材料的形变和再结晶PPT课件

1、1冷轧冷轧热轧热轧高能高能不稳定不稳定温度高温度高回复回复第1页/共162页2内容预报 为什么要学！？与什么有关？ 材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用 材料受力要发生变形：弹性变形、塑性变形、断裂 本章主要研究材料的变形规律及其微观机制。 研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律。 第2页/共162页3本章章节结构5.1弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形 第3页/共162页4本章学习重点与难点1.弹性变形的特点和胡克定律2.弹性的不完整性和粘弹性3.塑性变形中：滑移

2、与孪生的异同点4.滑移的临界分切应力5.滑移的位移机制6.多晶体塑性变形的特点7.细晶强化与Hall-Petch公式8.屈服现象与应变时效9.弥散强化10.加工硬化11. 形变织构与残余应力12. 回复动力学与回复机制13. 再结晶形核机制及再结晶动力学14. 再结晶温度及其影响因素15. 影响再结晶晶粒大小的因素16. 晶粒的正常长大及其影响因素17. 一次与二次再结晶，以及静态与动态再结晶的区别18. 无机非金属材料塑性变形的特点19. 高聚物塑性变形的特点第4页/共162页5材料试验机示意图拉伸材料试验机示意图拉伸位移位移载荷载荷第5页/共162页6eb弹性极限弹性极限eb抗拉强度抗拉强

3、度s屈服强度，会产生屈服强度，会产生0.2%永久永久变形变形s第6页/共162页75.1弹性和粘弹性 弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质 线性（符合胡克定律）和非线性第7页/共162页8 弹性的本质（原子、离子间的相互作用力） 平衡位置r0，系统的能量最低 受外力偏离平衡位置，有变形，产生引力或斥力，能量升高 当外力消失，原子将恢复到平衡位置，变形完全消失，能量下降Err0斥斥力力引引力力第8页/共162页9弹性变形的特征和弹性模量 特征：（1）理想的弹性变形是可逆的。 （2）实际材料，在弹性变形范围内，服从胡克定律：0.32,(,1)EE GGEG 式中：分别为正应力和切应力；分别为正应变

4、和在正应力下：在切应力下：其切应中 为泊变；分别为弹性模量和切变模松比，金属材料的量；第9页/共162页10 广义的胡克定律：晶体的各向异性，各个方向的弹性模量不相同111213141516212223242526313233343536414243444546515253545556616263646566xxyyzzxyxyxzxzyzyzCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC36ijC式中， 个为弹性系数，或称刚度系数刚度矩阵刚度矩阵第10页/共162页111112131415162122232425263132333435364142434445465

5、15253545556616263646566xxyyzzxyxyxzxzyzyzSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS36ijS式中， 个为柔度系数。柔度矩阵柔度矩阵第11页/共162页12 对于均质各向异性弹性体，最一般的情况，弹性系数有36个，其中21个是独立的：Cij=Cji， Sij=Sji 而晶体也存在对称性，所以在某几个方向上原子排列是相同的，所以系数将会进一步减少。立方晶系，有3个独立弹性系数；六方晶系，有5个独立弹性系数；正交晶系，有9个独立弹性系数；第12页/共162页133121123321212313231234455661000100

6、01000100000100000100000 xxxxyyyyzzzzyzyzzxzxxyxyEEEEEEEEEGGG对于均质对于均质正交正交异性弹性体，最一般的情况，异性弹性体，最一般的情况，弹性系数有弹性系数有1212个，其中个，其中9 9个是独立的。个是独立的。第13页/共162页14 体弹性模量K（压缩模量）应力与体积变化率之比。 对模量的讨论： 弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程度，也表征了原子间的相互作用。 对于晶体来说，也反应了不同方向原子（离子）排列的紧密程度。（见表5.2） 材料特别是复合材料由于组织结构的各同异性也会导致不同方向模量的不同3(1 2 )EKv第14页/

7、共162页15弹性的不完整性 理想的弹性体： 理想的弹性体是不存在的，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不完整性。 包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。 E第15页/共162页161、包申格效应 预先加载产生少量塑性变形（小于4）而后再同向加载则e升高，但反向加载则e下降。 第16页/共162页172、弹性后效 在加载或卸载时，的弛豫过程现象。在弹性极限e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性 应力应变时间aba0an0c第17页/共162页183、弹性滞后 应变落后于应力，-曲线上加载线与卸载线形成一封闭回线 表明加载时消耗于材料的

8、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。 功功第18页/共162页19粘弹性 粘弹性：一些非晶或多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出粘性和弹性。 所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。 ddt其中 反映了流体流动的难易程度，Pa.s第19页/共162页20 粘弹性是高分子材料的重要力学状态 主链的内旋转，沿外力方向伸展； 分子链之间发生相对滑移，产生粘性变形。 粘弹性的特点： 应变落后于应力。应力-应变回线，存在内耗Maxwell适用于应力松弛适用于应力松弛

9、Voigt蠕变回复、弹性后效和弹性记忆蠕变回复、弹性后效和弹性记忆第20页/共162页215.2、晶体的塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系所以，从单晶体的塑性变形谈起所以，从单晶体的塑性变形谈起第21页/共162页22单晶体的塑性变形 常温及低温下，塑性变形方式：滑移，孪生，扭折。 高温下的形变的方式：扩散等1、滑移 当应力达到一定的大小时，晶体中一定方向的层片之间就会产生的相对滑移，大量的层片间滑动的累积，就成为宏观塑性变形。第22页/共162页23单

10、晶锌变形后产生的滑移带第23页/共162页24滑移线与滑移带 第24页/共162页25滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已 第25页/共162页26滑移系塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。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系。不同的晶体结构，其滑移面和滑移方向也不同。同一晶体结构，也会有不同的滑移面和滑移方向。第26页/共162页27思考一下：滑移面及滑移方向上的原子排布密度上有什么特征？面与面之间的结合力密排面和密排方向第27页/共162页28面心立方晶体中

11、的滑移111滑移面滑移面滑移方向滑移方向第28页/共162页29体心立方晶体中110滑移面滑移面112滑移面滑移面123滑移面滑移面滑移方向滑移方向第29页/共162页30 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。 原子密度大面间距大点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移； 至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错b最小。 体心立方滑移面有三组，原因是没有特别突出的密排面。 六方密排，滑移方向一般为，而滑移面除0001之外还与其轴比(c/a)有关，当c/a1.633时，密排面可能为1011或1010等晶面第30页/共162页31 在其他条件相

12、同时，晶体中的滑移系愈多，取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。 面心立方晶体的滑移系共有11143=12 体心立方晶体，滑移系共有11062+112121+123241=48 密堆六方晶体的滑移系仅有(0001)1 3=3 由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如fcc或bcc的好。第31页/共162页32思考题 今有纯Ti，Al二种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序？已知：Ti熔点为1672 ，在883以下为密排六方，在883 以上为面心立方；Al的熔点为660 ，面心立方。第32页/共162页33外加应力两个角度第33页/共162页34位错的滑移是实现塑性变形的一种方式位

13、错的滑移是实现塑性变形的一种方式第34页/共162页35晶体什么时候开始屈服(开始有塑性形变)？ 有滑移系开动!这么多滑移系到底是哪个滑移？ 看哪个先达到其临界分切应力 此时的应该称为屈服强度第35页/共162页36000 coscos cos/cos FAFFAA宏观的正应力 外力在滑移面上沿滑移方面上的分切应力外力方向、外力方向、法线、法线、滑移方向滑移方向不一定共面不一定共面第36页/共162页370cos cosFAcos cos ：取向因子或施密特因子：取向因子或施密特因子 因子大：软取向因子大：软取向 因子小：硬取向因子小：硬取向当 =90时：滑移面平行于外力方向当 =90时：滑移

14、面垂直于外力方向不滑移不滑移当外力方向、法线、滑移方向共面当外力方向、法线、滑移方向共面，且且 + =90, =45时，取向因子最大时，取向因子最大0.5第37页/共162页38滑移的临界分切应力的影响因素真实反映了单晶体的一个物理量大小晶体结构（类型及缺陷）温度变形速度见表见表5.4第38页/共162页39对密排六方的单晶体拉伸 只有一个滑移面(0001)，如果垂直或者平行此面进行拉伸，会不会产生滑移？ 不会 所以对于单晶材料来说，拉伸试样的晶格取向决定了其屈服强度!第39页/共162页401、材料什么时候屈服？ 有一滑移系达到临界分切应力2、取向因子与什么有关系？ 各滑移系(滑移面及滑移方

15、向)与F的位置关系思考思考第40页/共162页41滑移时晶面的转动第41页/共162页42拉伸时旋转机制最大切应力最大切应力 滑移 旋转旋转效果：使滑移方向转至最大切应力方向，从而更容易滑移第42页/共162页43受压时的旋转结果，使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直结果，使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直第43页/共162页44滑移面转动，滑移方向不断改变滑移面上的分切应力也会发生变化。越造近45，越有利于滑移。反之，不利于滑移。第44页/共162页45多系滑移 多个滑移系：在外力增加时，谁先达到临界值，谁先滑移； 滑移过程中各滑移系上的分切应力会不断变化； 一组不能滑移时，另一组滑移系有可能达到

16、临界值； 所以有可能两组或者更多组滑移面上同时进行滑移，或交替进行。第45页/共162页46 交滑移现象：两个或多个滑移面沿着共同的滑移方向同时或者交替滑移。 强化机制：在多系滑移过程中，不同滑移系的位错相互交割，而使位错移动困难，从而起到强化的作用。第46页/共162页47FCC结构中确定滑移系统镜像法则 找到加载方向所在的取向三角形 根据位置确定先开始的滑移系 三角形内部1个滑移系开动 三角形边界2个滑移系开动 110顶点上 4个滑移系开动 111顶点上 6个滑移系开动 001顶点上 8个滑移系开动第47页/共162页48例：例：对一个FCC单晶棒，沿215方向拉伸，请确定哪个滑移系先开动

17、。 首先：画出晶体的(001)标准投影图，然后找到所在的取向三角形101-111-001 按照镜像法则，FCC晶体的滑移面应该是(111)的镜像(111)，滑移方向应该是101的镜像011。所以，滑移系(111) 011先开动。第48页/共162页49Example: Given: BCC crystal having 110 slip system Determine active slip system in response to tensile loading along .123 Solve: Draw a standard projection. Label the loading

18、 direction in standard projection. Determine the active S.S by Reflection Rule.第49页/共162页50 a) locate inside the orientation triangle ( ), single slip.b) locate at the edge of the orientation triangle ( ), double (duplex) slip.c) locate at the corner of the orientation triangle, multiple slip.F1FF2F

19、When the axis of load is in the edge or corner of the orientation triangle, muli-slip occurs.(111)011(111)011(111)101F001111101111011第50页/共162页51滑移的位错机制 滑移不是面与面之间做刚性运动，而是通过位错的移动逐步进行的。 一个位错移动到表面，会产生一个b的滑移，大量的位错移动到表面就会产生宏观的塑性变形。 位错运动是有阻力的，所以滑移的容易与否，与位错滑移的阻力有很大的关系。第51页/共162页52 派-纳(P-N)力 位错滑移要克服点阵周期性阻力2

20、222expexp1111P NGdGWvv bvbdbdvWv在理想的简单立方晶体中使刃位错运动所需的临界分切应力其中： 为滑移面的面间距； 为滑移方向上的原子间距， 为泊松比，而代表位错的宽度与与d和和b之间的关系之间的关系第52页/共162页53 讨论一下P-N力与d和b的关系d大，b小，力小，容易滑移而d大的面，是密排面，d小是密排方向2222expexp111P NGWGdvbvv b这也解释了为什么滑移面是密排面，滑移方向是密排方向第53页/共162页54 位错的运动不是整齐划一地前进，而是有前有后，存在扭折现象。 可以进一步降低滑移所需的应力。第54页/共162页55所有阻碍位错

21、运动的因素，都会导致强化 位错应力场之间的相互作用 位错交割后产生的扭折和割阶 位错运动过程中，与晶界和第二相质点的相互作用第55页/共162页562、孪生 常作为滑移的救星a、孪生变形过程一系列一系列(111)沿沿111按按abcabc堆垛堆垛第56页/共162页57(110)上的原子排布上的原子排布(111)112第57页/共162页58变形与未变形两部分晶体合称为变形与未变形两部分晶体合称为孪晶孪晶切变区与未切变区的分界面为切变区与未切变区的分界面为孪晶界孪晶界发生均匀切变的那组晶面称为发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面孪晶面孪生面的移动方向称为孪生面的移动方向称为孪生方向孪生方向66a是

22、怎么算出来的？均匀切变均匀切变第58页/共162页59b、孪生的特点及与滑移的异同点相同点： 都是在切应力作用下产生的剪切应变过程。 都不改变晶体结构。 都存在临界分切应力。 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平移。第59页/共162页60b、孪生的特点及与滑移的异同点不同点： 对塑性变形的贡献小，但是可以改变位向，因此可以进一步诱发滑移。 孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。 滑移的机制是位错的产生和移动，而孪生是孪生区内的原子沿滑移方向的均匀切变，不全位错参与。 孪生的临界分切应力大。一般，晶体对称度越低，越容易发生孪生。变形温度越低，加载速度赵高，也越容易发生孪生。

23、第60页/共162页61c、孪生的形成 变形孪晶（机械孪晶）呈片状 生长孪晶 退火孪晶横贯整个晶粒，堆垛层错第61页/共162页62变形孪晶 形核和长大 极快爆发（有时有响声）出薄片孪晶需较大的应力，发生在滑移受阻的应力集中区 孪晶界扩展来增宽所需的应力则较小，所以长大速度快第62页/共162页63 六方：滑移系少，容易出现孪生变形 体心立方：在低温，形变速度快，滑移受阻时，也会出现孪生现象。 面心：滑移系较多，形变孪晶很少，较多的是退火孪晶。孪生的变形量虽然少，但是他可以改变滑移系孪生的变形量虽然少，但是他可以改变滑移系的方位，由不利转为有利位置，从而进一步滑的方位，由不利转为有利位置，从而

24、进一步滑移。两者相辅相成，有时交替进行。移。两者相辅相成，有时交替进行。第63页/共162页64d、孪生的位错机制由于孪生变形时，整个孪晶区发生均匀切变，其各层晶面的相对位移是借助一个不全位错（肖克莱不全位错）运动而造成的。 第64页/共162页653、扭折 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局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，使晶体不致断裂。第65页/共162页66与孪晶不同扭折区晶体的取向不对称性。会使滑移系的方位发生变化，从而进一步滑移。第66页/共162页67还会伴随孪晶的出现第67页/共162页6

25、8多晶体的塑性变形1、晶粒取向的影响： 多晶体由很多小单晶组成，晶粒取向各不相同，变形影响因素复杂。 变形时要保持整体的连续性，所以要相互配合。 各晶粒不一定在最有利于滑移的方向进行滑移。第68页/共162页69铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,173倍倍(采自采自C.Brady,美国国家标准局美国国家标准局) 第69页/共162页70第70页/共162页71 一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求 面心、体心多晶体塑性好 密排六方晶体塑性差 ,6V0V55xxyyzzxyyzzxxxyyzz每个小晶体变形有个自由

26、度但变形时，要求总休积不变，所以只剩下 个自由度。但是每个晶粒都有不同的取向，所以他们的变形方向各不相同。这就要求晶体至少能够在 个方向上进行变形。第71页/共162页722、晶界的影响 晶粒取向各不相同，存在晶界 结构特征 两侧，晶粒取向不同，滑移方向和滑移面不一致 滑移很难跨过晶界延续 所以在室温下，晶界对滑移具有阻碍作用晶界变形量小晶界变形量小第72页/共162页73 位错的塞积（交通堵塞） 晶界附近产生塞积群； 对位错源产生一反作用力。阻止新位错的产生； 要继续塑性变形，必须加大应力，使另一取向晶粒中位错源的开始动作； 对多晶体来说，外加应力必须满足大部分晶粒的滑移要求，才能产生宏观的

27、塑性变形。第73页/共162页74 晶界的数量与晶粒大小有直接关系 晶粒尺寸晶界数量 霍尔佩奇公式： 多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径d的关系1200sKdK反映晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度，反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。室温下室温下第74页/共162页75l晶粒细小的材料具有良好的的综合力学性能 具有较高的强度、硬度 良好的塑性和韧性第75页/共162页76 细化晶粒能够提高塑性的原因是： 多晶体内各晶粒变形是不均匀的，其不均匀程度会因晶粒大小的不同而有很大差异。晶粒越细小，这种不均匀程度越小，因为晶粒越小，塞积在晶界的位错群所产生的应力场将很容易影响到相邻晶粒的整

28、个体积，也就容易启动相邻晶粒的位错源而产生协调变形，是变形不均匀程度减小。所以不容易在晶粒中产生应力集中，继而达到塑性提高的效果。 第76页/共162页77高温下（0.5Tm） 扩散快； 晶界的相对滑动。高温蠕变等强温度TE，晶界强度与晶粒本身强度比较第77页/共162页78合金的塑性变形 工程上一般不使用纯金属材料，而是使用合金。为什么？ 和金属类似，但由于合金元素的存在，有新的特点 可分为单相固溶体合金的塑性变形和多相合金的塑性变形 第78页/共162页791、单相固溶体合金的塑性变形 存在溶质原子 固溶强化、明显的屈服点与应变时效。a、固溶强化第79页/共162页80 不同溶质原子所引起

29、的固溶强化效果不同第80页/共162页81影响固溶强化的因素 溶质含量越高，作用越强；效果在低浓度区域明显 与基体相差越大，强化作用越强。 间隙型原子比置换型强化作用大； 间隙原子在体心中的强化效果要强于面心中。但由于间隙固溶度小，所以作用也是有限。 价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。第81页/共162页82b、屈服现象与应变时效吕德斯带吕德斯带形成形成扩展扩展与滑移带区别与滑移带区别多晶粒协作的结果多晶粒协作的结果贯穿截面每个晶粒贯穿截面每个晶粒每个晶粒内部按各自每个晶粒内部按各自的滑移系滑移的滑移系滑移第82页/共162页83屈服点 上屈服点：试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。

30、 下屈服点：屈服阶段的最小应力。 采用下屈服点的理由：上屈服点su波动性很大，对试验条件的变化很敏感；而下屈服点sl再现性较好。第83页/共162页84 为什么会存在这种明显的屈服现象！ Cottrel气团 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气团 如刃位错中，滑移面下有拉应力，间隙原子C，N等或尺寸大的原子会在此处偏聚以消除应力，则位错的能量降低，趋于稳定，即位错被钉扎屈服的物理本质上屈服点：挣脱Cottrel气团，需要较大的应力下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降第84页/共162页85 从位错的运动规律来解释屈服现象0mpmvbv应变速率应变速率可动

31、位错密度可动位错密度运动速度运动速度柏氏矢量柏氏矢量受到的受到的有效应力有效应力作单位速度运动作单位速度运动所需应力所需应力应力敏感指数应力敏感指数 不变不变初始阶段：初始阶段： m小，需要小，需要v大，则大，则 大大开始后：开始后： m大，需要大，需要v小，则小，则 小小第85页/共162页86 应变时效 Cottrell气团第86页/共162页872、多相合金的塑性变形 第二相数量、尺寸、形状和分布 根据尺寸大小分为 聚合型相差不多 弥散型细小第87页/共162页88a、聚合型 若全是塑性相时，塑性取决于两相的体积分数11221122 一级近似：变形先发生在变形先发生在较软的相中较软的相中

32、第88页/共162页89b、弥散分布型 强化作用：弥散相对位错的阻碍作用 弥散相是否可变形？ 不可变形（外加的）阻挡，弯曲阻挡，弯曲反作用反作用2GbGbR粒子愈多，强化作用越明显。减小粒子尺寸或提粒子愈多，强化作用越明显。减小粒子尺寸或提高体积分数都会提高合金强度高体积分数都会提高合金强度第89页/共162页90夹杂物对位错运动的阻碍第90页/共162页91 可变形（沉淀相）位错会切过粒子，强化作用取决于粒子本身的性质，以及与基体的联系，强化机制复杂 打乱规则有序的排列 出现新界面，界面排列不规则，界面能升高 滑移面上，粒子与基体间晶格不同，阻力 比体积（模量不同）不同，产生的应力场与位错相

33、互作用第91页/共162页92塑性变形对材料组织与性能的影响1、显微组织的变化 晶粒内部结构出现大量的滑移带或孪晶带 晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长 当变形量很大时，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。方向即是材料流变伸展的方向。 第92页/共162页93第93页/共162页942、亚结构的变化 塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增殖。 变形度，晶体中的位错密度 胞状胞状亚结构亚结构第94页/共162页953、性能的变化a、加工硬化第95页/共162页96 加工硬化曲线，三阶段 易滑移阶段 线性硬化阶段 抛物线阶段不同晶系单晶不同晶系单晶第96页/共162页97晶

34、粒尺寸多晶与单晶晶粒尺寸多晶与单晶同样伸长率下，多晶体所需拉应力要高？同样伸长率下，多晶体所需拉应力要高？多晶体曲线无第多晶体曲线无第I阶段阶段第97页/共162页98 加工硬化的决定性因素 位错密度：流变应力与位错密度的平方根成线性关系 钉扎作用b、其他性能的变化 物理性能：电阻，热导率 化学性能：自由焓 ，化学活性第98页/共162页994、形变织构 晶面转动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，这一现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构。 丝织构 板织构 取向的程度与材质，变形量，温度，工艺都有关系。用变形金属的极射赤面投影图来描述 由于取向，造成了

35、材料性能的各向异性。第99页/共162页1005、残余应力储存能：外力做的功中一部分储存在材料内部 残余应力：相互牵制，自相平衡状态 根据范围大小，分三种 宏观残余应力：各部分宏观变形不均匀引起占总的储存能很少，约0.1% 微观残余应力：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起。可能引起微裂纹 点阵畸变：占储存能的绝大部分（80-90%）第100页/共162页101由于储存能的存在，使材料的自由焓高，是热力学不稳定的状态所以在某些情况下（加热等）会回复、再结晶。第101页/共162页1025.3、回复和再结晶、冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三个阶段三个阶段第102页/共162页103三个阶段 回

36、复：无畸变晶粒出现之前，亚结构和性能变化阶段 再结晶：从畸变最大的区域开始产生无畸变的晶粒核心，最终取代变形晶粒的过程。 晶粒长大：是指再结晶结束之后晶粒的继续长大第103页/共162页104冷变形38黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片，放大倍数为755803秒 第104页/共162页1055804秒 5808秒 黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片，放大倍数为75第105页/共162页10658015分 70010分 黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片，放大倍数为75第106页/共162页107(1)强度与硬度：强度与硬度：与位错密度有关。与位错密度有关。(2)电阻：电阻：与点缺陷

37、有关。与点缺陷有关。(3)内应力内应力 宏观和微观内应力宏观和微观内应力(4)亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸(5)密度密度与缺陷有关。与缺陷有关。(6)储能的释放储能的释放第107页/共162页108回复 点缺陷密度明显减小电阻减小！ 大部分或者全部的宏观应力消失。再结晶 位错密度明显下降密度升高，强度和硬度下降，电阻率明显减小。 微观应力消失。第108页/共162页109一根冷变形的金属棒，如一根冷变形的金属棒，如果将其一端加热，一端放果将其一端加热，一端放入冰水中，经过一段时间入冰水中，经过一段时间以后，其强度分布曲线？以后，其强度分布曲线？第109页/共162页110回复1、回复动力学00mrmm

38、rRR为屈服强度回复率其中，和为变形后，回复后和完全退火后的屈服强度。第110页/共162页111 回复是一个弛豫过程。 没有孕育期 回复速率从大，逐渐变慢，直到为0 每个T有一个极限值， T 剩余，达到极限所需时间 预变形大，回复速率快；晶粒尺寸小，有利于回复/0Q RTdxcxdttxccc eQ 一级方程表示其中 为保温时间， 为残留分数。为与材料和温度有关的比例常数其中 为激活能第111页/共162页1120/0000lnln1lnxtQ RTQ RTxxdxc edtc texxQtARTtQT 如果以回复到相同程度作比较。则有作图就可以得出激活能实验表明：实验表明：回复的不同时段的

39、回复机制是不同的。回复的不同时段的回复机制是不同的。短时间：空位短时间：空位长时间：自扩散长时间：自扩散第112页/共162页1132、回复机制温度不同，机制也不相同： 低温点缺陷迁移，使点缺陷密度下降。 中温位错滑移，相遇相消 高温刃位错可以攀移：位错墙和多边化结构第113页/共162页114多边化结构过程：多边化结构过程：点阵弯曲点阵弯曲滑移面上有塞积的同号刃滑移面上有塞积的同号刃较高温度，能攀移较高温度，能攀移最终形成亚晶界最终形成亚晶界中高温下的回复，本质上就是位错的滑移和攀移中高温下的回复，本质上就是位错的滑移和攀移亚晶界第114页/共162页115回复的应用：回复的应用：黄铜弹壳，

40、冷冲压后，有残余应力，会发生沿晶开裂。黄铜弹壳，冷冲压后，有残余应力，会发生沿晶开裂。所以要在所以要在260退火回复，以消除应力退火回复，以消除应力第115页/共162页116再结晶 再结晶的驱动力是回复后未被释放的储存能（90） 在实际生产中，通过再结晶退火可消除冷加工的影响冷变形385803秒 5804秒 5808秒 黄铜再结晶的金相照片，放大倍数为75第116页/共162页117 再结晶过程 形核和长大 不是生成新相产生无畸变再结晶晶核产生无畸变再结晶晶核逐渐长大形成等轴晶粒取代全部变形组织第117页/共162页118a、形核高能区域，以多边化形成的亚晶为基础(1)晶界弓出形核(变形度较

41、小的20%)A：变形小，位错密度小，能量低：变形小，位错密度小，能量低B：变形大，位错密度大，能量高：变形大，位错密度大，能量高需要降低系统能量需要降低系统能量A中的某些亚晶通过晶界弓出进入中的某些亚晶通过晶界弓出进入B吞食吞食B中亚晶中亚晶第118页/共162页119 晶界弓出形核的能量分析IIIIII sssdVdAEGdVE dVdAdAGEdV由 到 时，扫过的体积为，面积为，晶界的表面能为 ，单位体积的储存能为假设晶界扫过后，储存能全释放，则由 到 时的自由能变化为：第119页/共162页120121211rrdAdVrr对任一曲面，可以近似定义两个主曲率半径和 ，则有：第120页/

42、共162页121121122sdAdVrrdAdVrGEr 若为一球面，则有随着弓出的进行，随着弓出的进行，r，有一最小值，有一最小值L，则，则 G，有一，有一最大值。最大值。r继续继续， G，此时晶界将自发向前推移。，此时晶界将自发向前推移。02LsGE由，有弓出距离达到弓出距离达到L所需的时所需的时间为再结晶的间为再结晶的孕育期孕育期第121页/共162页122(2)、亚晶形核 大的变形度下发生 ，以多边化亚晶为基础 分为亚晶转动合并机制亚晶迁移机制第122页/共162页123亚晶转动合并机制l变形量大，高层错能的金属。l位错网络向邻近亚晶界转移消失，亚晶转动合并l与相邻亚晶位向差会逐渐转

43、为大角晶界，并且达到临界尺寸后，机制结束。成为稳定的再结晶核心。第123页/共162页124亚晶迁移机制l变形度大，低层错能的金属。变形度大，低层错能的金属。l变形度大，位错密度高，亚晶界能量也高，易于迁变形度大，位错密度高，亚晶界能量也高，易于迁移，清除并吸收扫过区的位错等缺陷。移，清除并吸收扫过区的位错等缺陷。l与相邻亚晶位向差逐渐转为大角晶界，并且达到临与相邻亚晶位向差逐渐转为大角晶界，并且达到临界尺寸后，成为界尺寸后，成为稳定的稳定的再结晶核心。再结晶核心。两种机制的区别两种机制的区别第124页/共162页125为什么变形度增大，再结晶后晶粒会变细？变形程度会产生更多的亚晶作为核心形核

44、，则核心数目，则再结晶后晶粒会变细。第125页/共162页126b、长大由于成核中心超过临界尺寸后晶界总会背离曲率中心，向着畸变区推进；直到再结晶晶粒相碰，变形区消失。第126页/共162页1272、再结晶动力学 再结晶过程的特征：S型，中间快，两头慢，有孕育阶段第127页/共162页128 Johnson-Mehl公式 假定 形核在整个基体体积中随机、均匀发生 形核率为常数，不随时间变化 核心以球形生长，生长速度G是常数 孕育期很小，可以忽略。341 exp3RRtNG t 在恒温下经过 时间后，已经再结晶的体积分数第128页/共162页129 Avrami方程 认为形核率会随时间的增加而衰

45、减，对J-M公式进行了修正1 exp1lglnlglg1KRRBtBKt 第129页/共162页130 从图中可以看出等温温度越高，再结晶速度越快 再结晶是一热激活过程。 等温温度与再结晶速度可用阿累尼乌斯公式表示/Q RTvAe再结晶激活能再结晶激活能第130页/共162页131 再结晶速率和产生某一体积分数R所需时间t成反比/111112.32.3lnlnlglgQ RTvA ettQRRAAttR TTQQ211112QR TTtet第131页/共162页1323、再结晶温度及其影响因素 什么是再结晶温度？ 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以

46、显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50所对应的温度，定为再结晶温度。 工业中通常以经过大变形量（70%）的冷变形金属，经1h退火能完成再结晶(95%)所对应的温度。第132页/共162页133 再结晶温度并不是一个物理常数 随材质而变化 随变形程度、晶粒大小等变化 影响因素 从推动力上去理解a、变形程度 变形，储能，驱动力，T，G T不会总 ，而有一个稳定值（0.35-0.4Tm） 另外一种说法，每一T都有一个临界变形量b、原始晶粒尺寸 尺寸，变形抵抗力，储能， T 尺寸，晶界数量 ，形核区域， T第133页/共162页134c、微量溶质原子 溶质原子越多，T 原因：钉扎晶界和位错

47、不同溶质原子对T的影响程度不同，与原子与位错的相互作用强弱和其扩散系数有关。d、第二相粒子 具有两重性。变形过程中，第二相阻碍位错，引起位错塞积，储能增加，T。再结晶过程中，也会阻碍位错的重排和迁移，从而阻碍再结晶，T 如果粒子大小和间距都大，容易在第二相粒子表面上再结晶，则后一种影响是次要的，T。反之，T第134页/共162页135e、再结晶退火工艺参数 加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数 加热速度，有时间回复，储能，T 加热速度过快，也会导致来不及再结晶，T 退火时间， T ，但不会无限减小。第135页/共162页1364、再结晶后的晶粒大小 再结晶完成后，无畸变晶粒取代了变形晶粒

48、 由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调整再结晶退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸。 根据J-M公式：14GdNNG常数则所有影响 和 的因素，均会影响再结晶后晶粒的大小第136页/共162页137影响因素（共4个）变形度变形量，储能，不会再结晶。变形量较小，局部区域的储能满足形核条件，而形成少量的核心长大，最后晶粒粗大。临界变形度：对应于再结晶后得到特别粗大晶粒临界变形度：对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度。的变形程度。当变形量大于临界变形量之后，变形度愈大，晶当变形量大于临界变形量之后，变形度愈大，晶粒愈细化。粒愈细化。 从能量上和驱动力两方面解释从能量上和驱动力两方面解释第13

49、7页/共162页138右图中：右图中：临界变形度位置临界变形度位置峰左边晶粒长大峰左边晶粒长大 的变化原因的变化原因峰左边晶粒大小的变化原因峰左边晶粒大小的变化原因这是由于变形不均匀，存在体积弹性畸变能，引起某些原这是由于变形不均匀，存在体积弹性畸变能，引起某些原始晶粒晶界迁移、晶粒长大的结果，而不是再结晶形核所引始晶粒晶界迁移、晶粒长大的结果，而不是再结晶形核所引起。起。第138页/共162页139 退火温度的影响退火温度对再结晶后晶粒尺寸的影响比较弱，但对晶粒长大阶段的影响比较明显。第139页/共162页140、晶粒长大 再结晶完成，得到无畸变晶粒。继续加热或保温，晶粒长大。引起性能变化。

50、 晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。 冷变形385808秒 58015分 70010分 第140页/共162页141晶粒长大有两种型式：正常晶体长大：同时长异常晶体长大：少数长正常长大及影响因素个别晶粒：晶界的曲率晶界迁移（方向朝曲率中心）边数大于六的晶粒，晶界基本是凹的，长大。边数大于六的晶粒，晶界基本是凹的，长大。边数小于六的晶粒，晶界基本是凸的，缩小。边数小于六的晶粒，晶界基本是凸的，缩小。与烧结理论一样与烧结理论一样第141页/共162页142 晶界移动的平均速度22bdDvmpmRdtdDdtDR为晶粒平均直径的增大速度。对于大致上均匀的晶粒组织:1dDKDdt2200ttDDK tDDt和分别为起始和 时间时的晶粒平均直径