塑性变形与再结晶

1、第第6 6章章 塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶金属成型的重要手段合成与制备材料特性成分组织结构服役行为与寿命章目录：章目录：6.1 6.1 金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线6.2 6.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.3 6.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形6.4 6.4 合金的塑性变形合金的塑性变形6.5 6.5 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能6.7 6.7 热变形与动态回复与再结晶热变形与动态回复与再结晶6.6 6.6 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能 延展性是延展性是金属最基本的性质之一金属最基本的性质之一。 本章重点研究材料的变形规律及其微观机

2、制，分析其本章重点研究材料的变形规律及其微观机制，分析其影响因素。影响因素。 高分子材料高分子材料的变形属的变形属粘弹性变形粘弹性变形，陶瓷材料陶瓷材料几乎几乎没有没有塑性塑性，在工业上主要通过热成型或湿成型。所以研究，在工业上主要通过热成型或湿成型。所以研究他们的塑性变形，意义有限。他们的塑性变形，意义有限。利用它可成型金属零部件。掌握变形的规律，可方利用它可成型金属零部件。掌握变形的规律，可方便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金属的变形，则是强化材料的途径。属的变形，则是强化材料的途径。kbse应力应力应变曲线应变曲线 均匀塑变均匀塑变集

3、中塑变集中塑变弹性变形弹性变形断裂断裂0000LLLAp拉伸拉伸缩颈缩颈6.1 金属的应力金属的应力-应变曲线应变曲线金属的变形特性金属的变形特性 变形的分类变形的分类: : 弹性变形弹性变形 外力去除后外力去除后, ,变形消失变形消失, ,材料恢复原来形材料恢复原来形 状的变形。状的变形。 塑性变形塑性变形 外力去除后，材料不能恢复原来形状的外力去除后，材料不能恢复原来形状的 永久变形。永久变形。 变形的基本过程变形的基本过程: : 弹性变形弹性变形 弹弹- -塑性变形塑性变形 加工硬化加工硬化 断裂断裂1 1、强度指标、强度指标 材料抵抗变形和断裂的能力。材料抵抗变形和断裂的能力。e e

4、- - 弹性极限弹性极限 ( (以余变以余变0.005%0.005%为定点为定点) ) 弹性变形的最大应力值弹性变形的最大应力值S S - - 屈服强度屈服强度 ( (以余变以余变0.2%0.2%为定点为定点, ,用用0.20.2表表) ) 明显塑变的最小应力值明显塑变的最小应力值b b - - 抗拉强度抗拉强度 ( (强度极限强度极限) ) 均匀塑变的最大应力值均匀塑变的最大应力值k k - - 断裂强度断裂强度 集中塑变的最终应力值集中塑变的最终应力值 2 2、塑性指标、塑性指标: : 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。 - - 延伸率延伸率%100ookLLL%

5、100okoAAA 10% 塑性材料塑性材料 - - 断面收缩率断面收缩率: :kbse 03、刚度指标、刚度指标E( (G):): 抵抗弹性变形的能力抵抗弹性变形的能力 GE bsek均匀塑变均匀塑变集中塑变集中塑变弹性变形弹性变形断裂断裂o o 工程应力应变曲线中，工程应力应变曲线中，、 均按试样初始尺寸均按试样初始尺寸计算，拉伸时只需记录计算，拉伸时只需记录P、L即可，使用非常方便。但是即可，使用非常方便。但是在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，由由此计算的此计算的和和 并非真实。例如产生缩颈后，截面大大缩小并非真实。例如产生缩颈后，截面大大缩小, ,

6、缩颈缩颈处的应力应为处的应力应为 ，远大于，远大于 ，从而产生了假象。为，从而产生了假象。为克服这一缺点，引入克服这一缺点，引入真应力真应力真真应变曲线应变曲线，也叫，也叫流变曲流变曲线线，瞬时应力叫，瞬时应力叫流变应力流变应力。真应力真应力真应变曲线真应变曲线000LLLAp颈颈AP0AP 真应变真应变e，按瞬时值求得：，按瞬时值求得： 总应变为：总应变为： 真应力真应力S ： 当应变很小时，当应变很小时， 1 1 有：有： e ，s ，两者相近，可通用。，两者相近，可通用。 但当应变很大时，两者相差较多。但当应变很大时，两者相差较多。LdLde )1ln(ln00LLLLLdLe)1(00

7、0LLAAAPAPS（缩颈以前）（缩颈以前）000LLLAp体积不变体积不变真应力应变曲线如图所示，产生真应力应变曲线如图所示，产生缩颈后，应力继续上升，表明加工缩颈后，应力继续上升，表明加工硬化继续发生。硬化继续发生。该曲线可表示为：该曲线可表示为：e弹性范围弹性范围均匀塑变均匀塑变集中塑变集中塑变断裂断裂S0 0nekSn 加工硬化指数，约在加工硬化指数，约在 0.1 0.5之间之间不锈钢：不锈钢： 0.450.55黄黄 铜：铜： 0.360.4铜：铜： 0.3 0.35铝：铝： 0.150.25f.c.c高高铁：铁：0.050.15 b.c.ch.c.p 很小很小6 6.2 .2 单晶体

8、的塑性变形单晶体的塑性变形一、滑移一、滑移 滑移的本质滑移的本质 位错的运动位错的运动 1 1、滑移线与滑移带、滑移线与滑移带塑性变形的基本方式：滑移和孪生塑性变形的基本方式：滑移和孪生滑移带滑移带滑移线滑移线CuCu单晶表面的滑移带单晶表面的滑移带2 2、滑移系、滑移系晶体的滑移总是沿晶体的滑移总是沿阻力最小的晶面和晶向阻力最小的晶面和晶向进行，通常为进行，通常为密排面和密排面和密排方向密排方向。即单位位错的滑移面和柏氏矢量方向。即单位位错的滑移面和柏氏矢量方向。密排面和它上面的一个密排方向的组合称为密排面和它上面的一个密排方向的组合称为滑移系滑移系。 f.c.c 111f.c.c 111

9、4 43 3 1212 b.c.c 110 b.c.c 110 或次密排面或次密排面112112、123123 6 62 2 1212 h.c.p (0001) c/a1.633 h.c.p (0001) c/a1.633 1 13 3 3 30211111001100211或或 b.c.c密排面原子密度较密排面原子密度较f.c.c小，面间距也较低，滑移阻力较大，小，面间距也较低，滑移阻力较大， 虽然滑移系多，但塑性不如面心立方。虽然滑移系多，但塑性不如面心立方。 h.c.p由于滑移系少，塑性差。但当温度升高时，原子振动增大，由于滑移系少，塑性差。但当温度升高时，原子振动增大， 相近的密排面和

10、方向的数目增加，比低温时易于变形。相近的密排面和方向的数目增加，比低温时易于变形。金金 属属 晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系数目滑移系数目Cu, Al, Ni, Ag, Au面心立方面心立方11112-Fe, W, Mo-Fe, W-Fe, K体心立方体心立方110112123121224Cd, Zn, Mg, -Ti, Be-Ti, Mg, Zr -Ti, Mg密排六方密排六方336021100010110_1110_3 3、滑移的临界分切应力、滑移的临界分切应力 定义：定义：作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力，称

11、为，称为作用于滑移系的作用于滑移系的分切应力分切应力。当当达到足以克服位错滑移阻力达到足以克服位错滑移阻力k k时，滑移系方能开动，称时，滑移系方能开动，称k k 为滑移的为滑移的临界分切应力临界分切应力。 或：使滑移系开动的最小分切应力。称为临界分切应力或：使滑移系开动的最小分切应力。称为临界分切应力k k 。k 滑移系上的分切应力滑移系上的分切应力如图如图: :单晶体单向拉伸，某一滑移系与单晶体单向拉伸，某一滑移系与外力外力F 的取向关系由的取向关系由和和唯一确定。唯一确定。外力外力F 在滑移方向上的分切应力为：在滑移方向上的分切应力为：FnAbmAFAFAFb coscos coscos

12、 cos/cos coscos mA 取向因子取向因子bF讨论：讨论： 若若或或9090，m0 0，最小。，最小。 若三轴共面，且若三轴共面，且4545 m1/2，最大。，最大。 0 m 1/2 对于一定的外力对于一定的外力F，m、， 滑移系越易滑移系越易滑移。滑移。 m1/2称为称为 软取向；软取向； m0，为硬取向。，为硬取向。 单晶体中各单晶体中各滑移系的滑移系的m是不同的。是不同的。 软取向的滑移系首先开动。软取向的滑移系首先开动。FnAbA coscos mm 单晶体的屈服应力单晶体的屈服应力s s当当k k时，位错开始滑移，时，位错开始滑移，材料屈服材料屈服s，代入上式：，代入上式

13、： msk 对于一定材料，对于一定材料，k为定值。为定值。 单晶体与外力单晶体与外力 F 的取向不同，的取向不同， m不同，屈服应力不同，屈服应力s也不同。也不同。 表现为各向异性。表现为各向异性。 k k值值一般一般 可通过实验测定。可通过实验测定。单晶镁的单晶镁的sm的关系的关系 coscos mm4 4、滑移时晶体的转动、滑移时晶体的转动 拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力轴平行，即轴平行，即下降，下降，增加，向增加，向9090变化。变化。软取向软取向 压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力轴

14、垂直，即轴垂直，即增加，增加，下降。下降。5 5、多滑移与交滑移、多滑移与交滑移 晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生转动。转动。 转动的结果，转动的结果，m 值不断变化。原先处于有利地位的滑值不断变化。原先处于有利地位的滑移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位的滑移系可能转到有利地位，发生滑移。的滑移系可能转到有利地位，发生滑移。 最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产生了多个滑移系交替滑移的局面，即称生了多个滑移系交替滑移的局面

15、，即称多滑移多滑移。铜在双滑移时产生的交叉滑移带铜在双滑移时产生的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带 由于晶体转动，由于晶体转动，m 的变化也可能使螺位错由一个滑移的变化也可能使螺位错由一个滑移面转移到更有利的滑移面上进行，称为面转移到更有利的滑移面上进行，称为交滑移交滑移（共同（共同的滑移方向，不同滑移面）。的滑移方向，不同滑移面）。铝表面的波纹状滑移带铝表面的波纹状滑移带b6 6、单晶体的应力应变曲线、单晶体的应力应变曲线 典型曲线一般分为三阶段典型曲线一般分为三阶段：单滑移（加工硬化系数小）：单滑移（加工硬化系数小）：多滑移（加工硬化明显）：多滑移（加工硬化明显）：动

16、态回复（异号位错抵消：动态回复（异号位错抵消 位错密度不再增加）位错密度不再增加）A 沿特殊方向（多个滑移系取向因子沿特殊方向（多个滑移系取向因子m 相同）拉伸，此时相同）拉伸，此时 无第无第阶段，如图阶段，如图A A曲线。曲线。 例：例： f.c.c中特殊方向上的等同滑移系中特殊方向上的等同滑移系 沿沿 8 8个等同滑移系；个等同滑移系； 沿沿 4 4个等同滑移系；个等同滑移系； 沿沿 6 6个等同滑移系。个等同滑移系。二、孪生二、孪生 孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在滑移难以进行时发生。滑移难以进行时发生。形变孪晶（条带状）形变孪晶（

17、条带状）1 1、孪生及其特点、孪生及其特点退火孪晶（平直边界）退火孪晶（平直边界）孪生面孪生面K)111()101(211)101(K)111(211孪生方向孪生方向 晶体在一定切应力晶体在一定切应力作用下，沿着一定的晶面和作用下，沿着一定的晶面和晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有不不同取向同取向，但，但有相同结构的新晶体有相同结构的新晶体，称为，称为孪生孪生。特点特点： （与滑移相比）（与滑移相比） 孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变。孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变。 原子运动的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称。原子运动

18、的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称。表面产生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶表面产生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶。差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶。孪生的结果使晶体表面产生浮凸。孪生的结果使晶体表面产生浮凸。 孪生的发生需要较大的应力，孪生的发生需要较大的应力，拉伸曲线呈锯齿状。拉伸曲线呈锯齿状。 孪生所能产生的总形变量很孪生所能产生的总形变量很小，但可调节晶体位向。小，但可调节晶体位向。镉孪生变形时的镉孪生变形时的应力应变曲线应力应变曲线2 2、实际晶体中的孪晶、实际晶体

19、中的孪晶 以上孪晶是形变孪晶，常呈透镜状，在以上孪晶是形变孪晶，常呈透镜状，在b.c.cb.c.c和和h.c.ph.c.p中常见，特别是后者。中常见，特别是后者。f.c.cf.c.c形变孪晶少见，常见的是形变孪晶少见，常见的是退火孪晶，即在高温下发生，通常边界平直。退火孪晶，即在高温下发生，通常边界平直。K面面方向方向f.c.c111b.c.ch.c.p_211211_2110_1110 111随随c/a值变化值变化6.3 6.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶界的存在，各晶粒的取向

20、不同，使多晶体的塑变具有新的特点。界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶体的塑变具有新的特点。一、多晶体塑变过程及特点一、多晶体塑变过程及特点 多晶体受力时，首先晶体中个别软取多晶体受力时，首先晶体中个别软取向（向（m大）的晶粒大）的晶粒A中位错源开动。位错中位错源开动。位错在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位错源起动。错源起动。A晶粒前端应力松弛，所以晶粒前端应力松弛，所以A源重新起动。于是变形由一个晶粒传递到源重新起动。于是变形由一个晶粒传递到另一个晶粒，最后波及整个晶体。另一个晶粒

21、，最后波及整个晶体。AB多晶体滑移示意图多晶体滑移示意图另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调作用。作用。单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之间的连续性，造成孔隙。间的连续性，造成孔隙。理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑移至少需要五个独立的滑移系同时开动。移至少需要五个独立的滑移系同时开动。因此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高。因

22、此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高。特点：特点：变形抗力高。变形抗力高。滑移在晶界受阻，滑移在晶界受阻，不易直接传递到相邻晶粒，表现不易直接传递到相邻晶粒，表现出塑性变形抗力较高，这种阻碍出塑性变形抗力较高，这种阻碍即来自即来自晶界晶界，也来自晶界另一侧，也来自晶界另一侧取向不同的晶粒取向不同的晶粒。变形的不均匀性。变形的不均匀性。由于晶粒取向由于晶粒取向不同，产生不同，产生形变不均匀性形变不均匀性。晶粒。晶粒中心与边界扫过的位错数目不同中心与边界扫过的位错数目不同, ,形变也不均匀，从而引起内应力形变也不均匀，从而引起内应力. .形变要协调。形变要协调。 为了保证应变的连续性，在晶界

23、附近，要求至少有为了保证应变的连续性，在晶界附近，要求至少有5 5个独立个独立 的滑移系同时起动，需要很高的外力。的滑移系同时起动，需要很高的外力。 f.c.cf.c.c和和b.c.cb.c.c均可提供均可提供5 5个独立滑移系个独立滑移系, ,塑性较好。塑性较好。 h.c.ph.c.p只有两个独立滑移系只有两个独立滑移系, ,需孪生来协助需孪生来协助, ,塑性差。塑性差。 晶粒转动。晶粒转动。各晶粒取向趋于一各晶粒取向趋于一 致，形成织构。致，形成织构。 各向同性。各向同性。屈服应力为定值。屈服应力为定值。二、晶粒大小对形变的影响二、晶粒大小对形变的影响如图为低碳钢多晶材料屈服强度如图为低碳

24、钢多晶材料屈服强度与与d1/2关系曲线，由实验证明了关系曲线，由实验证明了HallPetch公式。公式。21dkos d 晶粒半径，晶粒半径， s 材料屈服强度；材料屈服强度； 0 单晶屈服强度单晶屈服强度 由实验还证明：由实验还证明： 塑性材料塑性材料上上、下下、5 5、1010等流变应力值，以及疲劳强度与等流变应力值，以及疲劳强度与晶粒半径之间也服从上述规律，只是晶粒半径之间也服从上述规律，只是0和和k不同。不同。 脆性材料的脆断强度脆性材料的脆断强度b d也服从。也服从。6.4 6.4 合金的塑性变形合金的塑性变形 与纯金属相比，与纯金属相比，有固溶强化作用。作有固溶强化作用。作用大小主

25、要取决于溶用大小主要取决于溶剂晶体结构，溶质浓剂晶体结构，溶质浓度及固溶体类型。度及固溶体类型。合金组织：单相和复相合金组织：单相和复相一、固溶体塑变特点一、固溶体塑变特点（强化效果）（强化效果）Al f.c.c. 置换置换 G/10Cu f.c.c. 置换置换 G/20Fe b.c.c. 置换置换 G/16Nb b.c.c. 置换置换 G/10Fe b.c.c. 间隙（间隙（C） 3GNb b.c.c. 间隙（间隙（N） 2GNi f.c.c. 间隙间隙（C） G/10dcd球对称球对称非球对称非球对称球对称球对称弱弱强强弱弱基体金属基体金属溶质原子溶质原子畸变对称性畸变对称性强化效果：强化

26、效果： 溶质原子浓度溶质原子浓度C： 溶剂金属晶体结构：溶剂金属晶体结构： b.c.c f.c.c （h.c.p） 固溶体类型：固溶体类型： 间隙式间隙式 置换式置换式3221CC固溶体形变实例：固溶体形变实例： 深冲低碳钢薄板，因屈服点深冲低碳钢薄板，因屈服点处局部区域变形不均匀，造处局部区域变形不均匀，造成工件表面粗糙不平。成工件表面粗糙不平。 吕德斯带吕德斯带 冲压前微量预形变，消除屈冲压前微量预形变，消除屈服点服点, ,可防止吕德斯带产生可防止吕德斯带产生. .1. 1. 聚合型聚合型 两相塑性相近，强化作用不明显，取均值。两相塑性相近，强化作用不明显，取均值。 存在硬脆相（取决于硬脆

27、相的形状和分布）存在硬脆相（取决于硬脆相的形状和分布） 网状网状 片状片状 球状球状 脆性脆性 塑性塑性 强度强度 低低 高高 中中21kis二、复相合金的塑变特点二、复相合金的塑变特点按第二相尺寸大小：聚合型和弥散型按第二相尺寸大小：聚合型和弥散型VVVV2 2、弥散型（沉淀强化，时效强化）、弥散型（沉淀强化，时效强化） 第二相质点将阻碍位错运动，因而起强化作用，第二相质点将阻碍位错运动，因而起强化作用，第二相质点越弥散，阻碍作用越强，强化作用越大。第二相质点越弥散，阻碍作用越强，强化作用越大。位错绕过第二相位错绕过第二相质点所需切应力质点所需切应力Gb颗粒平均自由程颗粒平均自由程6.5 6

28、.5 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能一、塑变对组织与结构的影响一、塑变对组织与结构的影响 1 1、显微组织变化、显微组织变化随变形度的增加，晶粒拉长，纤维组织形成。随变形度的增加，晶粒拉长，纤维组织形成。30压缩率压缩率30050压缩率压缩率30099压缩率压缩率300铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化。随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化。30压缩率压缩率3000050压缩率压缩率3000099压缩率压缩率30000铜材经不同程度冷轧后薄膜透射电镜像铜材经不同程度冷轧后薄膜透射电镜像2 2、形变织构（择优

29、取向）、形变织构（择优取向） 塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋于一致，称择优取向或织构，由变形引起的择优取向于一致，称择优取向或织构，由变形引起的择优取向称为形变织构。称为形变织构。 丝织构（拉拔时形成）丝织构（拉拔时形成） 用平行于变形方向的晶向表示。用平行于变形方向的晶向表示。 板织构（轧制时形成）板织构（轧制时形成） 以平行于轧面的晶面以平行于轧面的晶面 h k l 和平行于轧向的晶向和平行于轧向的晶向表示。表示。 h k l 晶体晶体结构结构金属或合金金属或合金丝织构丝织构板织构板织构f.c.cCu，Ni，Ag，AlCu-Ni

30、，Cu-Zn + 110b.c.c-Fe，Mo，W001110111h.c.pMg，Zn (0001)01100211 织构造成材料各向异性。织构造成材料各向异性。 不利：不利：冲压冲压“制耳制耳” 有利：有利：硅钢片，磁学性能明显提高硅钢片，磁学性能明显提高 磁学性能磁学性能戈斯织构戈斯织构110110磁学性能磁学性能立方织构立方织构100100轧向轧向横向横向轧向轧向横向横向导磁率导磁率5.55.5万万0.80.8万万导磁率导磁率11.611.6万万6.56.5万万铁铁 损损1.321.323.533.53铁铁 损损1.231.231.431.43二、塑变对性能的影响二、塑变对性能的影响1

31、 1、加工硬化、加工硬化 、HBHB、 作用：作用： 使变形均匀。使变形均匀。 均衡负荷，增加安全性。均衡负荷，增加安全性。 提高强度。提高强度。4545钢力学性能钢力学性能变形度曲线变形度曲线Gb0式中，式中，为加工硬化后所需要的切应力，为加工硬化后所需要的切应力， 为无加工硬化为无加工硬化时所需要的切应力，时所需要的切应力，为与材料有关的常数，通常取为与材料有关的常数，通常取0.30.50.30.5，G G为切变模量，为切变模量，b b为位错的柏氏矢量，为位错的柏氏矢量，为位错密度。为位错密度。加工硬化的机制有不同理论，但导出的强化效果的表达式基加工硬化的机制有不同理论，但导出的强化效果的

32、表达式基本相同，即流变应力是位错密度的平方根的线性函数：本相同，即流变应力是位错密度的平方根的线性函数：塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。致加工硬化的决定性因素。c加工硬化的工程意义：加工硬化的工程意义：l 加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。用热处理方法强化的金属材料。 l 加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形

33、较少的分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。部分发展。l 加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行在金属的变形和加工过程中常常要进行“中间退火中间退火”以消以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。 例：例：自行车链条的链板，材料自行车链条的链板，材料16Mn。经。经5次轧制，由次轧制，由3.5mm压压缩到缩到1.2mm，变形度，变形度65，强

34、度、硬度提高约一倍。强度、硬度提高约一倍。HBb MN/mm2形变前形变前150520形变后形变后2701000 保险柜、坦克车履带、以及无法热处理强化的铜、铝、保险柜、坦克车履带、以及无法热处理强化的铜、铝、 不锈钢等，都可用加工硬化提高强度。不锈钢等，都可用加工硬化提高强度。2 2、其他物理及化学性能的变化、其他物理及化学性能的变化 导磁率、导电率、电阻温度系数降低；矫顽导磁率、导电率、电阻温度系数降低；矫顽力及电阻率升高。力及电阻率升高。 化学活性增加，耐蚀性降低。化学活性增加，耐蚀性降低。三、残余应力三、残余应力 宏观内应力：材料各部位变宏观内应力：材料各部位变形不均所致，应力作用范围

35、形不均所致，应力作用范围大，占总应变能大，占总应变能U总总1010。 微观内应力：各晶粒与晶粒之间，晶粒内部（如晶微观内应力：各晶粒与晶粒之间，晶粒内部（如晶 粒内部与晶界处）变形不均所致，占总储存能粒内部与晶界处）变形不均所致，占总储存能U总总的的 5 51010。1 1、内应力、内应力拉拔内应力拉拔内应力弯曲内应力弯曲内应力 因位错、空位等缺陷增加引起，位错因位错、空位等缺陷增加引起，位错占占U总总70708080，其余为空位。，其余为空位。 有害：变形，开裂和产生应力腐蚀。有害：变形，开裂和产生应力腐蚀。 有利：预压、预扭，提高疲劳寿命。有利：预压、预扭，提高疲劳寿命。 （如滚压，喷丸等

36、处理）（如滚压，喷丸等处理）2 2、点阵畸变、点阵畸变6.6 回复和再结晶回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化冷变形金属在加热时的组织与性能变化1.回复回复回复动力学回复动力学 动力学曲线表明，回复是动力学曲线表明，回复是一个弛豫过程。一个弛豫过程。其特点为：其特点为： 没有孕育期；没有孕育期；在一定温度时，初期的在一定温度时，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零；回复速率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零； 每一温度的回复程度有一极限值，退火温度愈高，这个极限每一温度的回复程度有一极限值，退火温度愈高，这个极限值也愈高，而达到此一极限值所需时间则愈短；值也愈高，而达到此

37、一极限值所需时间则愈短；预变形量愈大，起始的回复速率也愈快；晶粒尺寸减小也有预变形量愈大，起始的回复速率也愈快；晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。利于回复过程的加快。回复机制回复机制 a a、低温回复、低温回复 低温时，回复主要与点缺陷的迁移有关。冷变低温时，回复主要与点缺陷的迁移有关。冷变形时产生的大量点缺陷形时产生的大量点缺陷空位和间隙原子，点缺陷运动所需空位和间隙原子，点缺陷运动所需的热激活较低，因而可在较低温度就可进行。它们可迁移至晶的热激活较低，因而可在较低温度就可进行。它们可迁移至晶界界( (或金属表面或金属表面) )，并通过空位与位锗的交互作用、空位与间隙，并通过空位与位锗的交

38、互作用、空位与间隙原于的重新结合，以及空位聚合起来形成空位对、空伎群和空原于的重新结合，以及空位聚合起来形成空位对、空伎群和空位片位片崩塌成位错环而消失，从而使点缺陷密度明显下降。崩塌成位错环而消失，从而使点缺陷密度明显下降。故对点缺陷很敏感的电阻率此时也明显下降。故对点缺陷很敏感的电阻率此时也明显下降。 b b、中温回复、中温回复 加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。回复的机制主要与位错的滑移有关：同一滑移面上异号布。回复的机制主要与位错的滑移有关：同一滑移面上异号位错可以相互吸引而抵消；位错偶极于的两根位带线相消等位错可以相互吸引而抵消；位错偶极

39、于的两根位带线相消等等。等。 c c、高温回复、高温回复 高温高温( (0.3Tm)0.3Tm)时，刃型位错可获得足够能量时，刃型位错可获得足够能量产生攀移。攀移产生了两个重要的后果：使滑移面上不规产生攀移。攀移产生了两个重要的后果：使滑移面上不规则的位错重新分布，刃型位错垂直排列成墙，这种分布可显则的位错重新分布，刃型位错垂直排列成墙，这种分布可显著降低位错的弹性畸变能，因此，可看到对应于此温度范围，著降低位错的弹性畸变能，因此，可看到对应于此温度范围，有较大的应变能释放。有较大的应变能释放。 沿垂直于滑移面方向排列并具有一沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙定取向差的位错墙( (

40、小角度亚晶界小角度亚晶界) )，以及由此所产生的亚晶，以及由此所产生的亚晶，即多边化结构。即多边化结构。2 2、再结晶、再结晶 再结晶过程再结晶过程 经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时( (一般大于一般大于0.4T0.4Tm m) )，可以发生晶粒的重新改组，同结晶过程类似，首先在，可以发生晶粒的重新改组，同结晶过程类似，首先在材料中形成新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过材料中形成新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒

41、全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大，晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大，称为称为再结晶。再结晶。 材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性变发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失，形带来的所有性能变化就全部消失，材料的组织发生了变化，材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。性能完全彻底回到变形前的状态。 再结晶的转变不是相变再结晶的转变不是相变冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来

42、冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：进行，但再结晶过程不是相变。原因有：（1 1）变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此）变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。它们是属于同一个相。（2 2）再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定）再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。的转变温度。（3 3）再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以）再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。发生可逆变化。（4 4）发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的

43、畸变能，）发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。也称为储存能。 a a、形核、形核 (1) (1) 晶界弓出形核。晶界弓出形核。对于变形程度较小对于变形程度较小( (一般一般小于小于2020) )的金属，其再的金属，其再结晶核心多以晶界弓出结晶核心多以晶界弓出入式形成，即应变诱导入式形成，即应变诱导晶界移动或称为凸出形晶界移动或称为凸出形核机制。核机制。晶界弓出的形核例证晶界弓出的形核例证晶界弓出形核晶界弓出形核这种现象在铜、这种现象在铜、镍、银、铝及镍、银、铝及铝铝铜合金中铜合金中曾直接观察到。曾直接观察到。 (2) (2) 亚晶形核亚晶形核 亚晶合并机制亚晶合并机

44、制 亚晶迁移机制亚晶迁移机制 b b长大长大 再结晶动力学再结晶动力学 在一定变形量下，将变形金属在不同温度进行不同时间的在一定变形量下，将变形金属在不同温度进行不同时间的退火，让其发生再结晶，用金相法测定发生再结晶的体积分数退火，让其发生再结晶，用金相法测定发生再结晶的体积分数随时间的变化，得出结果如图所示。随时间的变化，得出结果如图所示。 对于均匀结晶过程，即形核率对于均匀结晶过程，即形核率 和长大速度和长大速度G G不变时，分析可不变时，分析可以推导出转变分数以推导出转变分数 和时间和时间t t的关系：的关系： 即即JohnsonJohnsonMehlMehl方程方程，这里忽略孕育期且未

45、考虑生长后期晶粒，这里忽略孕育期且未考虑生长后期晶粒相遇带来的影响。工程中常用数学回归的相遇带来的影响。工程中常用数学回归的AvramiAvrami方程：方程： 式中常数式中常数B B与材料种类和变形量等有关，常数与材料种类和变形量等有关，常数K K为反应级数，一为反应级数，一般材料为般材料为3 34 4，板材，板材(2(23)3)和线材和线材(1(12)2)或更小。或更小。 NR3exp143tNGR 再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶程度，也再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶程度，也存在温度和时间的等效关系存在温度和时间的等效关系 ： 其中激活能其中激活能Q Q除决定于材料

46、的类型除决定于材料的类型( (成分、纯度等成分、纯度等) )外，还和变形外，还和变形量的大小直接相关，显然退火前，材料的冷塑性变形量愈大，量的大小直接相关，显然退火前，材料的冷塑性变形量愈大，相应所需的激活能愈小。相应所需的激活能愈小。 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定即以显微镜中出现第一颗新晶它可用金相法或硬度法测定即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降粒时的温度或以硬度下降50所对应的温度，定为再结晶温所对应的温度，定为再结晶温度。工业生产中则通

47、常以经过大变形量度。工业生产中则通常以经过大变形量(70以上以上)的冷变形的冷变形金属，经金属，经1h退火能完成再结晶（退火能完成再结晶（ 95%）所对应的温度，定）所对应的温度，定为再结晶温度。为再结晶温度。R 再结晶温度并不是一个物理常数，它不仅随材料而改变，再结晶温度并不是一个物理常数，它不仅随材料而改变，同一材料其冷变形程度、原始品粒度等因素也影响着再结晶同一材料其冷变形程度、原始品粒度等因素也影响着再结晶温度。温度。 a变形程度的影响变形程度的影响 随着冷变形程度的增加，储能也增多，随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低再结晶的驱动力就越大，因此再

48、结晶温度越低(见图见图554)，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。对工业纯金属，定程度后，再结晶温度就基本上稳定不变了。对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度经强烈冷变形后的最低再结晶温度 约等于其熔点约等于其熔点 的的0.350.4。)(KTR)(KTm b b、原始晶粒尺寸、原始晶粒尺寸 在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，

49、再结晶温度则较低。此外，晶界往往是再结晶形核的有利地区，故细晶粒金属低。此外，晶界往往是再结晶形核的有利地区，故细晶粒金属的再结晶形核率的再结晶形核率 和长大速率和长大速率G G均增加，所形成的新晶粒更细均增加，所形成的新晶粒更细小，再结晶温度也被降低。小，再结晶温度也被降低。N c c微量溶质原子微量溶质原子 微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子倾向于在位错及与位错及晶界间存在着交互作用，使

50、溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过程。从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过程。 d d、第二相粒子、第二相粒子 第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶，这主要取决于基体上分散相粒子的结晶，也可能阻碍再结晶，这主要取决于基体上分散相粒子的大小及其分布。当第二相粒子尺寸较大，间距较宽大小及其分布。当第二相粒子尺寸较大，间距较宽( (一般大于一般大于1m)1m)，再结晶核心能在其表面产生

51、。当第二相粒子尺寸很小，再结晶核心能在其表面产生。当第二相粒子尺寸很小且又较密集时，则会阻碍再结晶的进行。且又较密集时，则会阻碍再结晶的进行。e e再结晶迟火工艺参数再结晶迟火工艺参数 加热速度、加热温度与保温时间加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。再结晶后的晶粒大小再结晶后的晶粒大小a a 、变形度的影响、变形度的影响通常，把对应于再结晶后得到特通常，把对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为别粗大晶粒的变形程度称为“临临界变形度界变形度”，一般金属的临界变一般金属的临界变形度约为形度约为

52、210。在生产实践。在生产实践中，要求细晶粒的金属材料应当中，要求细晶粒的金属材料应当避开这个变形量，以免恶化工件避开这个变形量，以免恶化工件性能。性能。 b b、退火温度的影响、退火温度的影响 退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸的影响比较弱，这是因为它对的影响比较弱，这是因为它对 / / 比值影响微弱。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小( (见图见图5 557)57)。若再结晶过程已完成，随后还有一个晶粒长大。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

53、高晶粒越粗。阶段很明显，温度越高晶粒越粗。NGb、 晶粒长大晶粒长大 晶粒长大的动力晶粒长大的动力 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 晶粒的非正常长大晶粒的非正常长大 1 1、晶粒的正常长大及其影响因素、晶粒的正常长大及其影响因素 晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就减小。减小。 为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的，长大与为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的，长大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性，温度是影

54、响界否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性，温度是影响界面活动性的最主要因素。面活动性的最主要因素。 a a、温度、温度b b分散相粒子分散相粒子 c c晶粒间的位向差晶粒间的位向差 实验表明，相邻晶粒间的位向差对晶实验表明，相邻晶粒间的位向差对晶界的迁移有很大影响。当晶界两侧的晶粒位向较为接近或具有界的迁移有很大影响。当晶界两侧的晶粒位向较为接近或具有孪晶位向时，品界迁移速度很小。但若晶粒间具有大角晶界的孪晶位向时，品界迁移速度很小。但若晶粒间具有大角晶界的位向差时，则由于晶界能和扩散系数相应增大，因而其晶界的位向差时，则由于晶界能和扩散系数相应增大，因而其晶界的迁移速度也随之加快。迁移速

55、度也随之加快。d d杂质与微量合金元素杂质与微量合金元素2 2、异常晶粒长大（二次再结晶）、异常晶粒长大（二次再结晶） 在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如果有少数在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。这种现象称为晶粒的异常长大。 这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的研究以为这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的研究以为是形核和核心的生长过程，而称为是形核和核心的生长过程，而称为“二次再结晶二次再结晶”，但实质并，但实质并不

56、是靠重新产生新的晶核，而是在一次再结晶后的长大过程中，不是靠重新产生新的晶核，而是在一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大。某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大。 材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重不均匀，材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们都对材料的性能带长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们都对材料的性能带来十分不利的影响。来十分不利的影响。 晶粒非正常长大图片晶粒非正常长大图片 晶粒非正常长大预防晶粒非正常长大预防再结晶退火时发生晶粒异常长大的条件是：再结晶退火时发生晶粒异常长大的条件是：材料的冷变形程度较大

57、，产生了织构材料的冷变形程度较大，产生了织构( (变形织构变形织构) )，再结晶后，再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向( (再结晶织构再结晶织构) )，这，这时晶粒取向差小，晶界的界面能较小，正常长大速度较慢，时晶粒取向差小，晶界的界面能较小，正常长大速度较慢，个别较大的晶粒的取向不同，有较大的界面能，长大速度也个别较大的晶粒的取向不同，有较大的界面能，长大速度也较快，晶粒优先长大就有了可能；较快，晶粒优先长大就有了可能；再结晶的加热温度较高，再结晶发生快，晶界容易移动又有再结晶的加热温度较高，再结晶发生快，晶界容易移动又有足够的时间来进行晶粒长大

58、。足够的时间来进行晶粒长大。所以防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节。所以防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节。 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织 1 1、再结晶退火后的晶粒大小、再结晶退火后的晶粒大小取决于预先变形度和退火温度，先已分析。取决于预先变形度和退火温度，先已分析。 2 2、再结晶织构、再结晶织构 通常具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向，称为再通常具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向，称为再结晶织构。结晶织构。 再结晶织构与原变形织构之间可存在以下三种情况：再结晶织构与原变形织构之间可存在以下三种情况：(1)(1)与原有

59、的织构与原有的织构相一致；相一致；(2)(2)原有织构消失而代之以新的织构；原有织构消失而代之以新的织构；(3)(3)原有织构消失不再形成新原有织构消失不再形成新的织构。的织构。再结晶织构两种主要的理论：再结晶织构两种主要的理论：定向生长理论定向生长理论与与定向形核理论定向形核理论。 定向生长理论定向生长理论认为：一次再结晶过程中形成了各种位向的晶核，但只有某些认为：一次再结晶过程中形成了各种位向的晶核，但只有某些具有特殊位向的晶核才可能迅速向变形基体中长大，即形成了再结晶织构。具有特殊位向的晶核才可能迅速向变形基体中长大，即形成了再结晶织构。当基体存在变形织构时，其中大多数晶粒取向是相近的，

60、晶粒不易长大，而当基体存在变形织构时，其中大多数晶粒取向是相近的，晶粒不易长大，而某些与变形织构呈特殊位向关系的再结晶晶核，其晶界则具有很高的迁移速某些与变形织构呈特殊位向关系的再结晶晶核，其晶界则具有很高的迁移速度，故发生择优生长，并通过逐渐吞食其周围变形基体达到互相接触，形成度，故发生择优生长，并通过逐渐吞食其周围变形基体达到互相接触，形成与原变形织构取向不同的再结晶织构。与原变形织构取向不同的再结晶织构。 定向形核理论认为：定向形核理论认为：当变形量较大的金属组织存在变形织构当变形量较大的金属组织存在变形织构时，由于各亚晶的位向相近而使再结晶形核具有择优取向，并时，由于各亚晶的位向相近而