物理冶金原理：8材料的形变与再结晶

1、金属的塑性变形Plastic Deformation of Metals,Introduction Strength and Strengthening Methods Ductility, Toughness and Toughening Methods Work Hardening and Its Unique Significance to Metals,Strain, %,ss,se,sb,d,Stress, MPa,Metallic,Ceramic,陶瓷及金属的典型拉伸（应力应变）曲线Typical Tensile Curves of Ceramic and Metallic Mat

2、erials,Strain, %,ss,se,sb,d,Stress, MPa,金属的典型拉伸（应力应变）曲线Typical Tensile Curves of Metallic Materials,弹性变形Elastic Deformation:塑性变形Plastic Deformation:塑性：延伸率、断面收缩率Plasticity韧性：拉伸韧性、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Significance of Plastic Deformation of Metals,加工硬化:,成形加工性能Processing abili

3、ty,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

4、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Basic Modes of Plastic Deformation for Metallic Single-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

5、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Slip Steps on Surface,Slip Steps on an Aluminum Single-Crystal Surface,铜单晶表面滑移线（滑移带）Slip Lines （Slip Bands）on Cu Single Crystal Surface,滑移带的结构Slip Bands on Crystal Surface,铁单晶表面滑移线Slip Lines on Fe Single-Cryastal Surface,滑移的特点

6、,不改变晶体位向，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），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（Rigid Slip of Crystals）！,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 Slip and Slip Systems 滑移: 在切应力作用下晶体只会沿特定晶面特定晶

7、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Slip System； 晶体滑移系的多寡（尤其是滑移方向）代表着晶体塑性变形能力的高低。,Slip Systems in FCC CrystalsFCC晶体中的滑移系,滑移面 111：4个独立的滑移面 滑移方向：3个独立滑移方向/面 滑移系数目：4312个（单滑移方向多）,Systems in FCC Crystals,晶带还有112及123两个晶面族！ 112 12个 12324个 但每个滑移面上只有一个滑移方向！,Slip Systems in BCC CrystalsBCC晶体中的滑移系,滑移面 110：6个独立的滑移面

8、滑移方向：2个独立滑移方向/面滑移系数目：6212个（滑移方向少）,Systems in BCC Crystals 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 12324个 每个滑移面上只有一个滑移方向！,滑移面滑移方向上的分切应力Resolved Shear Stress on Slip Direction,t= = s cosl cosf = m.s Schmidt 因子,F cos l,(Ao/cos f),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

9、向,Resolved Shear Stress on Slip Direction t = s cosl cosf = m.s,当外应力在滑移方向上的分切应力t大于或等于晶体该滑移系开动所需的临界切应力tc时，即tt*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ss tc ：CRSS (critical resolved shear stress)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

10、：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：,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（homogeneous Shear Deformation），晶体变形部分与未变形部分呈镜面对称关系！,Twining孪晶（孪生）,Characteristics of Twining When Twining? Contributions of Twining to Deformation The Dislocation Mechanism of Twining,Before

11、 Twining After Twining,Twin Plane,Twining Direction,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 冲击载荷（高应变速率） 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 孪晶界强烈阻碍位错运动，具有很强的强化效果（如高碳马氏体）和高的加工硬化指数 变形后在晶体表面形成表面浮凸（Surface Relief）或表面倾侧（Surface Tilting）

12、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,Deformation Twins,High Density of Twin Interfaces Electrical Deposited Pure Cu Plate,Strong Blockage of Twin Interfaces to Motion of Dislocations in Cu during Tension,孪晶界强化被称作金属材料的第五种强化方法,FCC单晶的典型应力应变曲线及其位错机制 Typical Strain Hardening Curve of FCC Single-Crystal and the Und

13、erlying Dislocation Mechanisms,I: Single-Slip Stage 加工硬化指数很低 II: Multi-Slip Stage 加工硬化指数很高 III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 加工硬化指数随变形增加而降低,Stage I: Single-Slip Stage： 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； Stage II: Multi-Slip Stage：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

14、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 Stage III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 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Plastic Deformation of Polycrystalline

15、Metals,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（Deformation Accommodation and Continuum at Grain Boundaries ）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,晶界在室温塑性变形中的作用 The Role of Grain Boundaries in Plastic Deformation at Room-Temperature,晶界在室温及高温塑性变形中的作用 The Role of Grain

16、 Boundaries in Plastic Deformation at Room-Temperature and High 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）,BCC,FCC,晶界高温变形簿弱环节！晶界滑动 晶界迁移,T,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

17、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Solid Solution Hardening or Strengthening,Substitutional Solid Solution,固溶强化Solid Solution Hardening,Interstitial Solid Solution,固溶体中溶质原子的分布：无序, 偏聚, 局部有序, 完全有序,Ordered Solid SolutionSuperlattice or Ordered Intermetallics

18、,固溶强化及影响固溶强化的因素Solid Solution Hardening or Strengthening,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Plastic Deformation of Multiphase Alloys,沉淀强化：particle-cutting ss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-bypassing ss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！,

19、应变,应力,沉淀强化：位错切割粒子Precipitation Strengthening: 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Dispersion Hardening： 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 TGb2/2,t = Gb2/2R,Dispersion Strengthening,Particle Size (d),Yield Strength (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：Strengtheni

20、ng Effect and Mechanisms by Precipitation Particles,金属塑性变形后的组织与性能变化Plastic Deformation Induced Microstructure and Properties Changes of Metals,组织 Structure 力学与物理性能 Mechanical and Physical Properties 化学性能 Chemical Properties,组织结构变化,晶粒拉长：形成纤维状组织、带状组织 晶体转动与拉长：产生变形织构（ Deformation Textures ）、性能各向异性（Aniso

21、tropy） 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（ Dislocation Substructures） 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, Physical and Chemical Properties,Mechanical Properties 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（ Residual Stresses ） Physical Properties 密度降低、电阻增加、导热性降低Density, Electric Resistance, Heat Conducti

22、vity, . Chemical Properties 耐蚀性降低 Corrosion resistance,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Recovery and Recrystallization of Cold Plastically Deformed Metals,Recovery 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

23、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（0.350.5Tm）、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）Coalescence of Subgrains by Climb or Slip of GB Dislocations,再结晶形核机制之二：亚晶的长大 Growth of Subgrains,再结晶形

24、核机制之三：大角度晶界的迁移弓出,大角度晶界的迁移弓出（驱动力：应变能）,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Normal Grain Growth: Driving Force: 相邻晶粒内能差 Strain Energy 高应变晶粒缩小消失、低应变晶粒长大 Grain Boundary Energy 小晶粒缩小消失、大晶粒长大,s,s,表面自由能：表面曲率引起的晶粒内部附加压力 2s sin(dq/2) = DP R dq DP = s/R,由于表面自由能的驱动：小晶粒缩小、大晶粒长大,表面自由能：表面曲率引起的晶粒内部附加压力 2s sin(dq/2) = DP R dq DP = s/R,当晶粒表面曲率为负时：晶粒恒长大（烧结）,正曲率晶粒缩小、负曲率晶粒长大小晶粒缩小、大晶粒长大（马太效应）,Secondary CrystallizationAbnormal Grain Growth,小角度晶界位