量的增加，材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降，这一现象称为加工硬化加工硬化。o 加工硬化的机理，普遍认为与位错的运动和交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，增大了位错运动的阻力，引起变形抗力增加，从而提高了

42、材料的强度。606161Strain-Hardening Mechanismso Frank-Read source - A pinned dislocation that, under an applied stress, produces additional dislocations. This mechanism is at least partly responsible for strain hardening.6262Microstructure, Texture Strengthening, and Residual Stresseso Fiber texture, Sheet

43、 texture o Pole figure analysis, Orientation microscopyo Residual stresses, Stress-relief annealo Annealing glass, Tempered glass6363Figure Development of strain hardening from the stress-strain diagram64642003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used he

44、rein under license.Figure 7.3 The true stress-true strain curves for metals with large and small strain-hardening exponents. Larger degrees of strengthening are obtained for a given strain for the metal with the larger n65656666Properties versus Percent Cold WorkFigure The effect of cold work on the

45、 mechanical properties of copper67 6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌塑性变形对材料性能的影晌o 加工硬化现象作为一种强化方式，在材料的生产和使用过程中有重要意义。对于一些不能用热处理方法强化的材料，如某些铝、铜合金，采用加工硬化方法提高其强度显得尤为重要。o 加工硬化是一些材料加工工艺的基础。例如金属线材的冷拉拔加工，正是由于材料本身的加工硬化特性，才使金属型材变形均匀，避免因局部不均匀变形导致的断裂。o 加工硬化现象使材料在塑性变形过程中变形抗力逐渐增加，塑性逐步下降，以致丧失继续变形的能力。为了消除加工硬化，使材料重新恢复变形的能力，必须对其进行退火处

46、理。 6768 6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌塑性变形对材料性能的影晌2对材料物理、化学性能的影响o 材料经塑性变形后，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数降低，磁滞与矫顽力略有增加，磁导率、热导率下降。o 由于原子活动能力增大，还会使扩散加速。塑性变形提高了材料的内能，使化学活性提高，抗腐蚀性能下降。6869 Section 6.3 回复与再结晶回复与再结晶o 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自发向稳定态转化

47、的趋势，储存能是转化过程的驱动力。但在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和性能的变化。根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为三个阶段：回复回复、再结晶再结晶和晶粒长大晶粒长大。697070The Three Stages of Annealingo Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses

48、 introduced during deformation without reducing the strength of the cold-worked material.o Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working.o Grain growth - Movement of grain boundaries by

49、diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.7171Figure Photomicrographs showing the effect of annealing temperature on grain size in brass. Twin boundaries can also be observed in the structures. (a) Annealed at 400oC, (b) annealed at 650oC, and (c) annealed at 800oC (75). (Adapte

50、d from Brick, R. and Phillips, A., The Structure and Properties of Alloys, 1949: McGraw-Hill.)7272Figure The effect of annealing temperature on the microstructure of cold-worked metals. (a) cold-worked, (b) after recovery, (c) after recrystallization, and (d) after grain growth7373Figure The effect

51、of cold work on the properties of a Cu-35% Zn alloy and the effect of annealing temperature on the properties of a Cu-35% Zn alloy that is cold-worked 75%746.3.1冷变形材料在加热时组织与性能的变化冷变形材料在加热时组织与性能的变化1. 组织变化 经过较大冷变形的材料，在缓慢加热时，其组织的变化过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：o 回复是指新的无畸变晶粒出现前，所发生的亚结构和性能变化的阶段；o 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步

52、取代变形晶粒的过程；o 晶粒长大是指再结晶完成后晶粒的长大过程。74756.3.1 冷变形材料在加热时组织与性能的变化冷变形材料在加热时组织与性能的变化o 回复阶段，变形材料的光学金相组织无显著变化、晶粒的形貌与加热前相同，仍保持纤维状或扁平状。透射电子显微镜观察显示，材料组织中位错组态和亚结构发生了变化；o 加热温度高于回复温度后，冷变形材料首先在畸变较大的区域产生新的无畸变的晶粒核心。然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变成为新的等轴晶粒，直到冷变形组织完全消失，这个过程称为再结晶。最后，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大，最终达到一个相对稳定的尺寸，这就是晶粒长大阶段。7576

53、6.3.1 冷变形材料在加热时组织与性能的变化冷变形材料在加热时组织与性能的变化2. 性能变化 o 回复阶段，材料的强度、硬度变化很小，约占总变化的1/5，而再结晶阶段则下降较多。其原因与金属中的位错密度及组态变化有关，在回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，位错密度显著降低，故强度与硬度明显下降，塑性急剧升高；随着晶粒的长大，金属的强度、硬度继续下降，晶粒粗化严重时，塑性开始降低。o 第一类内应力在回复阶段基本得到消除，而第二、第三类内应力只有通过再结晶方可全部消除。76776.3.1 冷变形材料在加热时组织与性能的变化冷变形材料在加热时组织与性能的变化o 变形金属的电阻

54、率在回复阶段巳具有明显的下降趋势。电阻率的下降，标志着晶体点阵对电子在电场作用下定向运动阻力的减小。金属的电阻率与晶体点阵中的各种点缺陷(空位、间隙原子等)密切相关，点缺陷引起的点阵畸变，使传导电子发生散射，增大电阻率。回复过程中金属电阻明显降低，证明该阶段点缺陷密度显著的减小。o 材料的密度在再结晶阶段增高，主要原因是再结晶阶段位错密度显著降低。77786.3.2 回复回复1. 回复机理o 加热温度较低时，空位较容可以移至晶界或位错处而消失，也可以聚合起来形成空位对、空位群，还可以和间隙原子相互作用而消失，使点缺陷的密度明显下降。o 加热温度稍高时，位错也开始运动起来。处于同一滑移面上的异号

55、位错可以相互吸引而抵消，使位错密度降低。缠结中的位错可以重新组合，亚晶粒也会长大。o 加热温度更高时，位错不仅可以滑移，而且可以攀移，分布于滑移面上的同号刃型位错互相排斥，沿垂直于滑移面的方向排列成位错墙，构成小角亚晶界，在变形晶粒中形成许多较完整的小晶块，称为回复亚晶回复亚晶。o 多边形化过程中，金属中的位错从高能态的混乱排列向低能态的规则排列变化。78796.3.2 回复回复2. 回复的应用o 回复阶段，由于点缺陷的减少和位错的重新排列，使得内应力下降。随着加热温度的升高，第一类内应力基本可以消除，第二类内应力部分消除，但造成材料强化的第三类内应力变化很少。o 回复处理在工业上的应用，主要

56、是消除形变后的内应力，因此回复退火常称作去应力退火去应力退火。通过回复处理，材料基本保持加工硬化状态，同时降低其内应力，防止变形和开裂，并改善工件的耐蚀性、降低电阻率。如冷拔的黄铜管，放置在潮湿的环境中，在残余应力和腐蚀性气氛的共同作用下，会发生应力腐蚀、沿晶界开裂。冷拔后经250300低温退火，以消除残余内应力，可防止应力腐蚀开裂，而黄铜管的硬度和强度基本不变。 79806.3.2 回复回复3.回复动力学o 回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；o 回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐降低，直至趋于零；o 加热温度越高，最终回复程度也越高；o 材料的预先变形程度，初始晶粒的尺寸，也都会影

57、响回复的速率。预先变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复过程。o 回复是一个驰豫过程：恒温回复时，开始阶段，回复速率较快；随保温时间增长，回复速率则逐渐减小。o 随着回复温度的升高，回复速率与回复程度明显增加，其原因与热激活条件下晶体缺陷密度的急剧降低有关。80816.3.3 再结晶再结晶1.再结晶晶核的形成与长大o 再结晶是个形核和长大的过程。首先在变形组织中能量较高的局部区域，形成无畸变的再结晶晶核，然后晶核逐渐长大，成为等轴晶，完成组织转变的过程。再结晶前后材料的晶格类型不变、化学成分不变，再结晶过程中没有新相产生，所以不是相变过程。81826.3.3 再结晶再结晶o 根据预先形

58、变量的不同，再结晶形核机制有如下几种形式：（1）晶界弓出形核o 变形程度较小的金属（一般小于20%），再结晶晶核往往采用弓出形核机制生成。o 变形度较小时，各晶粒的变形往往是不均匀的。图中A、 B为相邻的两个晶粒，晶粒B处于软位向，变形较大，形变后位错密度较高，在回复阶段所形成的亚晶尺寸较小。为降低系统能量，加热到再结晶温度后，晶界处，A晶粒的某些亚晶可向相邻的B晶粒一侧弓出，吞并B晶粒中的亚晶，形成无畸变的等轴晶，降低了晶格缺陷。82836.3.3 再结晶再结晶（2）亚晶形核o 随着冷变形量的增大，再结晶直接借助于亚晶作为其核心，称亚晶形核机制。回复阶段的多边形化过程中，产生了一些较大的无畸

59、变的亚晶，这是亚晶形核的基础。o 亚晶形核方式通常有两种，一种是亚晶合并机制，在某些位向差较小的相邻亚晶界上，位错网络通过解离、拆散并转移到其它亚晶界上，导致相邻亚晶界的消失，形成亚晶间的合并。合并后的亚晶，由于尺寸增大，同时不断有位错运动到新亚晶晶界上，位错密度增加，相邻亚晶的位相差增大，因而逐渐转变为大角度晶界，它具有比小角度晶界大得多的迁移速度，可以迅速移动，从而成为再结晶晶核。83846.3.3 再结晶再结晶o 另一种是亚晶迁移形核机制。某些取向差较大的亚晶界，位错密度较高，具有较高的活性，在加热过程中，容易发生迁移，逐步吞食周围亚晶，转变为大角晶界，于是就可以作为再结晶晶核而的长大。

60、亚晶迁移形核实际上是某些亚晶的直接长大。（3）再结晶晶核的长大o 再结晶的驱动力是变形储存能，再结晶过程实际上就是变形储存能的释放过程。通过再结晶，材料内部位错密度显著下降，变形储存能得以释放。从再结晶的形核和长大机制可见，晶界迁移的驱动力驱动力是无畸变晶粒与变形晶粒间的畸变能差，晶界移动方向总是背离其曲率中心，向着畸变晶粒方向推进，直至无畸变的等轴晶完全取代变形晶粒为止。84856.3.3 再结晶再结晶2. 再结晶动力学o 再结晶过程存在着孕育期，只有在保温一定时间后才能发生再结晶。再结晶速度开始时很小，然后逐渐加快，直至再结晶完成约50%时达到最大，之后逐渐降低。o 加热温度越高，再结晶转