第5章 材料的形变与再结晶2

1、11 1、描述菲克第一定律的含义和各参数的量纲；、描述菲克第一定律的含义和各参数的量纲；2 2、描述扩散的微观机制；、描述扩散的微观机制；3 3、影响扩散的主要因素；、影响扩散的主要因素；4、一块一块(C)=0.1%的碳钢在的碳钢在930930渗碳，渗到渗碳，渗到0.05cm的地方，碳的地方，碳的浓度达到的浓度达到0.45%。在。在t 0 0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%1%，假设假设计算渗碳时间；计算渗碳时间；若将渗层加深若将渗层加深1 1倍，则需要多长时间？倍，则需要多长时间？在在930时渗碳时渗碳10h的渗层厚度的渗层厚度，为为870渗碳渗碳10

2、h的多少倍？的多少倍？)/)(/140000exp(10225smRTDrc第第4 4章章 作业作业n一、单晶体塑形变形（三种方式）一、单晶体塑形变形（三种方式）：n滑移、孪生、扭折滑移、孪生、扭折。 n1、滑移、滑移：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。n晶体塑性变形的晶体塑性变形的不均匀性不均匀性：滑移滑移只是集中发生在一些晶面只是集中发生在一些晶面上，滑移带或滑移线之间的晶体层片未产生变形，只是彼上，滑移带或滑移线之间的晶体层片未产生变形，只是彼此

3、作此作相对位移相对位移 。n滑移系：滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个一个滑移系。滑移系。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 2n只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可该滑移系方可发生滑移发生滑移，该分切应力称为，该分切应力称为滑移的临界分切滑移的临界分切应力应力。n晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是作刚性整体位移，而是借助借助位错位错在滑移面上

4、运动逐步进行在滑移面上运动逐步进行。 n位错在运动时会遇到位错在运动时会遇到点阵阻力点阵阻力，又称为又称为派派-纳（纳（P-N）力）力：5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 2222expexp1(1)1P NGdGWbb3n2 2、孪生：、孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面晶面（孪孪晶面晶面）和一定的晶向（）和一定的晶向（孪生方向孪生方向）相对于另一部分作）相对于另一部分作均匀均匀的切变的切变、形成孪晶所产生的变形。、形成孪晶所产生的变形。 n孪生的特点及与滑移的异同点孪生的特点及与滑移的异同点。相同点相同点：q都是在都是

5、在切应力作用切应力作用下产生的剪切应变过程。下产生的剪切应变过程。q都都不改变晶体结构不改变晶体结构。q都存在都存在临界分切应力临界分切应力。q都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向的向的平移平移。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 4n孪生的特点及与滑移的孪生的特点及与滑移的不同点不同点：q对对塑性变形的贡献小塑性变形的贡献小，但是可以，但是可以改变位向改变位向，进一步诱发，进一步诱发滑移。滑移。q孪晶的两部分晶体形成孪晶的两部分晶体形成镜面对称镜面对称的位向关系。的位向关系。q滑移滑移的机制是的机制是位

6、错的产生和移动位错的产生和移动，而，而孪生孪生是孪生区内的是孪生区内的原子沿滑移方向的原子沿滑移方向的均匀切变均匀切变，不全位错不全位错参与。参与。 q孪生的临界分切应力大孪生的临界分切应力大。晶体对称度越低，越容易发生。晶体对称度越低，越容易发生孪生。变形温度越低，加载速度越高，越容易发生孪生。孪生。变形温度越低，加载速度越高，越容易发生孪生。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 5n3 3、扭折、扭折：为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生一临界值时晶体将会产生局部弯曲局部弯曲，这种变形方式称为，

7、这种变形方式称为扭扭折折，变形区域则称为，变形区域则称为扭折带扭折带。 n二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形：多晶体中每个晶粒变形的基本方多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同，但由于相邻晶粒之间式与单晶体相同，但由于相邻晶粒之间取向不同取向不同，以及，以及晶晶界的存在界的存在，因而多晶体的变形既需克服，因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍晶界的阻碍。n1 1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响：各晶粒变形过程中的各晶粒变形过程中的相互制约和协调相互制约和协调性；性；多晶体塑性变形多晶体塑性变形时要求时要求每个晶粒至少能在每个晶粒至少能在5个独立的滑个独立的滑移系上进行滑移。移系上进行滑移

8、。65,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n2 2、晶界的影响、晶界的影响：晶界对滑移具有阻碍效应晶界对滑移具有阻碍效应 。n在变形过程中位错难以通过晶界，被堵塞在晶界附近。这在变形过程中位错难以通过晶界，被堵塞在晶界附近。这种在晶界附近产生的种在晶界附近产生的位错塞积群位错塞积群会对晶内的会对晶内的位错源位错源产生一产生一反作用力反作用力。此反作用力随。此反作用力随位错塞积的数目位错塞积的数目n而增大。而增大。n多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的屈服强度屈服强度 s与与晶粒平均直径晶粒平均直径d的关系可用著名的的关系可用

9、著名的霍尔霍尔佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式）公式表示表示120sKd在多晶体材料中往往存在一在多晶体材料中往往存在一“等强温度等强温度TE”，低于，低于TE时，时，晶界晶界强度强度高于高于晶粒内部晶粒内部的；高于的；高于TE时则得到相反的结果。时则得到相反的结果。75,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n三、合金的塑形变形三、合金的塑形变形：按合金组成相不同，主要可分为按合金组成相不同，主要可分为单单相固溶体合金相固溶体合金和和多相合金多相合金。 n1 1、单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形：n溶质原子溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在对合

10、金塑性变形的影响主要表现在n（1）固溶强化作用固溶强化作用；n（2）提高了塑性变形的阻力提高了塑性变形的阻力；n（3）有些固溶体会出现明显的）有些固溶体会出现明显的屈服点屈服点和和应变时效应变时效现象。现象。85,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n屈服现象本质屈服现象本质：（1 1）Cottrell气团理论气团理论：在固溶体合金中，：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团，即所谓的气团，即所谓的Cottrell气团。气团。n上屈服点：挣脱上屈服点：挣脱Cottrel气团，需要较大的应力

11、气团，需要较大的应力n下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降n（2）位错增殖理论位错增殖理论9mv b由位错理论得由位错理论得位错的平均运动速度位错的平均运动速度0()mv5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n2 2、多相合金的塑性变形、多相合金的塑性变形：根据尺寸大小分为根据尺寸大小分为n聚合型相差不多聚合型相差不多n弥散型细小弥散型细小n（1）聚合型合金的塑性变形：）聚合型合金的塑性变形：101 122 1 12 2 n（2）弥散分布型合金的塑性变形：）弥散分布型合金的塑性变形：n1）不可变形粒子的强化作用）不可

12、变形粒子的强化作用n2）可变形微粒的强化作用）可变形微粒的强化作用5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n四、四、塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响：n1、显微组织的变化、显微组织的变化：晶粒内部结构出现大量的晶粒内部结构出现大量的滑移带或孪滑移带或孪晶带晶带；晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长；当变形量很当变形量很大时，大时，出现出现纤维组织纤维组织。n2、亚结构的变化、亚结构的变化：随着变形度的增大，晶体中的：随着变形度的增大，晶体中的位错密度位错密度迅速提高迅速提高，出现，出现胞状亚结构。胞状亚结构。n

13、3、性能的变化、性能的变化：加工硬化及其他物理化学性能的变化。：加工硬化及其他物理化学性能的变化。n4、形变织构、形变织构：晶面：晶面转动转动使多晶体中原来取向互不相同的各使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性，这一现象称为个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取向择优取向，这种组织状态则称为，这种组织状态则称为形变织构形变织构。 n丝织构；板织构。丝织构；板织构。由于取向，由于取向，造成了材料性能的各向异性造成了材料性能的各向异性。115,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 n5残余应力（储存能）：外力做的功中一部分储存

14、在材料残余应力（储存能）：外力做的功中一部分储存在材料内部。内部。n根据范围大小，分三种：根据范围大小，分三种：n宏观残余应力宏观残余应力：各部分宏观变形不均匀引起占总的储存能：各部分宏观变形不均匀引起占总的储存能很少，约很少，约0.1%；n微观残余应力微观残余应力：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起，可：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起，可能引起微裂纹；能引起微裂纹；n点阵畸变点阵畸变：作用范围是几十至几百纳米作用范围是几十至几百纳米，由于工件在塑性，由于工件在塑性变形中形成的变形中形成的大量点阵缺陷大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）（如空位、间隙原子、位错等）引起的，引起的，占储存能的

15、绝大部分（占储存能的绝大部分（80-90%）。）。125,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 13本章本章 章节结构章节结构5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶l金属经过一定程度金属经过一定程度冷塑性变形冷塑性变形后，后，组织组织和和性能性能都发生了明都发生了明显的变化，由于各种显的变化，由于各种缺陷缺陷及及内应力内应力的产生，导致金

16、属晶体的产生，导致金属晶体在在热力学上处于不稳定状态热力学上处于不稳定状态，有自发向稳定态转化的趋势有自发向稳定态转化的趋势。l通过适当的通过适当的加热加热和和保温保温过程，这种趋势就会成为现实。这过程，这种趋势就会成为现实。这种变化的表现就是一系列种变化的表现就是一系列组织、性能组织、性能的变化。的变化。l根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为三根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为三个阶段：个阶段：回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大。145.3.1 5.3.1 冷变形金属在加热时的组织冷变形金属在加热时的组织和性能变化和性能变化1.1.显微组织变化显微组织变化回

17、复回复（recovery):recovery):新的无畸变晶粒出现前所产生的新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无明显变化；明显变化；再结晶再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒的过程；晶粒长大晶粒长大：指再结晶结束后晶粒的长大过程。：指再结晶结束后晶粒的长大过程。15加热时冷变形金属显微组织发生变化加热时冷变形金属显微组织发生变化16性能变化性能变化 冷变形金属在退火过程中的性能和能量变化：冷变形金属在退火过程中的性能和能量变化：171.1.力学性能力学性能(1)

18、 (1) 硬度硬度（hardnesshardness）和）和强度强度（strengthstrength）: :回复回复阶段阶段, ,变化不大变化不大, ,再结晶下降较大再结晶下降较大。(2) (2) 塑性塑性: :回复阶段回复阶段, ,变化不大变化不大; ; 再结晶阶段上升再结晶阶段上升；粗化后下降。粗化后下降。 2. 2. 物理性能物理性能(1) (1) 电阻电阻（resistanceresistance）: :回复阶段，回复阶段，电阻率明显下降电阻率明显下降。(2) (2) 密度（密度（densitydensity）: :回复阶段变化不大，再回复阶段变化不大，再结晶阶段上升结晶阶段上升。1

19、83. 3. 内应力内应力: :回复阶段基本消除宏观应力回复阶段基本消除宏观应力, ,而微观应而微观应力消除需再结晶后才能完成；力消除需再结晶后才能完成；4. 4. 亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸：回复前期变化不大，后期显著增大；：回复前期变化不大，后期显著增大；5. 5. 储存能释放储存能释放（release of stored energyrelease of stored energy）。）。195.3.2 5.3.2 回复回复（一）回复动力学（一）回复动力学 在回复阶段，材料性能的变化是随在回复阶段，材料性能的变化是随温度温度和和时间时间的变化而变的变化而变化，相同变形程度多晶体铁在不同温度下的

20、回复动力学曲线。化，相同变形程度多晶体铁在不同温度下的回复动力学曲线。纵坐标为纵坐标为余应变硬化率余应变硬化率(1R)。R为屈服强度回复率为屈服强度回复率， m、 r和和0分别代表变形后、回复后和完全退火后的屈服分别代表变形后、回复后和完全退火后的屈服强度。强度。屈服强度回复程度屈服强度回复程度R愈大愈大，则，则剩余应变硬化率剩余应变硬化率(1R)越小越小。 )()(0mrmR20 回复过程是一个回复过程是一个驰豫过程驰豫过程，具有以下特点：，具有以下特点：n回复过程在加热后立刻开始回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；，没有孕育期；n回复开始的速率很大回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐

21、降低，直，随着时间的延长，逐渐降低，直至趋于零；至趋于零；n加热温度越高，最终回复程度也越高加热温度越高，最终回复程度也越高；n变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速率率。21 回复特征通常可用回复特征通常可用一级反应方程一级反应方程来表达，即：来表达，即： （1） 式中式中t t为恒温下的加热时间，为恒温下的加热时间，x x为冷变形导致的性能增量经加热后为冷变形导致的性能增量经加热后的的残留分数残留分数，c c为与材料和温度有关的比例常数，为与材料和温度有关的比例常数，c c值与温度的关系具值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点：有

22、典型的热激活过程的特点： （2） 式中式中Q Q为激活能，为激活能，R R为气体常数为气体常数(8.31(8.311010-3-3J/kgmolK)J/kgmolK)，c c0 0为为比例常数，比例常数，T T为绝对温度。将式（为绝对温度。将式（2 2）代入方程（）代入方程（1 1）中并积分，以）中并积分，以x x0 0表示开始时性能增量的残留分数，则得：表示开始时性能增量的残留分数，则得： cxdtdxRTQecc0 xxtRTQdtecxdx000RTQtecxx00ln22RTQtecxx00ln 在不同温度下如以回复到相同程度作比较，即上在不同温度下如以回复到相同程度作比较，即上式左边

23、为常数，这样对两边同时取对数：式左边为常数，这样对两边同时取对数： 于是，通过作图所得到的直线关系，由其于是，通过作图所得到的直线关系，由其斜率即可求斜率即可求出回复过程的激活能出回复过程的激活能Q Q。 铁的回复实验表明，短时间回复时，其激活能与空位铁的回复实验表明，短时间回复时，其激活能与空位迁移激活能相近，长时间回复时，其激活能与铁的自扩散迁移激活能相近，长时间回复时，其激活能与铁的自扩散激活能相近。因此对于冷变形金属的回复不能用单一机制激活能相近。因此对于冷变形金属的回复不能用单一机制描述。描述。 RTQAtln23( (二二) ) 回复机制回复机制 （1 1）低温回复）低温回复n 温

24、度较低，原子活动能力有限，一般局限于温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降形过程中形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率。对点缺陷敏感的电阻率此时发生明显下降。此时发生明显下降。n（2 2）中温回复）中温回复n 温度升高，原子活动能力增强，除点缺陷运动外，温度升高，原子活动能力增强，除点缺陷运动外，位错也位错也被激活，在内应力作用下开始滑移被激活，在内应力作用下开始滑移，部分，部分异号位错发生抵消异号位错发生抵消，位错密度

25、略有降低。位错密度略有降低。n（3 3）高温回复）高温回复n 变形金属在较高温（变形金属在较高温（0.3Tm0.3Tm）下，变形金属的回复机制主）下，变形金属的回复机制主要与要与位错的攀移运动位错的攀移运动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，还可能发生在本身弹性应力场作用下，还可能发生攀移运动攀移运动，最终通过，最终通过滑滑移和攀移移和攀移使得这些使得这些位错从同一滑移面变为在位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直不同滑移面上竖直排列的位错墙排列的位错墙以以降低总畸变能降低总畸变能，并产生亚晶（多边化结构）。，并产生亚晶（多边化结构）

26、。24 多边化过程的驱动力主要来自多边化过程的驱动力主要来自应变能的下降应变能的下降，产生的条件产生的条件: :(1) (1) 塑性变形使晶体点阵发生弯曲塑性变形使晶体点阵发生弯曲。(2) (2) 在滑移面上有塞积的同号刃型位错在滑移面上有塞积的同号刃型位错。(3) (3) 需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。 多边化前后刃型位错的排列情况下图所示：多边化前后刃型位错的排列情况下图所示：255.3.3 5.3.3 再结晶再结晶 l再结晶再结晶是指经是指经冷变形金属冷变形金属加热到一定温度时，加热到一定温度时，通过通过形成新的等轴晶粒形成新的等轴晶粒

27、并逐步并逐步取代变形晶粒取代变形晶粒的的过程。过程。l与回复过程主要区别：与回复过程主要区别：再结晶是一个光学显微再结晶是一个光学显微组织完全改变的过程组织完全改变的过程，随着保温时间的延长，随着保温时间的延长，新等轴晶数量及尺寸不断增加，直至原变形晶新等轴晶数量及尺寸不断增加，直至原变形晶粒全部消失为止，再结晶过程结束。粒全部消失为止，再结晶过程结束。26( (一一) ) 再结晶过程再结晶过程 再结晶过程是再结晶过程是形核形核和和长大长大, ,但无晶格类型变化。但无晶格类型变化。 1. 1. 形核形核 实验表明，再结晶通常在实验表明，再结晶通常在变形金属中能量较高的变形金属中能量较高的局部区

28、域优先形成无畸变的再结晶晶核局部区域优先形成无畸变的再结晶晶核，其形核机制其形核机制有：有： (1) (1) 晶界弓出形核晶界弓出形核( (凸出形核机制凸出形核机制) ) 对于对于变形度较小变形度较小（20%20%）的金属；）的金属；27n假设弓出形核核心为球冠型，球冠半径为假设弓出形核核心为球冠型，球冠半径为L L，晶界界面能为，晶界界面能为，冷变形金属中单位体积储存能为，冷变形金属中单位体积储存能为E Es s，若界面由，若界面由I I推进至推进至IIII，其扫过的体积为，其扫过的体积为d dV V，界面的面积为，界面的面积为d dA A，若，若d dV V体积内全部体积内全部储存能都被释

29、放，储存能都被释放，n则此过程中的则此过程中的自由能变化自由能变化为：为： dVdAEGs28n若晶界为球面，设其半径为若晶界为球面，设其半径为r，则，则 n若晶界弓出段两端若晶界弓出段两端a、b固定，且固定，且值恒定，则开始阶段随值恒定，则开始阶段随ab弓出弯曲，弓出弯曲，r逐渐减小、逐渐减小、G值增大。值增大。n当当r达到最小值达到最小值(rab/2L)时，时，G将达到最大值。若继将达到最大值。若继续弓出，续弓出，r的增大使的增大使G减小，晶界将自发地向前推移。减小，晶界将自发地向前推移。因此，一般段长为因此，一般段长为2L的晶界，其的晶界，其弓出形核的能量条件为弓出形核的能量条件为 G

30、rr rc c便会借助于界面便会借助于界面向高畸变区域长大。向高畸变区域长大。n以以亚晶迁移机制亚晶迁移机制形成的晶核，一旦形成大角度晶形成的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动界就可迅速移动, ,扫除其遇到的位错扫除其遇到的位错, ,留下无应变留下无应变的晶体。晶界迁移的的晶体。晶界迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差自由能差。迁移方向总是背向曲率中心，向着畸。迁移方向总是背向曲率中心，向着畸变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。32( (二二) ) 再结晶动力学再结晶动力学 再结晶动力学：取决于再结晶动力学：取决于形核率形核率N N和

31、和长大速率长大速率G G的大小。的大小。纵坐纵坐标表示标表示已再结晶晶粒分数已再结晶晶粒分数，横坐标表示，横坐标表示保温时间保温时间。其特点：其特点： (1)(1) 恒温动力学曲线呈恒温动力学曲线呈“S”S”形形 (2)(2) 有一孕育期有一孕育期 (3)(3)等温下等温下, ,再结晶速度呈现再结晶速度呈现“慢、快、慢慢、快、慢”的特点的特点33( (三三) ) 再结晶温度再结晶温度 再结晶温度再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶最低温度。：冷变形金属开始进行再结晶最低温度。测定方法：测定方法：金相法金相法：显微镜中出现第一颗新晶粒温度：显微镜中出现第一颗新晶粒温度 硬度法硬度法：硬度下降：硬

32、度下降50%50%时的温度时的温度 一般工业上所说的一般工业上所说的再结晶温度再结晶温度是指经较大冷变形量是指经较大冷变形量（70%70%）的金属，在）的金属，在1h1h完成再结晶体积分数完成再结晶体积分数95%95%所对应的所对应的温度。温度。 实际生产上确定方法：实际生产上确定方法： 一般一般T TR R = = （0.350.350.400.40）T Tm m34一些金属的再结晶温度一些金属的再结晶温度35影响再结晶的因素影响再结晶的因素 1.1.变形程度变形程度：变形度增大、开始变形度增大、开始T TR R下降下降，等温退火，等温退火再再结晶速度越快结晶速度越快，而大到一定程度，而大到

33、一定程度，T TR R趋于稳定。趋于稳定。2.2.原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始：其它条件相同时，金属原始晶粒细晶粒细小，则变形抗力大，形变储存能高，则小，则变形抗力大，形变储存能高，则T TR R越低越低，同，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。3. 3. 微量溶质原子微量溶质原子：溶质原子偏聚于位错和晶界处，：溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用，起阻碍作用，使使T TR R提高提高。364.4.第二相粒子第二相粒子：其作用是两方面的：其作用是两方面的, ,这主要取决这主要取决于分散相粒子大小与分布。于分散相粒子大小与分布

34、。第二相粒子尺寸较第二相粒子尺寸较大大, ,间距较宽（间距较宽（11微米），促进再结晶微米），促进再结晶。第二相第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。5.5.退火工艺参数退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，加热速度过于缓慢或极快时，T TR R上升上升；当变形程度和保温时间一定，；当变形程度和保温时间一定，退火温退火温度越高，再结晶速度快度越高，再结晶速度快；在一定范围内；在一定范围内延长保延长保温时间，温时间，T TR R降低降低。37( (四四) ) 再结晶后晶粒大小再结晶后晶粒大小 再结晶晶粒的再结晶晶粒的平均直径平均直径d d与与形

35、核率形核率N N及及长大速度长大速度G G之间的之间的关系如下：关系如下： d= d=常数（常数（G/NG/N）1/41/4 影响再结晶后晶粒大小的因素：影响再结晶后晶粒大小的因素： 1.1. 变形程度的影响变形程度的影响 变形度很小时，晶粒尺寸为变形度很小时，晶粒尺寸为原始原始晶粒尺寸晶粒尺寸； 临界变形度临界变形度c c时，时，晶粒特别粗大晶粒特别粗大，一般金属，一般金属c c =2 =28% ;8% ;当变形度大于当变形度大于c c时，随变形度增加，时，随变形度增加，晶粒逐渐细化晶粒逐渐细化。 382. 2. 退火温度退火温度：对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影：对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响

36、较小，若响较小，若T T升高，再结晶速度快，升高，再结晶速度快，c c值变小值变小。再结晶完成后，温度越高，晶粒长大越快，晶再结晶完成后，温度越高，晶粒长大越快，晶粒越粗。粒越粗。 3. 3. 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 当变形度一定时，当变形度一定时，原始晶粒原始晶粒越细，越细，D D越小越小。39（六）六） 再结晶全图再结晶全图 再结晶全图是表示再结晶全图是表示变形程度变形程度、退火温度退火温度及及再结晶再结晶后晶粒大小后晶粒大小关系的立体图形。关系的立体图形。 405.3.4. 5.3.4. 晶粒长大晶粒长大 再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小( (等

37、轴晶等轴晶) )，若继续升温或延长保温时间，晶粒，若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。会继续长大。晶粒长大晶粒长大是一个是一个自发过程自发过程。晶粒。晶粒长大长大驱动力驱动力来自总的来自总的界面能的降低界面能的降低。 根据再结晶后晶粒长大特点，分为根据再结晶后晶粒长大特点，分为: : （1 1）正常晶粒长大正常晶粒长大: :均匀长大均匀长大 （2 2）异常晶粒长大异常晶粒长大: :不均匀长大，又称二次不均匀长大，又称二次再结晶；把通常说的再结晶称为一次再结晶。再结晶；把通常说的再结晶称为一次再结晶。41（一）晶粒正常长大（一）晶粒正常长大 1. 1. 晶粒长大的方式：长大是通过晶粒长大的

38、方式：长大是通过大晶粒吞食小晶粒大晶粒吞食小晶粒，晶，晶界向界向曲率中心曲率中心的方向移动进行的。的方向移动进行的。2. 2. 驱动力驱动力：来源于晶界迁移后体系总的：来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低自由能的降低，即总的即总的界面能的降低界面能的降低，即，即晶界凸侧晶粒不断长大晶界凸侧晶粒不断长大, ,凹侧凹侧晶粒不断缩小晶粒不断缩小。3. 3. 晶粒大小晶粒大小: : 平均晶粒直径平均晶粒直径与与保温时间保温时间关系关系: : Dt=ct1/2 恒温下发生正常晶粒长大时，恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大时间的平方根而增大。当金属中存在阻碍晶

39、界迁移的因。当金属中存在阻碍晶界迁移的因素素( (如杂质如杂质) )时时, t, t的指数项小于的指数项小于1/21/2。424. 影响因素影响因素 (1) 温度温度 T 升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。 (2) 分散相微粒分散相微粒 当合金中存在第二相微粒时当合金中存在第二相微粒时,粒子对晶界的阻碍作用使粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低晶粒长大速度降低。正常长大停止时晶粒平均尺寸称为。正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极极限平均晶粒尺寸限平均晶粒尺寸，其值为式，其值为式: Dlim=4r/3 极限平均晶粒尺寸决定于分散相粒子的尺寸及所占的极限平均晶粒

40、尺寸决定于分散相粒子的尺寸及所占的体积分数。当体积分数。当一定、一定、r越小时越小时, 极限平均晶粒尺寸越小极限平均晶粒尺寸越小。43（3 3）晶粒间位向差）晶粒间位向差 一般小角度晶界或具有孪晶结构的一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速大角度晶界迁移速度一般较快。度一般较快。（4 4）杂质与微量元素）杂质与微量元素 阻碍晶界的迁移阻碍晶界的迁移。44( (二二) ) 晶粒异常长大晶粒异常长大晶粒异常长大晶粒异常长大( (二次再结晶、不连续晶粒长大二次再结晶、不连续晶粒长大) ) ：1.1.驱动力驱动力：来自：来自界面能的降低界面能的降低。2.2.长

41、大方式长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大晶粒间的尺寸差别显著增大，不需重新形核。，不需重新形核。3.3.条件条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎，而只有或被钉扎，而只有少数晶粒边界易迁移的因素少数晶粒边界易迁移的因素。455.3.5 5.3.5 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织 自学了解自学了解5.45.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶金属的热加工和冷加工金属的热加工和冷加工n冷加工冷加工：在再结晶温度以下的变形加工：在再结晶温度以下的变形加工. .n热加工热加工：

42、在再结晶温度以上的变形加工：在再结晶温度以上的变形加工. .465.4.15.4.1动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶 若提高金属变形的温度若提高金属变形的温度, ,使金属在使金属在热变热变形形的同时也发生的同时也发生回复回复和和再结晶再结晶，这种，这种与金与金属变形同时发生属变形同时发生的回复与再结晶称为的回复与再结晶称为动态动态回复回复(dynamic recovery)(dynamic recovery)和和动态再结晶动态再结晶(dynamic recrystallization)(dynamic recrystallization)。47（一）动态回复（一）动态回复 v1.1.

43、动态回复时的动态回复时的真实应力真实应力- -真实应变真实应变曲线曲线v曲线分为三段：曲线分为三段：v第第阶段阶段微应变阶段微应变阶段: :应力增加很快应力增加很快, ,但应变量不大但应变量不大( (小小于于1%),1%),加工硬化开始出现。加工硬化开始出现。v第第阶段阶段均匀变形阶段均匀变形阶段: :金属材料开始金属材料开始均匀塑性变形，均匀塑性变形，伴随加工硬化作用的加强伴随加工硬化作用的加强, ,开始出现开始出现动态回复动态回复并逐渐加强并逐渐加强, ,其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用, ,使曲线的斜率下降使曲线的斜率下降并趋于水平。并趋于水平。v第第阶段

44、阶段稳态流变阶段稳态流变阶段: :由变形产生的由变形产生的加工硬化加工硬化与与动态动态回复回复产生的软化达到产生的软化达到动态平衡动态平衡, ,流变应力不再随应变的增流变应力不再随应变的增加而增大加而增大, ,曲线保持水平状态曲线保持水平状态。达到稳态流变时应力值与。达到稳态流变时应力值与变形温度和应变速率有关变形温度和应变速率有关, ,增高变形温度或降低应变速率增高变形温度或降低应变速率, ,都将使稳态流变应力降低。都将使稳态流变应力降低。 482.2.动态回复机制动态回复机制v随着随着应变量的增加应变量的增加，位错通过增殖密度升高，形成，位错通过增殖密度升高，形成位位错缠结和胞状亚结构错缠

45、结和胞状亚结构。v热变形温度较高热变形温度较高，为回复提供了，为回复提供了热激活热激活条件。条件。v通过通过刃型位错的攀移刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移螺型位错的交滑移、位错结点位错结点的脱钉的脱钉，异号位错的抵销异号位错的抵销，位错密度不断减小位错密度不断减小。v位错的位错的增殖速率增殖速率和和消亡速率消亡速率平衡平衡，应力，应力- -应变曲线转为应变曲线转为水平的稳态流变阶段水平的稳态流变阶段。49（二）动态再结晶（二）动态再结晶 u1. 动态再结晶的应力动态再结晶的应力u金属在一定温度下以不同应变速率变形金属在一定温度下以不同应变速率变形 并发生动态再结晶的曲线，并发生动态再结晶的曲线

46、，三个阶段三个阶段：u第一阶段第一阶段-加工硬化阶段加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（加工硬化（0max，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（下降（c s）。）。u第三阶段第三阶段-稳定流变阶段稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但当态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但当以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起。度变化

47、慢引起。502.2.动态再结晶的机制动态再结晶的机制 动态再结晶通过动态再结晶通过形核形核和和长大长大完成。完成。 应变速率较低应变速率较低时，动态再结晶通过原晶界的时，动态再结晶通过原晶界的弓弓出机制出机制形核；形核； 应变速率较高应变速率较高时，通过亚晶时，通过亚晶聚集长大方式聚集长大方式进行。进行。515.4.2 5.4.2 热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响 自学了解自学了解5.4.3 蠕变早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以时仅以短时强度短时强度作为设计依据。作为设计依据。不少构件，即使使用应力低于弹性极

48、限，使用一段时间不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因后仍然会发生因塑性受形而失效塑性受形而失效或因破断而失效的现象。或因破断而失效的现象。随着金属材料的随着金属材料的使用温度逐步提高使用温度逐步提高，这就使人们进一步，这就使人们进一步认识到认识到材料强度材料强度与与使用期限使用期限之间尚有密切的联系，从而之间尚有密切的联系，从而相继开拓了相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度长时强度研究领域研究领域。蠕变蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显著的一则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显著的一个领域，成为其他几

49、个研究领域的基础。个领域，成为其他几个研究领域的基础。52在一定温度下，金属受持续应力的作用而产在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变金属的蠕变。引起蠕变的这一应力称引起蠕变的这一应力称蠕变应力蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。蠕变断裂。 53n1.蠕变曲线蠕变曲线n在恒定温度下，一个受单向恒定载荷在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压拉或压)作用的试样，作用的试样，其变形其变形与时间与时间t的关系可用典型的蠕

50、变曲线表示，斜率表的关系可用典型的蠕变曲线表示，斜率表示示蠕变速率蠕变速率，曲线可分下列几个阶段：，曲线可分下列几个阶段：n第第I阶段：阶段：减速蠕变阶段减速蠕变阶段(图中图中ab段段)，在加载的瞬间产生，在加载的瞬间产生了的弹性变形了的弹性变形0，以后随加载时间的延续，变形连续进行，以后随加载时间的延续，变形连续进行，但变形速率不断降低；但变形速率不断降低；n第第II阶段：阶段：恒定蠕变阶段恒定蠕变阶段，曲线，曲线bc段，此阶段蠕变变形速段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率；率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率；n第第III阶段：曲线上从阶段：曲线上从

51、c点到点到d点断裂为止，也称点断裂为止，也称加速蠕变加速蠕变阶段阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加，直至最终，随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加，直至最终产生蠕变断裂。产生蠕变断裂。54v2.蠕变机制蠕变机制v蠕变主要形变机理有蠕变主要形变机理有3种：种：v（1）位错蠕变位错蠕变：一般情况，滑移面上的位错运动受阻产：一般情况，滑移面上的位错运动受阻产生塞积，生塞积，滑移受阻滑移受阻，只有在，只有在更大的切应力更大的切应力才能使才能使位错重新位错重新开动增殖开动增殖。高温下高温下，刃型位错刃型位错借助热激活借助热激活攀移攀移到邻近的滑到邻近的滑移面而继续滑移，攀移减小了位错塞积产生的应力集

52、中，移面而继续滑移，攀移减小了位错塞积产生的应力集中，使加工硬化减弱了，回复过程得以进行，当使加工硬化减弱了，回复过程得以进行，当蠕变引起的加蠕变引起的加工硬化速率工硬化速率和和高温回复的软化速率高温回复的软化速率相等时相等时-蠕变第二阶段蠕变第二阶段；v（2）扩散蠕变扩散蠕变：当温度很高和应力很低时，蠕变是靠：当温度很高和应力很低时，蠕变是靠空空位的移动位的移动造成的；造成的；v（3）晶界滑动蠕变晶界滑动蠕变：在高温蠕变条件下，：在高温蠕变条件下，晶界上的原子晶界上的原子易于扩散易于扩散，受力后易于产生，受力后易于产生滑动滑动，故促进蠕变进行。，故促进蠕变进行。555.4.45.4.4 超塑

53、性超塑性n材料在一定条件下进行热变形，可获得延伸率材料在一定条件下进行热变形，可获得延伸率达到达到500%500%2000%2000%的均匀塑性变形，且的均匀塑性变形，且不发生不发生缩颈现象缩颈现象，材料的这种特性，称为，材料的这种特性，称为超塑性。超塑性。 561.产生超塑性的条件：产生超塑性的条件：n材料具有材料具有等轴细小的组织等轴细小的组织，晶粒直径小于，晶粒直径小于10m，而且在超塑性变形过程中晶粒不显著，而且在超塑性变形过程中晶粒不显著长大；长大；n超塑性超塑性变形温度范围在变形温度范围在(0.50.65)Tm范围内范围内进行。进行。n低应变速率低应变速率，一般在，一般在10-21

54、0-4s-1范围内，以范围内，以保证晶界扩散过程顺利进行。保证晶界扩散过程顺利进行。57v2.2.超塑性的特征超塑性的特征v 在高温下，材料的在高温下，材料的流变应力流变应力不仅是不仅是应变应变和和温度温度T T的的函数，而且对函数，而且对应变速率应变速率也很敏感。存在以下关系：也很敏感。存在以下关系：v ( (，T)=KT)=Km mv K K为常数，为常数，m m为应变速率敏感指数，金属要具备超为应变速率敏感指数，金属要具备超塑性，塑性，m m一般在一般在0.30.3以上；以上；v 晶粒越细，晶粒越细，m m值越大，在超塑性材料中获得值越大，在超塑性材料中获得微晶微晶是是关键。关键。58n

55、3.超塑性的本质超塑性的本质 关于超塑性的本质，多数观点认为系由关于超塑性的本质，多数观点认为系由晶界转动晶界转动与与晶晶粒转动粒转动所致。如下图所示：所致。如下图所示：59超塑性组织结构变化具有以下特征超塑性组织结构变化具有以下特征：（1 1）超塑性变形时，）超塑性变形时，没有晶内滑移没有晶内滑移也也没有位错密度增高没有位错密度增高；（2 2）由于超塑性变形在高温下长时间进行，因此）由于超塑性变形在高温下长时间进行，因此晶粒会晶粒会长大长大；（3 3）尽管变形量很大，但）尽管变形量很大，但晶粒形状始终保持等轴晶粒形状始终保持等轴；（4 4）原来两相呈）原来两相呈带状分布的合金带状分布的合金，超塑性变形后变为，超塑性变形后变为均均匀分布匀分布；（5 5）利用冷变形和再结晶方法制取）利用冷变形和再结晶方法制取超细晶粒合金超细晶粒合金，如果，如果合金有合金有织构织构，则在，则在超塑性变形后消失超塑性变形后消失。604. 超塑性的应用超塑性的应用高变形能力的应用高变形能力的应用q超塑成形工艺按成形介质可分为气压成形、液压成超塑成形工艺按成形介质可分为气压成形、液压成形、无模成形、无模拉拔。在航