Ch5材料的变形和再结晶变形

1、第5章 金属的变形和再结晶 塑性变形及随后的加热对金属材塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响料组织和性能有显著的影响. . 了解了解塑性变形的本质塑性变形的本质, ,塑性变形及加热时塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺能潜力，正确确定加工工艺. . 5万吨水压机万吨水压机第一节 弹性变形 1. 应力-应变曲线 弹性极限弹性极限e ：材料不发生塑性变形可承受的最大应力值。材料不发生塑性变形可承受的最大应力值。 , E/ 表征材料的表征材料的刚度（材料抵抗弹性变形的能力刚度（材料抵抗弹性变形的能力） 弹性模量的比较：弹

2、性模量的比较：陶瓷金属高分子材料。陶瓷金属高分子材料。工程应用：工程应用： 要求低要求低E（易弹性变形且变形能力大），（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。如沙发垫子。 要求高要求高E（保持固有形状能力强），（保持固有形状能力强），如主轴如主轴 ，钻杆。，钻杆。 要求比刚度（要求比刚度（E/）大（轻而不易变形），）大（轻而不易变形），如航空航天如航空航天 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 Ti合金合金 Al合金钢铁合金钢铁 强度强度材料抵抗变形和断裂的材料抵抗变形和断裂的能力。能力。 屈服强度（屈服强度（条件屈服强度条件屈服强度）：）：s（0.2）=Ps/F（MPa）, 指材料由弹性变形阶指材料

3、由弹性变形阶段过渡到弹塑性变形阶段的临界应力，段过渡到弹塑性变形阶段的临界应力，是零件最重要的设计指标。是零件最重要的设计指标。 抗拉强度：抗拉强度：b=Pb/F，材料抵抗均匀变形材料抵抗均匀变形和断裂所能承受的最大应力，和断裂所能承受的最大应力，也是重要也是重要的设计指标，数据易得。的设计指标，数据易得。 比强度比强度s/及及b/，单位质量的强度：，单位质量的强度：水泥水泥 0.8，木材，木材 12.5，钢，钢 5.2，铝，铝 11.1，Ti 13.3，碳纤维，碳纤维 160.9。s0.2(3)塑性塑性材料产生塑性变形而不破坏的能力。材料产生塑性变形而不破坏的能力。延伸率延伸率 =（l1l0

4、）/l0100%。(标距长度伸长量与原标距长度伸长量与原始标距长度之比始标距长度之比)断面收缩率断面收缩率 =（F0F1）/F0100%。 塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。 塑性指标的作用：塑性指标的作用：降低应力集中降低应力集中(通过屈通过屈服服)，抵抗局部过载，提高零件的可靠性；，抵抗局部过载，提高零件的可靠性；良好的塑性有利于压力加工。良好的塑性有利于压力加工。拉伸试样的颈缩现拉伸试样的颈缩现象象断裂后2 金属的弹性变形金属的弹性变形弹变特点弹变特点单值性：单值性：可逆性可逆性变形量小变形量小弹性变形是塑性变形的先行阶段弹性变形是塑

5、性变形的先行阶段,塑性变形中还塑性变形中还伴随着一定的弹性变形伴随着一定的弹性变形.弹性变形实质是晶格在外力作用下产生的弹性弹性变形实质是晶格在外力作用下产生的弹性畸变畸变,是原子间结合力的反映和度量是原子间结合力的反映和度量.2.1 弹性变形的本质晶体内原子间结合能和作用晶体内原子间结合能和作用力随距离变化关系示意图力随距离变化关系示意图.当当原子处于平衡位置时原子处于平衡位置时,原子间原子间距为距为r0,位能位能u处于最低位置处于最低位置,相互作用力为相互作用力为0,这是最稳定这是最稳定状态状态.弹性变形的难易程度取决于弹性变形的难易程度取决于作用力作用力-间距曲线斜率间距曲线斜率S0.弹

6、性模量弹性模量E是原子间结合力的是原子间结合力的反映反映,是个对组织和结构不敏是个对组织和结构不敏感的性能。感的性能。发生弹性变形的难易程度取决于斜率S0，而202dFd uSdrdr 由于金属材料的弹性变形量很小，所以原子间距只在r0附近变化，可把S0看作常数。于是弹性变形所需外力F= S0(r- r0). 由于单位面积内的原子键数为 ，所以201r002000SrrFrrr即有0000SrSEr2.2 弹性变形的特征（1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状；（2）在弹性变形范围内，应力应变曲线之间服从Hooke定律：,EG弹性模量与切变模量之间关系为：2(1)E

7、G 多数工程上应用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。 包申格效应弹性后效 弹性滞后2.3弹性的不完整性包申格效应：材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则e升高（或规定残余伸长应力升高），反向加载则se下降。此现象称之为包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍现象。 弹性后效：一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关

8、的现象称为弹性后效或滞弹性。教材图5.3 弹性滞后：由于应变落后于应力，在- 曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。 一 滑移观察滑移线和滑移带 如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形，则在显微镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线，称为滑移带（见下图）；在电子显微镜下，滑移带是一组更细的线组成，这更细的线条称为滑移线。 滑移带（铜）500滑移带与滑移线（示意图）第二节第二节 滑移与孪晶变形滑移与孪晶变形二、滑移机制二、滑移机制滑移

9、是位错在切应力作用下运动的结果。滑移是位错在切应力作用下运动的结果。滑移都是沿着滑移面和该面上的滑移方向进行。滑移都是沿着滑移面和该面上的滑移方向进行。为什么滑移面都是原子最密排面，滑移方向都是为什么滑移面都是原子最密排面，滑移方向都是 最密排方向？最密排方向？位错宽度：位错宽度：位错作为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，实际上是一个过渡区域，这个过渡区域就叫做位错宽度。位错具有一定宽度是两种能量平衡的结果：界面能和弹性畸变能。 位错宽度在计算中的界定：在位错中心处，它离左右两端的平衡位置是b/2,在位错中心附近的个原子列相对于它们原来的平衡位置都有所偏离，离位错中心越远，偏离其自身平衡位

10、置越小，现规定到减小为偏离自身平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度范围以W表示，为位错宽度。2 (1)uGbW 2uG ba2/21W bp NGe理论剪切强度位错点阵阻力位错点阵阻力baNPeG)1(212泊松系数柏氏矢量原子间距，其中，ba1）a越大，即原子面间距大，越大，即原子面间距大， 越小，表示点阵越小，表示点阵 阻力小，说明原子面间距越大，位错运动阻力小，阻力小，说明原子面间距越大，位错运动阻力小， 而而a增大的面即原子最密排面。增大的面即原子最密排面。NP 2） ，即说明原子排列越紧密，其，即说明原子排列越紧密，其 位错运动阻力小。位错运动阻力小。 NPb3）fcc及沿基面及

11、沿基面0001滑移的滑移的hcp,其其 最低，最低， 沿沿 及及 滑移的滑移的hcp的的 增高；增高； bcc的的 随温度降低而急剧增高。随温度降低而急剧增高。NP NP NP 001111014） 大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。NP NP 5） 大小顺序：大小顺序：fccbcc和沿楞柱面滑移的和沿楞柱面滑移的fcp共价键或离子键晶体共价键或离子键晶体三、滑移面和滑移方向（滑移系）三、滑移面和滑移方向（滑移系） 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。个滑移系。体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶

12、格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系晶格点晶格点阵类型阵类型 滑移面滑移面 滑移方向滑移方向 滑移系滑移系 fcc 12个个 bcc 48个个 hcp 3个个11111011011212300010011111001211110211三种典型金属的滑移面及滑移方向三种典型金属的滑移面及滑移方向塑性好坏除与晶体结构表现出的滑移系多少这一固有影响因素有关外，还有杂质对变形的影响，加工硬化的影响，屈服强度和断裂抗力的高低。体心立方金属不比面心立方金属塑性更高。虽然有48个潜在滑移系，但在实际

13、变形条件下，并不等于有这么多滑移系都同时动作。四、孪生变形四、孪生变形孪生变形特点：孪生变形特点：1.孪生变形有镜面对称的孪晶，孪生也沿一定的孪孪生变形有镜面对称的孪晶，孪生也沿一定的孪 晶面及晶向方向，如：晶面及晶向方向，如：fcc中中,孪晶面（孪晶面（111），孪），孪 晶方向晶方向 ;2.孪生中原子移动受严格限制，同一层面原子移动孪生中原子移动受严格限制，同一层面原子移动 距离相等；距离相等；3.孪生变形速度很快，形变过程与声波在晶体中的孪生变形速度很快，形变过程与声波在晶体中的 传播速度相近；传播速度相近；4.孪生变形量很小，但由于孪生造成位向改变，故孪生变形量很小，但由于孪生造成位向

14、改变，故 孪生发生后可能有利于滑移；孪生发生后可能有利于滑移；211 滑移滑移 孪生孪生(1)一部分晶体沿滑移面相一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切变对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离是切变时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数滑移方向原子间距的整数倍。倍。(1)一部分晶体沿挛晶面相一部分晶体沿挛晶面相对于另一部分晶体作切变对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离不切变时原子移动的距离不是滑移方向原子间距的整是滑移方向原子间距的整数倍。数倍。(2)滑移面两边晶体的位相滑移面两边晶体的位相不变。不变。(2)挛晶面两边晶体的位相挛晶面两边晶体的位相不同，成镜向对称。不同，成镜

15、向对称。孪生与滑移的区别孪生与滑移的区别 滑移滑移 孪生孪生 (3)滑移所造成的台阶经抛滑移所造成的台阶经抛光后，即使再侵蚀也不会光后，即使再侵蚀也不会重现。重现。(3)由于改变了晶体的位向，由于改变了晶体的位向，因而挛晶经抛光和侵蚀后因而挛晶经抛光和侵蚀后仍能重现。仍能重现。(4)滑移面是一种不均匀的滑移面是一种不均匀的切变，它只集中在某一些切变，它只集中在某一些晶面上大量进行，而各滑晶面上大量进行，而各滑移带之间的晶体并未发生移带之间的晶体并未发生滑移。滑移。(4)孪生是一种均匀切变，孪生是一种均匀切变，而在切变区内与挛晶面平而在切变区内与挛晶面平行的每一层原子面均相对行的每一层原子面均相

16、对于其相邻晶面沿孪生方向于其相邻晶面沿孪生方向位移了一定距离。位移了一定距离。孪生与滑移的区别孪生与滑移的区别(续续)第三节第三节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形对于单晶体而言，其塑性变形中，滑移是位错在切对于单晶体而言，其塑性变形中，滑移是位错在切应力作用下滑移面及滑移方向进行，其滑移必须满应力作用下滑移面及滑移方向进行，其滑移必须满足临界分切应力定律，即足临界分切应力定律，即一、施密特定律一、施密特定律coscoscc 滑移面法线方向与外力夹角滑移面法线方向与外力夹角 滑移方向与外力夹角滑移方向与外力夹角即当在滑移面的滑移方向上，分切应力达到某一临即当在滑移面的滑移方向上，分切应力达到某

17、一临界值界值 时，晶体就开始屈服，时，晶体就开始屈服， ，位错就，位错就开始滑移。开始滑移。cs例题如在面心立方晶胞如在面心立方晶胞001上施加一上施加一69MPa的应的应力，试求滑移系力，试求滑移系(111) 上的分应力。上的分应力。011由施密特定律由施密特定律coscosccMPaMPa1.28707.03169解：确定该滑移系对拉力轴的相对取向，先画出上解：确定该滑移系对拉力轴的相对取向，先画出上图。可以看出，滑移方向和拉力轴的夹角图。可以看出，滑移方向和拉力轴的夹角 。 ，滑移面的法线和拉力轴的夹角为，滑移面的法线和拉力轴的夹角为 ，度45707.0cos003/cosaa 晶体借滑

18、移发生塑性变形时，往往伴随着取向的改变 自由滑移变形 受夹具限制时的变形 晶体在拉伸时的转动 转动的原因：转动的原因：晶体滑移后使正应晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶力分量和切应力分量组成了力偶.A0A1FFA0二、单滑移、多滑移、交滑移二、单滑移、多滑移、交滑移单滑移：当只有一个滑移系统上的分切应力最大单滑移：当只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到并达到 时，只发生单滑移，其位错在滑移过程时，只发生单滑移，其位错在滑移过程中不会与其它位错交互作用，故加工硬化很弱。中不会与其它位错交互作用，故加工硬化很弱。 c多滑移：当有几个滑移系统上的分切应力最大并多滑移：当有几个滑移系统上的

19、分切应力最大并达到达到 时，就发生多滑移。比如时，就发生多滑移。比如fcc中，中，111为滑为滑移面移面,为滑移方向为滑移方向,4个个111面构成八面体面构成八面体,当拉当拉力轴为力轴为001时时,就有就有8个滑移系具有相同的施密特因个滑移系具有相同的施密特因子，故可同时达到子，故可同时达到 ，同时动作。，同时动作。cc扩展位错的交滑移：首先扩展位错会先束集，然扩展位错的交滑移：首先扩展位错会先束集，然 后交滑移到另一滑移面，再分解为两个不完全位错后交滑移到另一滑移面，再分解为两个不完全位错，中间夹一层错；层错能大，则，中间夹一层错；层错能大，则d减小，扩展位错减小，扩展位错易于交滑移。易于交

20、滑移。螺位错的交滑移螺位错的交滑移扩展位错的交滑移扩展位错的交滑移交滑移：当螺位错在某一滑移面上运动受阻，会交滑移：当螺位错在某一滑移面上运动受阻，会转到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。转到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。122Gb bd面心立方晶面心立方晶体全位错与体全位错与分位错的滑分位错的滑移移第四节第四节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一一晶界：晶粒越多，晶界越多，位错运动阻力越大。晶界：晶粒越多，晶界越多，位错运动阻力越大。晶粒位向差：位向差越大，则位错运动阻力越大。晶粒位向差：位向差越大，则位错运动阻力越大。二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响（细晶强化）二、晶粒大小对材料

21、强度与塑性的影响（细晶强化） ？为什么晶粒越细，材料的强度、硬度增大，为什么晶粒越细，材料的强度、硬度增大，塑性、韧性也增加？塑性、韧性也增加？概述 单个晶粒变形与单晶体相似单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂多晶体变形比单晶体复杂。 晶界及晶粒位向差的影响晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来受到晶界的阻碍而堆积起来,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继要使变形继续进行续进行, 则必须增加外力则必须增加外力, 从从而使金属的变形抗力提高。而使金属的变形抗力提高。cGbL晶界对塑性变形的影响晶界对

22、塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积 2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。以弹性变形来与之协调。这种弹性变形这种弹性变形便成为塑性变形晶粒便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。性变形抗力提高。 在变形由一个晶粒传递到另一个晶粒时，还

23、要考虑变形协调。在变形由一个晶粒传递到另一个晶粒时，还要考虑变形协调。因为假如多晶体在变形时各个晶粒的自身变形都像单晶体一样，因为假如多晶体在变形时各个晶粒的自身变形都像单晶体一样，彼此独立变形互相不受约束，那么在晶界附近变形将是不连续彼此独立变形互相不受约束，那么在晶界附近变形将是不连续的，会出现空隙或裂缝。为了适应变形协调，不仅要求邻近晶的，会出现空隙或裂缝。为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也

24、要有几个滑移系统同时动作。为了满足多晶体变形协调，至少应有时动作。为了满足多晶体变形协调，至少应有5个独立的滑移个独立的滑移系动作。系动作。 多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于接近于45的晶粒。的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一一批晶粒传递到另一批晶粒，批晶粒，当有

25、大量晶当有大量晶粒发生滑移后，金属粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性便显示出明显的塑性变形。变形。 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为因为金属晶粒越金属晶粒越细，晶界总面积细，晶界总面积越大，位错障碍越大，位错障碍越多；需要协调越多；需要协调的具有不同位向的具有不同位向的晶粒越多的晶粒越多，使，使金属塑性变形的金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系 金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为因为晶粒越细晶粒越细，单位体积内

26、晶粒数目越多单位体积内晶粒数目越多，参与变参与变形的晶粒数目也越形的晶粒数目也越多，变形越均匀，多，变形越均匀，使在断裂前发生较使在断裂前发生较大的塑性变形。强大的塑性变形。强度和塑性同时增加度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗金属在断裂前消耗的功也大，的功也大，因而其因而其韧性也比较好。韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料通过细化晶粒来同时通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方法称法称细晶强化。细晶强化。 可知由210dkyysysd晶粒直径0()LnA位错塞积模型1.塞积相同数目位错，细晶背应力大；2.在同样外加切

27、应力下，位错塞积数目：粗晶多，细晶少；第第5节节 合金的变形与强化合金的变形与强化一、合金的变形与强化一、合金的变形与强化？固溶强化机理是什么？固溶强化机理是什么？ 产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高. Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系二、低碳钢的屈服和应变

28、时效二、低碳钢的屈服和应变时效例题试求退火钢中形成饱和柯氏气团的碳浓度试求退火钢中形成饱和柯氏气团的碳浓度解解:(1)退火碳钢中的位错密度为退火碳钢中的位错密度为 ，即在，即在 的的体积中有体积中有 长的位错线。长的位错线。 (2) 的点阵常数的点阵常数 ，每一晶胞中有，每一晶胞中有2个铁原子，故个铁原子，故 体积内的铁原子数为：体积内的铁原子数为：28/10cm31cmcm810Fe86. 231cm(3)1cm长的位错线上铁原子数为：长的位错线上铁原子数为：322832 108.5510(2.86 10)cmcmn781003. 41086. 211cmcmn因位错线长为因位错线长为 ，故

29、位错线上总的铁原子数为，故位错线上总的铁原子数为158781003. 4101003. 41102nncm810(4)偏聚于位错线下方的碳原子总数为：偏聚于位错线下方的碳原子总数为：151003. 42nnc故形成饱和柯氏气团的碳浓度为故形成饱和柯氏气团的碳浓度为 ，即：，即：02nnnnFec%107 . 41055. 81003. 442215cx三、第二相弥散分布（弥散强化）三、第二相弥散分布（弥散强化）？1.弥散强化机理？弥散强化机理？ 第二相不会变形：饶过机制第二相不会变形：饶过机制提示：提示： 第二相变形：切过机制第二相变形：切过机制图图5.34图图5.35位错切割位错切割第二相粒

30、第二相粒子示意图子示意图电镜观察电镜观察 当在晶内呈颗粒状弥散分布时当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称略有下降，这种强化方法称弥散强化弥散强化或或沉淀强化沉淀强化。 弥散强化的原因弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片四、第二相对合金变形的影响四、第二相对合金变形的影响1.可变形颗粒之强化作用可变形颗粒之强化作用

31、1）.位错切过粒子时，粒子产生宽度为b的表面台阶，由于出现了新的表面积，使总的界面能升高。2）.当粒子是有序结构时，位错切过后产生反相畴界，引起能量升高；3）.由于第二相粒子与基体点阵不同（至少点阵常数不同），故当位错切过粒子时必然在其滑移面上造成错排，给位错运动带来困难；4）.粒子与母相间的共格或半共格界面产生弹性应力场，与位错交互作用5）.若基体与粒子中的滑移面取向不一致，则位错切过后产生割阶；2.不可变形颗粒之强化机制不可变形颗粒之强化机制图图5.34，当位错扫过滑移面所遇颗粒为不可变形当位错扫过滑移面所遇颗粒为不可变形 时，位错会绕过该颗粒，继续运动。时，位错会绕过该颗粒，继续运动。位

32、错绕过颗粒时就会发生弯曲，弯曲严重时，使位错绕过颗粒时就会发生弯曲，弯曲严重时，使 位错两端相遇，为异号位错抵消，位错继续向前位错两端相遇，为异号位错抵消，位错继续向前 运动而留下一个位错环。运动而留下一个位错环。由于使位错发生弯曲是一个使位错伸长，因而能由于使位错发生弯曲是一个使位错伸长，因而能 量增高，即使位错运动困难，故合金就被强化。量增高，即使位错运动困难，故合金就被强化。6）.粒子与基体的层错能不同，当扩展位错通过后，其宽度发生变化，引起能量升高。 一、塑性变形对组织结构的影响一、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其金属发生塑性变形时，不仅外形发生变

33、化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。1.当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变 得模糊不清。得模糊不清。2.塑性变形还使晶粒破塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒碎为亚晶粒(形变亚形变亚晶或形变胞晶或形变胞)。第第6节节 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能塑性变形前后的组织变化塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40% 变形晶粒由许多小的胞块组成，称为形变亚晶或形变胞。各胞块之间位向差不超过2。胞壁由大量堆积的位错构成，

34、而胞内体积中的位错密度很低。变形量越大，胞块数量越多，尺寸越小，位向差越大，且其形成随晶粒形状的改变而改变，即沿变形方向深长。是加工硬化的主要原因。3.性能变化（加工硬化）易滑移阶段线性硬化阶段抛物线硬化阶段4.形变织构形变织构：由于晶粒的转动由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。变形金属中的织构或择优取向。变形金属中的这种组织状态则称为形变织构。这种组织状态则称为形变织构。（板织构与丝织构）（板织构与丝织构）l形变织构使金属呈现形变织构

35、使金属呈现各向异性各向异性，在深冲零，在深冲零件时，易产生件时，易产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。硅钢片的导磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无5.残余应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, 内部变形不均内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有外力所做的功只有10%转化为内应力转化为内应力残留于金属中残留于金属中.（

36、1）宏观内应力（第一类内应力） 是由于金属各部分的宏观变形不均匀而引起的，其平衡范围是材料是由于金属各部分的宏观变形不均匀而引起的，其平衡范围是材料的整个体积。的整个体积。（2）微观内应力（第二类内应力） 由于各晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围由于各晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个晶粒或几个亚晶粒。约占全部内应力的为几个晶粒或几个亚晶粒。约占全部内应力的12%，但在某些局部区，但在某些局部区域有时内应力很大，造成裂纹源域有时内应力很大，造成裂纹源。 （3）点阵畸变（第三类内应力） 由于金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（如位错、空位、间隙原由于金属在塑性

37、变形中产生大量点阵缺陷（如位错、空位、间隙原子等），使点阵中一部分原子偏离其平衡位置，造成晶格畸变。其作用子等），使点阵中一部分原子偏离其平衡位置，造成晶格畸变。其作用范围很小，在几十至几百纳米范围内。它使金属的硬度、强度升高，而范围很小，在几十至几百纳米范围内。它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。残余应力的塑性和抗腐蚀性能下降。残余应力的8090%消耗于点阵畸变。消耗于点阵畸变。 冷塑变后金属处于不稳定状态冷塑变后金属处于不稳定状态（加热后）向稳定状态（加热后）向稳定状态转变。转变。 T不高时，原子短程扩散回到平衡位置，畸变不高时，原子短程扩散回到平衡位置，畸变，残余，残余 应

38、力应力，理化性能恢复。，理化性能恢复。 回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能变化的过程。 显微组织仍保持纤维组织； 机械性能变化不大； 理化性能显著变化，如电阻减小，抗应力腐蚀性能提高； 第一类内应力基本消除。 一般认为，回复是点缺陷和位错在加热时发生运动，从而改变他们的组态和数量的过程。 低温时主要是空位缺陷的运动 温度稍高时，位错也可以发生运动：异号位错相消，密度降低；胞壁位错重新组合，亚晶粒长大；沿垂直于滑移面的方向排列成位错墙，构成小角度亚晶界，形成回复亚晶（多变形化）。 通过形核与长大通过形核与长大无畸变的等轴晶，强度无畸变的等轴晶，强

39、度塑性塑性 （加工硬化消除），组织与力性完全恢复。（加工硬化消除），组织与力性完全恢复。 当加热温度高于回复温度时，在变形组织的基体上产生新的无当加热温度高于回复温度时，在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶，逐渐取代全部变形组织，这畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶，逐渐取代全部变形组织，这个过程称为再结晶。个过程称为再结晶。 驱动力：存储能；驱动力：存储能； 在能量较高的区域优先形核：在能量较高的区域优先形核：1.亚晶形核亚晶形核;2晶界凸出形核晶界凸出形核 u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。工程定义：经大量变形的金属在约1h的保温时间内，能

40、够完成再结晶的最低温度。影响因素：影响因素： 预先变形度：预先变形度：金属再结晶前塑性变形的相对变形量金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大称为预先变形度。预先变形度越大, 金属的晶体缺陷金属的晶体缺陷就越多就越多, 组织越不稳定组织越不稳定, 最低再结晶温度也就越低。最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后当预先变形度达到一定大小后, 金属的最低再结晶温金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。度趋于某一稳定值。 金属的熔点：金属的熔点：熔点越高熔点越高, 最低再结晶温度也就越高最低再结晶温度也就越高 杂质和合金元素杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元：由于杂质和合金元素特别是高熔点元素素, 阻碍原子扩散和晶界迁移阻碍原子扩散和晶界迁移, 可显著提高最低再结晶温可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝度。如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为的最低再结晶温度为80, 而而工业纯铝工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到了的最低再结晶温度提高到了290。 加热速度加热速度：再结晶是一个扩散过程：再结晶是一个扩散过程, 需要一定时间才能需要一定时间才能完成。加热速度太高会使再结晶在较高温度下发生完成。加热速度太高会使再结晶在较高温度下发