北科大金属材料及热处理课件02金属的塑性变形与再结晶

1第二章金属的塑性变形与再结晶纳米铜的室温超塑性2第一节金属的塑性变形弹性变形－塑性变形－断裂SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E一、金属的变形和断裂3二、金属单晶体的塑性变形塑性变形的主要方式：滑移、孪生。41.滑移在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。

5

光镜下：滑移带。滑移现象电镜下：滑移线。6滑移系

滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）

7滑移系

滑移系数目与材料塑性的关系一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面原子密排程度和滑移方向个数有关.

8滑移的临界分切应力（

k）晶体的滑移在一定切应力下才能发生，把滑移系开动所需最小应力称为滑移的临界分切应力

k，取决于金属的本性。

9滑移的临界分切应力（

k）

外力F在滑移面上沿滑移方向的分切应力:m为取向因子,称为施密特因子。10当材料确定时，

k是确定的，

S与m=cos

cos

具有如图关系

硬取向:

或

＝90

时，

s趋向

；软取向:

=

＝45

时，

s最小，晶体易滑移。

滑移的临界分切应力（

k）11滑移时晶体的转动12（1）位向和晶面的变化拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;

压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。（2）取向因子的变化几何硬化：

，

远离45

，滑移变得困难；几何软化：

，

接近45

，滑移变得容易。滑移时晶体的转动13滑移的分类：单滑移：只有一组滑移系上的分切应力达到了临界分切应力而进行的滑移。多滑移：在多组（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。交滑移：晶体在两组或多组不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。14

单滑移：对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系(其分切应力最大)中进行，当只有一组滑移系上的分切应力达到了临界分切应力，则进行单系滑移。通常在变形量很小的时候发生。更多发生在密排六方晶体中（只有一组滑移面）。由于位错在滑移过程中不会与其他位错交互作用，因此加工硬化作用很弱。铝晶体的单滑移表面痕迹：单一方向的滑移带15多滑移：对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系(其分切应力最大)中进行，但由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。由于滑移过程中，两个滑移面上的位错必将产生交互作用，形成割阶或扭折，使位错的进一步运动更加困难，所以多滑移比单滑移具有更大的加工硬化效果。铝晶体的多滑移表面痕迹：相互交叉的滑移带16多滑移形成举例：等效滑移系：滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。面心立方：滑移面{111}4个；滑移方向<110>3个。4×2=8个相同的滑移系。17交滑移：晶体在两组或多组不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的前提下，从一个滑移面转到相交接的另一个滑移面的过程。交滑移可以使滑移有更大的灵活性。例如：当螺位错在一个滑移面上的运动受阻时，会转移到另一个滑移面上继续滑移，滑移方向保持不变。18交滑移：铝晶体的交滑移表面痕迹：波纹状的滑移带19滑移的位错机制晶体的滑移是通过位错的运动来实现的.20孪生：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和晶向发生均匀切变，已切变区与未切变区呈镜面对称关系。孪生211孪生变形现象以面心立方金属为例

22孪晶：已切变区与未切变区以孪晶面为准，呈镜面对称关系。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。1孪生变形现象232孪生变形的特点（1）孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些晶面上；（2）孪生后晶体的位向关系发生了改变，滑移后晶体的位向关系并未改变；（3）孪生变形通常出现在滑移受阻的应力集中区，临界切应力比滑移大；（4）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多，但当滑移受阻时，孪生可以改变晶体位向，使滑移继续下去。24三、多晶体金属的塑性变形25（1）各晶粒变形的不同步性位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变

1多晶体的变形特点26（2）各晶粒变形的不均匀性在同一外力作用下，各晶粒由于取向不同，变形量也不同。（3）晶粒之间变形的协调性各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）条件：每个晶粒独立滑移系

5个。（保证晶粒形状的自由变化）1多晶体的变形特点272晶界对变形的阻碍作用

（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。28（3）晶粒大小与性能的关系

a晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式)

s=

0+kd-1/2

原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。2晶界对变形的阻碍作用292晶界对变形的阻碍作用

b晶粒越细，塑韧性提高晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。302晶界对变形的阻碍作用31第二节

塑性变形对组织和性能的影响

一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性

纤维组织:晶粒拉长;

带状组织：杂质呈细带状或链状分布。32加工硬化（1）加工硬化（应变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。

二、

晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化33

单晶体的加工硬化曲线：三个阶段组成：I阶段——易滑移阶段；Ⅱ阶段——线性硬化阶段；Ⅲ阶段——抛物线型硬化阶段

34

位错的交割晶体中位错线的方位各式各样，不同滑移面上运动的位错在运动中相遇就有可能发生位错互相切割现象，称之为位错的交割．位错的交割的结果在原来是直的位错线上形成一段一个或几个原子间距大小的折线（割阶），使原来的位错线变长，能量增加，因此交割过程对位错运动具有阻碍作用，使变形过程中产生应变硬化。14h35多晶体的加工硬化效应比单晶体强。晶粒越细，硬化效应越强。361.固溶体的加工硬化：主要通过柯氏气团对位错的钉扎作用。2.单晶体的加工硬化：主要通过位错间的相互纠缠作用。3.多晶体的加工硬化：除了位错间的相互纠缠作用外，还有晶界对位错运动的阻碍作用。多晶体的加工硬化效应比单晶体的加工硬化效应强。

总结37加工硬化的利弊

（1）利强化金属的重要途径（如铝、铜、不锈钢）；材料加工成型的保证（如冷拔钢丝）；提高材料使用安全性。

（2）弊变形阻力提高，动力消耗增大.38

塑性变形对材料物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。

39（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。变形量达到70-90%时产生。三、织构现象的产生（2）类型

丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）40

形变织构对性能的影响力学性能：深冲板材变形易产生制耳。(各向异性)

物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损。41金属变形功的90％转变为热能，剩余10％的功转变为残余内应力残留于金属中。

第一类残余内应力（

Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。分类

第二类残余内应力（

Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。

第三类残余内应力（

Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。

Ⅰ四、

残余内应力

残余应力易引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。消除：去应力退火。42第三节回复与再结晶

43一、变形金属在加热时的组织与性能变化

显微组织变化（三个阶段）回复：冷变形金属在低温加热时，显微组织仍为纤维状，无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，变形晶粒通过形核长大，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除。晶粒长大：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。44SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E45性能变化

1力学性能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化严重时下降。

2物理性能密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。46

储存能变化（示意图）

1储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。弹性应变能（3～12％）

2存在形式位错（80～90％）驱动力点缺陷

3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。回复再结晶47内应力变化

回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。48回复过程中微观结构的变化机制

1低温回复（0.1－0.3Tm）

移至晶界、位错处点缺陷运动

空位＋间隙原子—空位消失缺陷密度降低空位聚集（空位群、对）2中温回复

（0.3－0.5Tm）

异号位错相遇而抵消位错滑移位错密度降低位错缠结重新排列（一）回复493高温回复（>0.5Tm）位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）弹性畸变能降低。50（二）再结晶

冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称之为再结晶。因此，与前述回复的变化不同，再结晶是一个显微组织重新改组的过程。再结晶的驱动力是变形金属经回复后未被释放的储存能(相当于变形总储能的90％)。通过再结晶退火可以消除冷加工的影响，故在实际生产中起着重要作用。

51再结晶的形核与长大

1形核凸出形核（变形量较小时,<20%）

晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内.亚晶长大形核机制（变形量较大时）

亚晶合并形核亚晶界移动(长大)形核(吞并其它亚晶或变形部分)52一再结晶的形核与长大

晶界凸出形核（变形量较小时,<20%）

晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向.

53再结晶的形核与长大1形核

亚晶合并形核亚晶界移动(长大)形核晶界凸出形核54再结晶的形核与长大

驱动力：畸变能差(无畸变的新晶粒与周围基体)2长大方式:晶核向畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。

注：再结晶不是相变过程。55（三）晶粒长大

再结晶结束后，材料通常得到细小等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，将引起晶粒进一步长大。驱动力：晶粒长大的驱动力来自晶粒长大后总的界面能的降低。长大方式：正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象(二次再结晶）。56一晶粒的正常长大

1长大过程：大晶粒吞并小晶粒。

57一晶粒的正常长大

晶界趋于平直;3晶粒的稳定形状晶界夹角趋于120℃;

二维坐标中晶粒边数趋于6.58一晶粒的正常长大

4影响晶粒长大的因素（1）温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。（2）分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r、体积分数

的关系：d=4r/3

（3）杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。

59二晶粒的异常长大1异常长大:

指晶粒正常长大(一次再结晶)后又有少数几个晶粒择优生长成为特大晶粒的不均匀长大过程。2原因：第二相质点的影响。2对组织和性能的影响：晶粒大小不均，性能不均。60二、金属的再结晶温度再结晶不是相变过程。再结晶温度可在较宽的温度范围内变化。1再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%）最低温度。高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm。2经验公式工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。

合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。

注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。61影响再结晶温度的因素1金属的变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温度趋于稳定；在给定温度下发生再结晶需要以一临界变形量，变形量低于该值，再结晶不能进行。2金属的纯度。金属中微量溶质元素可以阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。实验表明，金属纯度越高，再结晶温度越低。3退火加热速度和时间。提高加热速度，将使再结晶温度提高。延长退火保温时间，可以降低再结晶温度。62三、再结晶退火后的晶粒度再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒的平均直径d=k[G/N]1/4G----长大速率N----形核速率凡是影响G,N的因素，均影响再结晶的晶粒大小。63再结晶晶粒大小的影响因素1变形量（图）。变形量越大，再结晶晶粒越细小。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。2加热温度。加热