冶金原理之塑性变形与回复再结晶

冶金原理之塑性变形与回复再结晶金属的塑性变形

PlasticDeformationofMetalsIntroduction

StrengthandStrengtheningMethods

Ductility,ToughnessandTougheningMethods

WorkHardeningandItsUniqueSignificancetoMetalsStrain,%sssesbdStress,MPaMetallicCeramic陶瓷及金属的典型拉伸（应力－应变）曲线

TypicalTensileCurvesofCeramicandMetallicMaterialsStrain,%sssesbdStress,MPa金属的典型拉伸（应力－应变）曲线

TypicalTensileCurvesofMetallicMaterials弹性变形

ElasticDeformation:

塑性变形

PlasticDeformation:

塑性：延伸率、断面收缩率

Plasticity

韧性：冲击韧性、断裂韧性

Toughness

强度：屈服强度、抗拉强度

Strength

金属塑性变形的意义

SignificanceofPlasticDeformationofMetals加工硬化:成形加工性能

Processingability独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的冷加工成型能力：冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压…..冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）优异的热加工成型能力：锻造、热轧、热挤压、抗过载能力及使用安全性(加工硬化)零件局部过载塑性变形加工硬化材料强度提高不但不会失效、承载能力反而提高、使用安全；加工硬化避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用加工硬化避免变形集中、材料均匀变形冷加工热加工成型成为可能。材料的冷加工与零件的冷成型：冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压……冷加工过程中同时实现材料及零件的强化材料的热加工及零件的热成型：锻造、热轧、热挤压……加工硬化与金属独特的塑性加工成型能力、抗过载能力及使用安全性加工硬化避免变形集中、材料均匀变形冷加工热加工成型成为可能。零件局部过载塑性变形加工硬化材料强度提高不但不会失效、承载能力反而提高、使用安全；加工硬化避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用金属单晶塑性变形的基本方式

BasicModesofPlasticDeformationforMetallicSingle-Crystals

滑移Slip孪晶Twining

滑移Slip

在切应力作用下晶体沿特定晶面上特定晶向产生相对平移滑动的现象滑移现象滑移的本质及滑移系滑移变形的特点

滑移Slip

在切应力作用下，晶体沿特定晶面上特定晶向产生相对平移滑动的塑性变形现象滑移的结果：在晶体表面留下永久变形（塑性变形）台阶（滑移线或滑移带）表面滑移台阶SlipStepsonSurfaceSlipStepsonanAluminumSingle-CrystalSurface铜单晶表面滑移线（滑移带）

SlipLines（SlipBands）on

CuSingleCrystalSurface铁单晶表面滑移线

SlipLinesonFeSingle-CryastalSurface滑移带的结构

SlipBandsonCrystalSurface滑移的特点滑移只在晶体表面留下滑移变形痕迹（滑移台阶：滑移线、滑移带），不改变晶体位向，在晶体内部没有变形之痕迹（但位错、空位等晶体缺陷密度增加）变形极不均匀（变形局部化）：滑移集中于滑移带中，滑移带之间晶体不发生任何变形变形量几乎不受限制，可以很大（无穷大、超塑性）。滑移的机理（本质）：晶体内部位错的运动、而不是晶体的整体刚性滑动（RigidSlipofCrystals）！塑性变形：晶体内部位错不断运动、晶体内部位错不断增殖、位错不断逸出晶体表面并在晶体表面产生永久变形台阶的过程！

滑移与滑移系

SlipandSlipSystems

滑移:在切应力作用下晶体只会沿特定晶面特定晶向产生相对平移滑动变形！滑移面及其上的一个滑移方向组成一个滑移系SlipSystem；晶体中滑移系的多寡（尤其是滑移方向）代表着晶体的塑性变形能力的高低。SlipSystemsinFCCCrystals

FCC晶体中的滑移系滑移面｛111｝：4个独立的滑移面滑移方向<110>：3个独立滑移方向/面滑移系数目：4×3＝12个（单滑移方向多）SystemsinFCCCrystals<111>晶带还有｛112｝及｛123｝两个晶面族！｛112｝12个｛123｝24个但每个滑移面上只有一个滑移方向<111>！SlipSystemsinBCCCrystals

BCC晶体中的滑移系滑移面｛110｝：6个独立的滑移面

滑移方向<111>：2个独立滑移方向/面

滑移系数目：6×2＝12个（滑移方向少）SystemsinBCCCrystals

<111>晶带中的｛110｝、｛112｝及｛123｝晶面族！｛110｝每个面上有两个滑移方向｛112｝12个｛123｝24个每个滑移面上只有一个滑移方向<111>！滑移面滑移方向上的分切应力

ResolvedShearStressonSlipDirection=

scoslcosf

Schmidt因子ResolvedShearStressonSlipDirection

t=scoslcosf当外应力的分切应力t大于或等于晶体该滑移系的临界分切应力tc时，即t≥t*时，晶体开始滑移、即开始塑性变形,此时的外加应力s即为晶体之屈服强度sstc

：CRSS(criticalresolvedshearstress)临界分切应力：晶体的本性，晶体滑移方向上位错开动所需的最小切应力影响临界分切应力的主要因素1晶体结构：BCC较FCC高得多2杂质含量：溶质原子偏聚与位错线形成气团，位错被溶质原子钉扎而而难以开动，tc很高！3温度：温度越低，溶质钉扎越强、扩展位错越难束集，位错越难运动，tc越高！4晶体取向：单晶体屈服应力与取向因子（Schmidt因子）的关系l=f=45o时，ss最低，软取向l=90o时，ss＝无穷大，正断，不能滑移，硬取向孪晶或孪生Twining

在切应力作用下，晶体一部分相对另一部分以特定晶面为基面（孪晶面）沿特定晶向（孪晶方向）发生均匀切变变形，晶体变形部分与未变形部分呈镜面对称关系！Twining孪晶（孪生）CharacteristicsofTwiningWhenTwining?

ContributionsofTwiningtoDeformationTheDislocationMechanismofTwining固态相变动力学

KineticsofSolid-StatePhaseTransformationBeforeTwiningAfterTwiningTwinPlaneTwiningDirection孪晶变形的条件在滑移系很少的晶体中低温滑移系难开动时高速冲击载荷下传播速度快，发出声音应力应变曲线呈锯齿状孪晶变形的特点晶体整体的均匀切变，相邻晶面间位移小于一个原子间距，原子间位邻关系不变本身变形量很小，对变形的贡献在于改变晶体之取向，使原来处于硬取向方向的晶体转向可滑移的软取向方向变形后在晶体表面形成表面浮凸（SurfaceRelief）或表面倾侧（SurfaceTilting）变形后在晶体内部晶体取向改变，在晶体内部留下变形痕迹DeformationTwinsFCC单晶的典型应力应变曲线及其位错机制TypicalStrainHardeningCurveofFCCSingle-CrystalandtheUnderlyingDislocationMechanismsI:Single-SlipStage加工硬化指数很低II:Multi-SlipStage加工硬化指数很高III:Cross-SlipStage(DynamicRecoveryStage)加工硬化指数随变形增加而降低StageI:Single-SlipStage：只有一个滑移系开动，滑移容易，加工硬化指数很低，晶体表面出现细长均匀的滑移线；StageII:Multi-SlipStage：由于晶体转动，两个以上滑移系同系开动，多个滑移系之间发生位错交割（形成割阶、网络、缠结）、位错反应（形成L-C位错锁等）：加工硬化强烈、加工硬化指数高，由于层错能低，难交滑移，线性硬化阶段很长StageIII:Cross-SlipStage(DynamicRecoveryStage)在外力作用下，扩展位错束集，位错发生交滑移，异号位错低消，加工硬化指数随应变增加而降低FCC单晶塑性变形三阶段的位错机制FCC晶体屈服应力低，但难交滑移，加工硬化指数高，线性硬化阶段很长BCC晶体屈服应力高，极易交滑移，加工硬化指数低，第二阶段很短HCP晶体屈服应力低，滑移系很少，第一阶段很长多晶体的塑性变形PlasticDeformationofPolycrystallineMetals必须有至少五个以上的滑移系同时开动，才能保证变形过程中晶界处的连续性及相邻晶粒变形的协调性（DeformationAccommodationandContinuumatGrainBoundaries）多晶材料已开始变形就处于多滑移阶段，加工硬化指数高！位错受晶界的强烈阻碍，屈服应力高！不同晶粒位向不同，变形不同时性与不均匀性TheRoleofGBsinPlasticDeformationatRTandHighTemperaturesTheImportantRoleofGBstoStrength(Hall-PetchEquation)andPlasticityofMetalsHall-PetchEquationandtheEffectofCrystalStructure

晶界在室温塑性变形中的作用

TheRoleofGrainBoundariesinPlasticDeformationatRoom-Temperature细晶强化：Hall-Petch关系

（注意晶体结构对强化效果的重要影响）BCCFCC

晶界在室温及高温塑性变形中的作用

TheRoleofGrainBoundariesinPlasticDeformationatRoom-TemperatureandHighTemperature晶界高温变形簿弱环节！晶界滑动晶界迁移

TTcs晶界s晶内sToC激光材料加工与表面工程实验室LaboratoryofLaserMaterialsProcessingandSurfaceEngineeringBEIHANGUNIVERSITY提高金属材料高温强度的方法基体材料：高熔点金属、高原子间结合力材料：致密的晶体结构（FCC）、低的层错能合金元素：加入高熔点、难扩散合金元素固溶强化低界面能共格粒子沉淀强化（粒子不长大）高稳定粒子弥散强化：ODS晶界强化：阻止晶界滑动：晶界上析出第二相粒子钉扎晶界、锯齿状晶界、弯曲晶界等微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：阻止晶界迁移消除横向晶界：定向凝固柱状晶合金消除全部晶界：单晶合金合金的塑性变形一、单相合金的塑性变形：固溶强化固溶强化

SolidSolutionHardeningorStrengthening

SubstitutionalSolidSolution固溶强化SolidSolutionHardeningInterstitialSolidSolution固溶体中溶质原子的分布：

无序,偏聚,局部有序,完全有序

OrderedSolidSolution

SuperlatticeorOrderedIntermetallics

固溶强化及影响固溶强化的因素

SolidSolutionHardeningorStrengthening

1、固溶体类型2、原子尺寸差3、晶体结构4、电化学性质5、元素固溶度多相合金的塑性变形

PlasticDeformationofMultiphaseAlloys沉淀强化：particle-cuttingss很高，ss与sb很接近，但加工硬化指数n很低！强化效果取决于粒子本性及界面结构！（ss/sb屈强比）弥散强化：particle-bypassingss很低，ss与sb相差很大，但加工硬化指数n很高！强化效果取决于粒子尺寸及分布，与粒子本性无关！应变应力沉淀强化：位错切割粒子

PrecipitationStrengthening:Particle-Cutting强化效果取决于粒子的本性及界面结构！弥散强化：位错绕过粒子DispersionHardening：Particle-bypassing强化效果只取决于粒子的尺寸d（粒子间距）！与粒子本性无关！t=Gb2/d位错的线张力T＝Gb2/2

t=Gb2/2RDispersionStrengtheningParticleSize(d)YieldStrength(t)沉淀析出第二相粒子的强化效果及强化机制与粒子尺寸的关系：

StrengtheningEffectandMechanismsbyPrecipitationParticles金属塑性变形后的

组织与性能变化

PlasticDeformationInducedMicrostructureandPropertiesChangesofMetals组织Structure力学与物理性能MechanicalandPhysicalProperties化学性能ChemicalProperties组织结构变化晶粒拉长（ElongatedGrains）：形成显微组织、带状组织（bandedstructure）晶体转动与拉长：产生变形织构（DeformationTextures）、性能各向异性（Anisotropy）晶体内部位错密度、孪晶密度、空位浓度急剧提高，形成各种位错亚结构（DislocationSubstructures）晶格常数增加某些金属可能产生应变诱发相变力学、物理及化学性能

Mechanical,PhysicalandChemicalPropertiesMechanicalProperties加工硬化－强度显著提高、塑性显著降低晶格严重奇变－产生较高的残余应力（ResidualStresses

）PhysicalProperties密度降低、电阻增加、导热性降低Density,ElectricResistance,HeatConductivity,……….ChemicalProperties耐蚀性降低Corrosionresistance冷加工塑性变形金属在加热过程中的组织变化

回复与再结晶

RecoveryandRecrystallizationofColdPlasticallyDeformedMetalsRecovery回复过程Recrystallization再结晶过程高层错能中层错能低层错能回复的位错机制：异号位错互相抵消、位错重新排列、形成位错墙（小角度晶界）回复组织：在变形晶粒内部形成由位错墙组成的小角度晶界、获得亚晶（Subgrains）组织回复后的组织结构及性能变化点缺陷及晶格弹性畸变消除位错密度显著降低形成亚晶及亚晶合并内应力急剧降低电阻显著降低、密度增加从塑性变形晶粒中通过“形核”与“长大”机制，产生无应变等轴晶组织的过程

再结晶温度TR：熔点（）、层错能（SFE低，难交滑移和恢复、

TR高）、变形量（越大、区动力越高、

TR越低）再结晶Recrystallization再结晶形核机制之一：亚晶的合并（晶界位错的攀移或滑移）

CoalescenceofSubgrainsbyClimborSlipofGBDislocations

再结晶形核机制之二：

亚晶的长大GrowthofSubgrains再结晶形核机制之三：

大角度晶界的弓出再结晶形核机制之三：

大角度晶界的弓出再结晶过程动力学再结晶后的组织结构及性能变化完全无应变的等轴晶组织内应力完全消除硬度强度降低塑性大幅提高密度急剧增加正常晶粒长大NormalGrainGrowth:DrivingForce:相邻晶粒内能差●StrainEnergy高应变晶粒缩小消失、低应变晶