材料科学基础塑性变形

1、金属材料的变形与再结晶金属材料的变形与再结晶123金属热变形、蠕变与超塑性金属热变形、蠕变与超塑性4金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线金属的塑性变形金属的塑性变形回复与再结晶回复与再结晶9.1 9.1 金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线9.1.1 工程应力应变曲线工程应力应变曲线塑性阶段塑性阶段弹性阶段弹性阶段颈缩颈缩屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度应变应变应变应变0.2有屈服点工程应力有屈服点工程应力-应变曲线应变曲线无屈服点工程应力无屈服点工程应力-应变曲线应变曲线9.1.2 真应力应变曲线真应力应变曲线 9.1 9.1 金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线llTllldlllllll

2、lll00232112001ln)() 1(A0000llAPAAPAPT9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形一、滑移一、滑移 1、滑移线和滑移带、滑移线和滑移带 工工业业纯纯铜铜中中的的滑滑移移 带带 滑移带形成示意图滑移带形成示意图 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2、滑移系滑移系滑移面：晶体滑移时沿某一特定晶面进滑移面：晶体滑移时沿某一特定晶面进行（通常为最密排晶面）。行（通常为最密排晶面）。滑移滑移系系滑移滑移方向：晶体滑移时沿滑移面的某特方向：晶体滑移时沿滑移面的某特定晶体学

3、方向进行（通常为最定晶体学方向进行（通常为最密排晶向）。密排晶向）。滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 (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个个9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 (2) 体心体心立方立方 滑移面不稳定，低温滑移面不稳定，低温时多为时多为112，中温时多为，中温时多为110，高温，高温时多为时多为123； 滑移滑移方向很方向很稳定：稳定：； 滑移系滑移系可能有可能有1248个。个。 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 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移系滑移系：3 一般来说一般来说，fcc和和bcc中中滑移系较多滑移系较多，比，比hcp塑性好塑性好；bcc中虽然滑移系的中虽然滑移系的数目数目较多较多，但滑移面的密排，但滑移面的密排程度程度比比fcc低，低，且滑移方向较少，且滑移方向较少，故塑性不如故塑性不如fcc。一些金属的滑移系一些金属的滑移系coscoscoscoscoscosPPAA9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 3、滑移的临界分切应力、滑移的临界分切应力 晶体晶体中的中的某滑移系是否某滑移系是否开动开动，决定于沿此滑移系分切应力决定于沿此滑移系分切应力的大小，当分

5、切应力达到某一的大小，当分切应力达到某一临界值时，滑移才能发生。临界值时，滑移才能发生。镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形4、滑移时晶面的转动9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 4、滑移时晶面的转动、滑移时晶面的转动 拉伸时，晶面拉伸时，晶面转动使滑移面和滑转动使滑移面和滑移方向都逐渐与应移方向都逐渐与应力轴平行。力轴平行。自由滑移自由滑移受限制的滑移受限制的滑移9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形压缩时的晶面转动压缩时的晶面转动压缩时的晶面转动压缩时的晶面转动 压缩时，压缩时，晶面转动使滑晶面转

6、动使滑移面和滑移方移面和滑移方向都逐渐与应向都逐渐与应力轴垂直。力轴垂直。单轴拉伸时晶体转动的力偶单轴拉伸时晶体转动的力偶9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形5 5、复滑移、复滑移 滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为复滑移，又称多滑移。移过程就称为复滑移，又称多滑移。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形立方晶体（立方晶体（001）标准投影图）标准投影图fcc晶体滑移系晶体滑移系9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形fcc晶体滑移的超越现象晶体滑移的超越

7、现象 例题：例题：当面当面心立方晶体拉伸时心立方晶体拉伸时，根据下图所给的立方晶体，根据下图所给的立方晶体(001)标标准投影图回答准投影图回答：(a) 拉伸沿拉伸沿P点所代表的方向进行时点所代表的方向进行时，哪个滑移系首先开动，哪个滑移系首先开动？(b) 拉伸轴平行于拉伸轴平行于001时，共有几时，共有几个滑移系可能开动，写出所有可能个滑移系可能开动，写出所有可能的情况。的情况。6 6、交、交滑移滑移9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形宏观：两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同宏观：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时或交替进行滑移的现象。微观：螺位错

8、在不改变滑移方向的情况下，改变滑移微观：螺位错在不改变滑移方向的情况下，改变滑移面引起的。面引起的。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形双交滑移双交滑移9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形思考：交滑移和层错能的关系思考：交滑移和层错能的关系7 7、滑移的位错机制、滑移的位错机制 宏观宏观上晶体滑移的临界分切应力上晶体滑移的临界分切应力 = 微观微观上克服位上克服位错运动阻力的错运动阻力的外力，包括：外力，包括：点阵点阵阻力（派阻力（派纳力）；纳力）；F-RF-R源开动源开动阻力阻力；与其它位错的交互作用阻力；与其它位错的交互作用阻力；l 长程交互力：克服弹性作用阻力；长程交互力

9、：克服弹性作用阻力；l 短程交互力：切割林位错（扭折、割阶）阻力；短程交互力：切割林位错（扭折、割阶）阻力；位错交割后形成的割阶与扭折位错交割后形成的割阶与扭折；位错与位错与其他其他缺陷发生交互作用。缺陷发生交互作用。 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形二、二、孪生孪生9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形镁合金变形过程镁合金变形过程中的孪生中的孪生 孪生：切孪生：切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程另一部分发生均匀切变的过程。孪生部分

10、与原。孪生部分与原晶体形成镜面对称。晶体形成镜面对称。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形变形前变形前 孪生孪生孪晶（孪晶（twintwin）：晶体）：晶体中原子排列以某一晶面成中原子排列以某一晶面成镜面对称部分镜面对称部分的的合称。合称。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形变形变形前前9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 1、孪生过程孪生过程形成条件：形成条件： 滑移系滑移系较少的密排六方晶体（如较少的密排六方晶体（如MgMg、ZnZn）；）； 低温低温（如（如CuCu在在4.2K4.2K）；）； 高高应变速率（如应变速率（如FeFe爆炸变形）。爆炸变形）。滑移滑移l

11、 不不均匀切变均匀切变l 没有位相变化没有位相变化 孪生孪生l 不均匀不均匀切变切变l 没有位相没有位相变化变化 1、孪生的形成过程9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形FccFcc晶体孪生变形示意图晶体孪生变形示意图9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形孪晶界孪晶界 切变晶体切变晶体仍然保仍然保持面心立方持面心立方结构结构 位位向发生变化向发生变化9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形孪生几何学孪生几何学l 球状晶体，孪生面球状晶体，孪生面K1；l 上半球均匀上半球均匀切变方向切变方向1；l 孪生要素：孪生要素：K1、1 、K2、2 ；9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑

12、性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形2 2、孪晶的形成、孪晶的形成 形变孪晶：形变过程中形成，在金相形貌上一般呈现透镜形变孪晶：形变过程中形成，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形锌和铁经塑性变形后形成的形变锌和铁经塑性变形后形成的形变孪晶孪晶9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形铜单晶在铜单晶在4.2K的拉伸曲线的拉伸曲线 退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，与与形变形变孪晶相比，孪晶

13、相比，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 铜晶体中的退火孪晶铜晶体中的退火孪晶组织组织 3 3、孪生的位错机制、孪生的位错机制9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形面心立方面心立方晶体中孪晶体中孪晶的形成晶的形成a/6112-9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形孪生的孪生的极轴机制孪生的孪生的极轴机制 4 4、滑移和孪生的比较、滑移和孪生的比较 1) 1) 相同点：相同点： 宏观宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；上，都是切应力作用下发生的剪切变形； 微观微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶上，都是晶

14、体塑性变形的基本形式，是晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程；移动过程； 均均不会不会改变晶体结构；改变晶体结构； 从从机制上看，都是位错运动结果。机制上看，都是位错运动结果。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2) 2) 不同点不同点：9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移滑移 不改变晶体的不改变晶体的位相；位相； 全位错运动的全位错运动的结果；结果； 不均匀切变不均匀切变过程；过程； 比较比较平缓，应力平缓，应力- -应变应变曲线较光滑、曲线较光滑、连续；连续； 临界分切应力临界分切应力值较小；值较小； 切变切变较大

15、，取决于较大，取决于晶体晶体的的塑性；塑性；孪生孪生 改变改变晶体的晶体的位相；位相； 不全位错运动的不全位错运动的结果；结果； 均匀切变均匀切变过程；过程； 发生迅速，应力发生迅速，应力- -应变应变曲曲线线呈锯齿状；呈锯齿状； 临界分切应力值大；临界分切应力值大； 切变较小，取决于切变较小，取决于晶体晶体结构；结构；9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形三、晶体的扭折三、晶体的扭折9.1.2 多晶体的塑性变形Zn单晶与多晶拉伸9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一、多晶体变形的特点一、多晶体变形的特点 1 1、相邻晶粒的相互协调性、

16、相邻晶粒的相互协调性 多晶体中晶粒取向随机性多晶体中晶粒取向随机性 变形不一致变形不一致 相邻晶粒的相互协调性相邻晶粒的相互协调性 对独立滑移系的要求（对独立滑移系的要求（5 5个）个）9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形2 2、晶界的影响、晶界的影响双晶拉伸双晶拉伸位错塞积位错塞积9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 3 3、晶粒尺寸与强度的关系、晶粒尺寸与强度的关系21Kdis霍尔佩奇（霍尔佩奇（Hall-PatchHall-Patch）关系：关系： 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形细细晶是唯一既提高强度也增晶是唯一既提高强度也增加塑形的强化方式。加塑形的强化方

17、式。提高塑形：提高塑形：变形较均匀、应力集中较小变形较均匀、应力集中较小 等强温度等强温度9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形二、屈服二、屈服 1 1、屈服现象、屈服现象9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2 2、应变时效现象、应变时效现象时效后时效后9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 3 3、屈服现象的解释、屈服现象的解释 1 1） 气团理论：气团理论： 在固溶体中，溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶在固溶体中，溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是质原子的应力场

18、和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团，即所谓的溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团，即所谓的柯垂尔（柯垂尔（CottrellCottrell）气团。）气团。 可以解释大部分晶体中出现的屈服现象。可以解释大部分晶体中出现的屈服现象。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2 2）位错理论）位错理论 材料的塑性变形的应变速率材料的塑性变形的应变速率 p p是与晶体中可动位错密度是与晶体中可动位错密度 m m、位错运动平均速度位错运动平均速度v v以及位错的柏氏矢量以及位错的柏氏矢量b b成正比，即：成正比，即：vbmmv)(0而：可见，

19、具有明显屈服现象的材料应具备以下条件：可见，具有明显屈服现象的材料应具备以下条件： 开始变形前，晶体中的可动位错密度开始变形前，晶体中的可动位错密度 m m较低；较低； 随着塑性变形的发生，位错能够迅速增殖；随着塑性变形的发生，位错能够迅速增殖； 应力敏感因子应力敏感因子m m 较低。较低。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 9.1.3 9.1.3 合金的塑性变形与强化合金的塑性变形与强化一、固溶体的塑性变形一、固溶体的塑性变形 1 1）固溶强化）固溶强化强度、硬度随溶质含强度、硬度随溶质含量增加而增加，而塑量增加而增加，而塑性指标则相反性指标则相反 9.2 9.2 金属的塑性变形金

20、属的塑性变形溶质原子的加入通常同时提高了屈服强度和整个应力应变曲溶质原子的加入通常同时提高了屈服强度和整个应力应变曲线的水平，并使材料的加工硬化速率增高线的水平，并使材料的加工硬化速率增高铝溶有镁后的应铝溶有镁后的应力应变曲线力应变曲线 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形不同溶质的强化效果不同不同溶质的强化效果不同溶入合金元素对溶入合金元素对铜单晶临界分切铜单晶临界分切应力的影响应力的影响 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 原因主要有以下几个方面：原因主要有以下几个方面： 溶质原子的浓度。浓度越高，一般其强化效果也越好，溶质原子的浓度。浓度越高，一般其强化效果也越好，但并

21、不是线性关系，低浓度时显著；但并不是线性关系，低浓度时显著； 原子尺寸因素。溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化原子尺寸因素。溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化作用越好作用越好, ,但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也很低；很低； 溶质原子类型。间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，溶质原子类型。间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心立方晶体中的间隙原子；特别是体心立方晶体中的间隙原子； 相对价因素（电子因素）。溶质原子与基体金属的价电相对价因素（电子因素）。溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化效果越显著，子数相差越大，固溶强化

22、效果越显著，9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形电 子 浓 度 对电 子 浓 度 对Cu固溶体屈固溶体屈服应力的影响服应力的影响 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括：固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括： 溶质原子与位错发生弹性交互作用溶质原子与位错发生弹性交互作用 固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉扎作用，从而阻碍位错运动；扎作用，从而阻碍位错运动；9.2 9.2

23、 金属的塑性变形金属的塑性变形静电交互作用静电交互作用 溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压缩区呈正电而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。缩区呈正电而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。 研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的1/31/31/61/6，且不受温度影响。，且不受温度影响。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形化学交互作用与铃木气团化学交互作用与铃木气团 这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，因此这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成

24、分相关，因此晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生强化作用。强化作用。 化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形

25、2 2）有序强化）有序强化 超结构超结构有序畴有序畴二、多相合金的塑性变形二、多相合金的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形聚合型合金聚合型合金弥散型合金弥散型合金 1 1、聚合型两相合金的塑性变形、聚合型两相合金的塑性变形 对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金的塑性变形决定于两相的比例：的塑性变形决定于两相的比例： 如果应变相等，则对一定应变时合金的平均流变应力为：如果应变相等，则对一定应变时合金的平均流变应力为： m m = f = f1 1 1 1 + f + f2 2 2 2 如果应力相等，则对于一定应力时

26、合金的平均应变为：如果应力相等，则对于一定应力时合金的平均应变为： m m = f = f1 1 1 1 + f + f2 2 2 29.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2 2、弥散分布型合金的塑性变形、弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化作用。作用。 沉淀强化或时效强化沉淀强化或时效强化: :强化相颗粒通过过饱和固溶体的时强化相颗粒通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出效处理沉淀析出 弥散强化弥散强化: :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 金属的塑性变形金属的塑性

27、变形 1 1）不可变形颗粒的强化作用）不可变形颗粒的强化作用9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形根据位错理论，位错弯曲至半径根据位错理论，位错弯曲至半径R R时所需切应力为：时所需切应力为：RGb2Gb而当而当R R为颗粒为颗粒间距的间距的一半时，所需切应力最小：一半时，所需切应力最小：这就是奥罗万（这就是奥罗万（OrowanOrowan）机制）机制9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 2 2）可变形颗粒的强化作用）可变形颗粒的强化作用 当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过，此时强化作当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过，此时强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联

28、系：用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系：9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 位错切过颗粒后，在其表面产生位错切过颗粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加了颗粒大小的台阶，增加了颗粒与基体两者间界面，需要相应的能量；与基体两者间界面，需要相应的能量； 如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导致有序强化；致有序强化； 由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移面上导致原子错配，需要额外作功；面上导致原子错配，需要

29、额外作功；P-N力不同造成阻力；力不同造成阻力； 颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而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；用，对位错运动有阻碍作用；Al-1.6%Cu合金合金 9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2.4 9.2.4 变形后的组织与性能变形后的组织与性能一、显微组织的变化一、显微组织的变化铜经不同程度冷轧后的光学铜经不同程度冷轧后的光学显微组织显微组织 30%,

30、 50%, 99%（3000）9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形二、亚结构的变化二、亚结构的变化 位错密度：从退火的位错密度：从退火的10106 610101010/cm/cm2 2增至增至1010111110101212/cm/cm2 2。 30%压缩率（压缩率（30000） 50%压缩率（压缩率（30000）99%压缩率（压缩率（30000）9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形与层错能的关系？与层错能的关系？铜经不同程度冷轧后的透射电镜铜经不同程度冷轧后的透射电镜相相三、性能的变化三、性能的变化 加工硬化；其他性能变化加工硬化；其他性能变化9.2 9.2 金属的塑性变形金

31、属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形单晶体应力应变曲单晶体应力应变曲线上的三个典型阶段线上的三个典型阶段9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形三种常见结构的纯金三种常见结构的纯金属单晶体处于软取向属单晶体处于软取向时的应力应变曲线时的应力应变曲线四、形变织构（择优取向）四、形变织构（择优取向）形变织构：当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机形变织构：当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒由于转动会逐渐调整到其取向趋于一致，这种经过的各个晶粒由于转动会逐渐调整到其取向趋于一致，这种经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向。强烈变形后的多晶体材料形成

32、了择优取向。 丝织构：丝织构： 拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于与拔丝方向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。与拔丝方向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。 如铝拉丝为如铝拉丝为织构，而冷拉铁丝为织构，而冷拉铁丝为织构；织构； 板织构：板织构： 板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般这种织构也就以相晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般这种织构也就以相关面和方向表示。关面和方向表示。 如冷轧黄铜的如冷轧黄铜的110,110,

33、织构。织构。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形五、残余应力五、残余应力 来源：形变过程中残留在材料内部的应力；来源：形变过程中残留在材料内部的应力； 实质：是材料内部各部分之间不均匀变形引起的。实质：是材料内部各部分之间不均匀变形引起的。 类型：宏观、微观、点阵畸变类型：宏观、微观、点阵畸变 第一类内应力，又称宏观残余应力，作用范围工件尺度；第一类内应力，又称宏观残余应力，作用范围工件尺度； 第二类内应力，又称微观残余应力，作用范围晶粒尺度；第二类内应力，又称微观残余应力，作用范围晶粒尺度； 第三类内应力，又称点阵畸变，作用范围点阵尺度，由

34、于第三类内应力，又称点阵畸变，作用范围点阵尺度，由于在形变过程中形成了大量点阵缺陷所致，这部分能量占整个储在形变过程中形成了大量点阵缺陷所致，这部分能量占整个储存能中的绝大部分。存能中的绝大部分。9.2 9.2 金属的塑性变形金属的塑性变形9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶回回 复：新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化复：新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化 的阶段，在金相显微镜中无明显变化；的阶段，在金相显微镜中无明显变化；再再 结结 晶：无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶：无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大：再结晶结束后晶粒的长大过程。晶粒长

35、大：再结晶结束后晶粒的长大过程。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶一、组织变化一、组织变化9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶二、回复和再结晶的驱动力二、回复和再结晶的驱动力 储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶 三、性能的变化9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶三、性能变化三、性能变化 冷变形晶体的回复冷变形晶体的回复一、回复的去应力作用一、回复的去应力作用 在回复阶段，第一类内应力基本可以消除，造成加工硬化在回复阶段，第一类内应力基本可以消除，造成加工硬化的第三类内应力变化很少，而

36、第二类内应力的消除程度则介于的第三类内应力变化很少，而第二类内应力的消除程度则介于一、三类内应力之间。一、三类内应力之间。 去应力退火；去应力退火； 例：弹壳黄铜的应力腐蚀例：弹壳黄铜的应力腐蚀9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶二、回复动力学)()(0mrmR9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶二、回复动力学二、回复动力学屈服应力回复率 回复回复过程在加热过程在加热后立刻开始，没后立刻开始，没有孕育期；有孕育期； 回复回复开始的速率开始的速率很大，随着时间很大，随着时间的延长，逐渐降的延长，逐渐降低，直至趋于零；低，直至趋于零； 加热加热温度越高，温度越高，最终回复程度也最终回复程度

37、也越高；越高； 变形量变形量越大，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复速率。复速率。三、回复机制三、回复机制（1 1）低温）低温回复回复（0.10.3Tm） 因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶点缺陷运动点缺陷运动（空位）（空位）移至晶界、位错处移至晶界、位错处空位空位间隙原子

38、间隙原子空位聚集（空位群、对）空位聚集（空位群、对）消失消失缺陷密度降低缺陷密度降低（2 2）中温）中温回复回复（0.30.5Tm） 原子活动能力增强，位错也被激活，在内应力作用下原子活动能力增强，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，密度略有降低开始滑移，部分异号位错发生抵消，密度略有降低。 位错滑移位错滑移异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错缠结重新排列位错缠结重新排列亚晶粒长大亚晶粒长大位错密度降低位错密度降低（3 3）高温）高温回复回复（0.5Tm） 变形金属的回复机制主要与位错的攀移运动有关，最变形金属的回复机制主要与位错的攀移运动有关，最终通过滑移和攀移使

39、得位错从同一滑移面变为在不同滑移终通过滑移和攀移使得位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，以降低总面上竖直排列的位错墙，以降低总畸变能畸变能. .（3） 高温回复（高温回复（0.5Tm）位错攀移位错攀移（滑移）（滑移） 位错垂直排列（亚晶界）位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒）多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。弹性畸变能降低。回复过程中的位错攀移与滑移回复过程中的位错攀移与滑移9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶位错在多边化过程中重新分布位错在多边化过程中重新分布 9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶 冷变形金属的再结晶冷变形金属的再结晶一、再结晶晶核的形成与长大一、

40、再结晶晶核的形成与长大( (与相变相区别）与相变相区别）(1) (1) 晶界弓出形核机制晶界弓出形核机制 对于变形程度较小的金属（一般小于对于变形程度较小的金属（一般小于20%20%），再结晶晶核），再结晶晶核往往采用弓出形核机制生成。往往采用弓出形核机制生成。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶弓出方式形核的条件弓出方式形核的条件dVdAEGsrdVdA2对球面：对球面：rEdVdAEGss2 若晶界弓出段两端若晶界弓出段两端a a、b b固定，且固定，且 值恒定，则开始阶段随值恒定，则开始阶段随abab弓弓出弯曲，出弯曲，r r逐渐减小、逐渐减小、 G G值增大。当值增大。当r r达到

41、最小值达到最小值(r(rab/2ab/2L)L)时，时， G G将达到最大值。此后，若继续弓出，由于将达到最大值。此后，若继续弓出，由于r r的增大而的增大而 G G减小，于是，晶界将自发地向前推移。因此，一段长为减小，于是，晶界将自发地向前推移。因此，一段长为2L2L的晶的晶界，其弓出形核的能量条件为界，其弓出形核的能量条件为 G 0G 70%70%）的金属，在）的金属，在1h1h完成再结晶体积分完成再结晶体积分数数95%95%所对应的温度。所对应的温度。 实验表明，对许多工业纯金属而言，在上述条件下，再结晶实验表明，对许多工业纯金属而言，在上述条件下，再结晶温度温度T TR R与其熔点与其

42、熔点TmTm间有如下关系：间有如下关系： T TR R (0.35-0.45)Tm (0.35-0.45)Tm。 在实际应用中在实际应用中，退火，退火的温度要比再结晶温度高些。的温度要比再结晶温度高些。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶三、影响再结晶温度的因素三、影响再结晶温度的因素（1 1）变形程度）变形程度9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶 （2 2）原始晶粒尺寸）原始晶粒尺寸 原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大，形变原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大，形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低。此外，再结晶形核通后的储存能较高，因此再结晶温度降低。此外，再结晶

43、形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，所形成的常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，所形成的再结晶晶粒更小，而再结晶温度也降低。再结晶晶粒更小，而再结晶温度也降低。（3 3）微量溶质原子）微量溶质原子9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶 （4 4）第二相颗粒）第二相颗粒 多数情况下，合金中的第二相为硬脆的化合物，在冷变形多数情况下，合金中的第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在过程中，一般不考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上，这些第二相颗粒对基体再结晶的影响主要由第二相的基体上，这些第二相颗粒对基体再结晶的影响

44、主要由第二相的尺寸和分布决定。尺寸和分布决定。 当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度；严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度； 当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再

45、大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。结晶过程更加困难，提高再结晶温度。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶四、再结晶后的晶粒大小四、再结晶后的晶粒大小 再结晶后晶粒尺寸符合约翰逊梅厄方程：再结晶后晶粒尺寸符合约翰逊梅厄方程：41）（常数Iud1 1、变形度的影响、变形度的影响9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶2 2、再结晶退火温度的影响、再结晶退火温度的影响9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶 （3 3）原始晶粒大小）原始晶粒大小 晶界附近区域的形变情况比较复杂，因而这些区域的局部晶界附近区域的形变情况比较复杂，因而这些区域的局

46、部储存能较高，使晶核易于形成。细晶粒金属的晶界面积大，所储存能较高，使晶核易于形成。细晶粒金属的晶界面积大，所以储存能高的区域多，形成的再结晶核心也多，故使再结晶后以储存能高的区域多，形成的再结晶核心也多，故使再结晶后的晶粒尺寸减小。的晶粒尺寸减小。（4 4）杂质）杂质 金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形变量下，金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形变量下，杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再结晶时的杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再结晶时的u/Iu/I值值减小减小。另一方面，杂质对降低界面的迁移能力是极为有效的，另一方面，杂质对降低界面的迁移能力是极为有效的，这就是说，

47、它会降低再结晶完成后晶粒的长大速率。所以，金这就是说，它会降低再结晶完成后晶粒的长大速率。所以，金属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大正常长大：大多数晶粒长大速率相差不多，几乎是均匀长大；正常长大：大多数晶粒长大速率相差不多，几乎是均匀长大；异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大，也称二次再结晶。异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大，也称二次再结晶。一、晶粒的正常长大一、晶粒的正常长大（1 1）长大方式）长大方式 再结晶完成后，新等轴晶已完全接触，形变储存能已完全再结晶完成后，新等轴晶

48、已完全接触，形变储存能已完全释放，但在继续保温或升高温度情况下的长大是依靠大角度晶释放，但在继续保温或升高温度情况下的长大是依靠大角度晶界的移动并吞食其它晶粒实现的。界的移动并吞食其它晶粒实现的。（2 2）长大的驱动力）长大的驱动力 晶粒长大的过程实际上就是一个晶界迁移过程，从宏观上晶粒长大的过程实际上就是一个晶界迁移过程，从宏观上来看，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，而从晶粒尺度来看，来看，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，而从晶粒尺度来看，驱动力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。有时也将晶粒长驱动力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。有时也将晶粒长大称之为粗化。大称之为粗化。9.3 9.3 回

49、复与再结晶回复与再结晶二、二次再结晶（异常晶粒长大）二、二次再结晶（异常晶粒长大）Mg-3Al-0.8ZnMg-3Al-0.8Zn合金退火组织合金退火组织a a 正常再结晶，正常再结晶，b b 晶粒长大，晶粒长大，c c 二次再结晶二次再结晶 9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶二次再结晶的一般规律：二次再结晶的一般规律：二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它们是二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它们是初次再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。初次再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。开始时长大得很慢，只是在长大到某一临界尺寸以后才迅速开始时长大得很慢，只是在长大到某

50、一临界尺寸以后才迅速长大。可以认为在二次再结晶开始之前，有一个孕育期。长大。可以认为在二次再结晶开始之前，有一个孕育期。二次再结晶完成以后，有时也有明显的织构。这种织构总是二次再结晶完成以后，有时也有明显的织构。这种织构总是和初次再结晶得到的织构明显地不同。和初次再结晶得到的织构明显地不同。要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通常最要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通常最大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的。当加大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的。当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小。热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小。和正常的晶粒长大一样，二次再结晶助驱动力也是晶界能。和正常的晶粒长大一样，二次再结晶助驱动力也是晶界能。 晶粒的异常长大一般是在晶粒正常长大过程被分散相粒子、晶粒的异常长大一般是在晶粒正常长大过程被分散相粒子、织构或表面热蚀沟等强烈阻碍情况下发生的。织构或表面热蚀沟等强烈阻碍情况下发生的。9.3 9.3 回复与再结晶回复与再结晶晶界的影响晶界的影响-热蚀沟热蚀沟9.3 9.3 回复与再结