第八章 变形及断裂

1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第八节第八节 冷变形金属的组织冷变形金属的组织与性能与性能SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY压力加工方法压力加工方法SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、冷变形金属的性能变化一、冷变形金属的性能变化 1. 1. 产生加工硬化产生加工硬化铜丝

2、冷变形时的力学性能变化铜丝冷变形时的力学性能变化有利有利有弊有弊现象现象强度升高，塑韧性降强度升高，塑韧性降低，屈服强度接近抗低，屈服强度接近抗拉强度拉强度强化手段强化手段塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达20003000MPa弹簧钢丝的强化弹簧钢丝的强化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF

3、XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 高锰钢（高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，它的主要强化手段就是加工属于奥氏体钢，它的主要强化手段就是加工硬化。当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产硬化。当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。速提高，从而能够作为耐磨钢使用。高锰钢的加工硬化高锰钢的加工硬化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG U

4、NIVERSITY 2. 2. 产生各向异性产生各向异性有弊：产生不均匀变形，如深冲的冷冲压件形成有弊：产生不均匀变形，如深冲的冷冲压件形成“制制耳耳”冷冲压件的制耳现象冷冲压件的制耳现象利用：如变压器用硅钢片，利用：如变压器用硅钢片， -Fe在在方向最易磁化，方向最易磁化，控制轧制工艺获得控制轧制工艺获得(110) 001 织构（织构（Goss织构）织构）铁单晶沿不同晶向的磁化曲线铁单晶沿不同晶向的磁化曲线SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3. 3. 产生残余应力产生残余应力内应力内

5、应力 指晶体内各部分之间的相互作用指晶体内各部分之间的相互作用 晶体内一部分受拉力，另一部分一定受同样大晶体内一部分受拉力，另一部分一定受同样大小的压应力。因此从小的压应力。因此从整个晶体看整个晶体看，内应力是相内应力是相互平衡的互平衡的，即晶体整体并没有合成应力，即晶体整体并没有合成应力 内应力内应力 是是卸载后卸载后仍然仍然保留保留在晶体内部的应力，在晶体内部的应力，故又叫故又叫残余应力残余应力SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY弯曲变形后金属板中的残余弯曲变形后金属板中的残余应力应力

6、第一类内应力（宏观残余内应力）第一类内应力（宏观残余内应力）塑变中外力做的功塑变中外力做的功热（大部分）热（大部分）储存能（畸变能）储存能（畸变能）宏观内应力宏观内应力 微观残余应力微观残余应力 点阵畸变点阵畸变工件不同部位的宏观工件不同部位的宏观变形不均匀性引起的变形不均匀性引起的应力平衡范围包括整应力平衡范围包括整个工件个工件对应的畸变能不大对应的畸变能不大SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY心部变形大心部变形大摩擦力使表摩擦力使表层变形小层变形小拔丝模具拔丝模具金属材料金属材料拉拔力

7、拉拔力金属拔丝示意图金属拔丝示意图金属拔丝变形后残余应力金属拔丝变形后残余应力 多数情况多数情况下，第一类内应力是下，第一类内应力是有害有害的，它会使零的，它会使零件自发地开裂件自发地开裂SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二类内应力（微观残余内应力）第二类内应力（微观残余内应力）晶粒或亚晶粒之间变形不均匀产生的晶粒或亚晶粒之间变形不均匀产生的作用范围与晶粒尺寸相当作用范围与晶粒尺寸相当内应力有时能达很大的数值，造成显微裂纹，内应力有时能达很大的数值，造成显微裂纹，并导致工件破坏并导致工

8、件破坏晶粒之间塑性变形不均匀晶粒之间塑性变形不均匀SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第三类内应力（点阵畸变）第三类内应力（点阵畸变）塑性变形中形成的空位，间隙原子，位错等引起塑性变形中形成的空位，间隙原子，位错等引起作用范围几十到几百纳米作用范围几十到几百纳米变形金属储存能的变形金属储存能的8090%。这部分能量使。这部分能量使晶体热力学不稳定晶体热力学不稳定变形金属晶粒中位错胞变形金属晶粒中位错胞产生第三类残余应力产生第三类残余应力高应力区高应力区SCHOOL OF MATERIALS

9、 SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY晶体在热力学上不稳定，可造成以下晶体在热力学上不稳定，可造成以下危害危害：（1）内应力可叠加在工作应力上，使零件在使）内应力可叠加在工作应力上，使零件在使用时过早破坏或产生过量塑性变形用时过早破坏或产生过量塑性变形（2）内应力可叠加在加工应力上，使零件在加）内应力可叠加在加工应力上，使零件在加工时开裂工时开裂（3）金属在化学上不稳定，容易被腐蚀，由于）金属在化学上不稳定，容易被腐蚀，由于应力加速的腐蚀称为应力腐蚀应力加速的腐蚀称为应力腐蚀 第一次世界大战中许多黄铜第一次世界大战中许多黄铜弹壳

10、弹壳发生了这种现象就是由于在弹发生了这种现象就是由于在弹壳成型的深冲过程中形成了较大的第一类内应力，然后在战壳成型的深冲过程中形成了较大的第一类内应力，然后在战场上腐蚀性气体的作用下发生了场上腐蚀性气体的作用下发生了应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 4. 4. 改变理化性能改变理化性能如：电导率如：电导率，抗腐蚀性能，抗腐蚀性能通过滚压、喷丸产生残余压应力提高疲劳强度通过滚压、喷丸产生残余压应力提高疲劳强度利用利用SCHOOL OF MATERIALS SCIE

11、NCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY显微组织的变化（和观察的试样截面有关）显微组织的变化（和观察的试样截面有关） 二、冷变形金属的组织变化二、冷变形金属的组织变化 晶粒形状：等轴晶粒晶粒形状：等轴晶粒拉长晶粒拉长晶粒纤维组织纤维组织工业纯铁变形度为工业纯铁变形度为80%的的显微组织显微组织 125Mn13钢强烈冷变形后钢强烈冷变形后的显微组织的显微组织 200SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶

12、粒已难当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现一片如纤维状的条纹以分辨而呈现一片如纤维状的条纹等轴晶等轴晶沿变形方向晶粒拉长沿变形方向晶粒拉长 金属中可变形的夹杂物或第二相，和晶粒一起金属中可变形的夹杂物或第二相，和晶粒一起受力伸展受力伸展 金属中不可变形的，随晶粒呈条带分布金属中不可变形的，随晶粒呈条带分布纤维组织纤维组织SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY点缺陷及位错密度大大提高，点缺陷及位错密度大大提高，106107/cm2增至增至10111012/cm2亚结构的变化（

13、亚结构的变化（TEM）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 位错组态位错组态 位错缠结位错缠结位错胞位错胞变形胞变形胞高层错能金属高层错能金属 倾向于倾向于 位错胞位错胞铜经拉伸铜经拉伸10%的位错分布的位错分布低层错能金属低层错能金属 倾向于倾向于 复杂的位错网络复杂的位错网络不锈钢冷轧不锈钢冷轧2%的位错复杂网络的位错复杂网络随变形量的增加随变形量的增加复杂的位错网络复杂的位错网络SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN J

14、IAOTONG UNIVERSITY 形成形变孪晶形成形变孪晶形成形变织构形成形变织构形变织构形变织构塑性变形中，多晶体中各晶粒的塑性变形中，多晶体中各晶粒的某些位向与变形方向趋于一致，这一现象称为某些位向与变形方向趋于一致，这一现象称为择优取向择优取向，这种组织状态称为，这种组织状态称为形变织构形变织构 拔丝时形成的织构为拔丝时形成的织构为丝织丝织构构，特点是各晶粒中某一，特点是各晶粒中某一晶向大致与拔丝方向平行晶向大致与拔丝方向平行 轧板时形成的织构为轧板时形成的织构为板织构板织构，特点，特点是各晶粒中某一晶面趋于同轧面是各晶粒中某一晶面趋于同轧面平行，某一晶向趋于同轧向平行平行，某一晶向

15、趋于同轧向平行SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY形变织构不能够在显微镜下观察到，但可通过形变织构不能够在显微镜下观察到，但可通过X光衍射检测到光衍射检测到SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY例题例题8-7已知已知黄铜（面心立方）板的轧制织黄铜（

16、面心立方）板的轧制织构为构为，用立方晶系标准投影图说明，用立方晶系标准投影图说明其形成原因其形成原因112110001100001010010011101110011111101111011111011111110112TP各晶粒同时受到两个应力：各晶粒同时受到两个应力：平行于轧向的拉应力；垂平行于轧向的拉应力；垂直于板面的压应力直于板面的压应力在拉应力在拉应力T作用下作用下,各各晶粒的晶粒的 晶向转晶向转到与轧向平行到与轧向平行在压应力在压应力T T作用下作用下, ,各各晶粒的晶粒的 110 110 晶面晶面转到与板面平行转到与板面平行SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE

17、AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第九节第九节 金属的断裂金属的断裂THE FRACTURE OF METALS理论断裂强度理论断裂强度实际断裂强度实际断裂强度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第九节第九节 金属的断裂金属的断裂 一、理论断裂强度一、理论断裂强度c假定假定 材料是完全脆性的材料是完全脆性的原子间结合力随距离变化示意图原子间结合力随距离变化示意图J原子平衡间距为原子平衡间距为 aJ引力与位移的关系引力与位移的关系为正弦函数

18、为正弦函数J理论断裂强度理论断裂强度c应是应是克服克服xm位置时的位置时的最大最大引力引力SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY材料断裂所需能量材料断裂所需能量 = 形成两个新表面的能量形成两个新表面的能量材料的比表面能为材料的比表面能为xc2sin假定力和位移的关系为假定力和位移的关系为可得式可得式22sin20ccdxx则则2cSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY又假定：引力与位移符

19、合胡克定律，且位移很小又假定：引力与位移符合胡克定律，且位移很小xx22sinxxcc22sinaxEE xaxEc2aEc221aEc设：，则设：，则2/0 . 1mJnma3 . 010Ec代入代入=2/ /cSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、实际断裂强度二、实际断裂强度f 1. 1. 实际断裂强度远低于理论断裂强度实际断裂强度远低于理论断裂强度10Ec100Efcf 2. 2. 原因原因结晶中的热应力所致结晶中的热应力所致应力集中所致应力集中所致焊接裂纹焊接裂纹材料中存在微裂

20、纹材料中存在微裂纹烧结裂纹烧结裂纹SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3. 3. Griffith 理论（带裂纹构件的断裂强度）理论（带裂纹构件的断裂强度）假定：材料是完全脆性的（如玻璃）很宽的薄板假定：材料是完全脆性的（如玻璃）很宽的薄板在该薄板两端施加一拉应在该薄板两端施加一拉应力力 后将两端固定后将两端固定. 在在薄薄板中央制造一椭圆形穿透板中央制造一椭圆形穿透型裂纹，其长度为型裂纹，其长度为 2c. 在在该应力下，必定存在一个该应力下，必定存在一个 2c 的临界值的临界值, 使裂

21、纹使裂纹自发自发扩展导致薄板断裂该应扩展导致薄板断裂该应力就是存在临界长度裂纹力就是存在临界长度裂纹时材料的断裂强度时材料的断裂强度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY裂纹扩展的裂纹扩展的驱动力驱动力：裂纹释放的弹性能：裂纹释放的弹性能EUEcUE22ccUS422则，体系能量的变化则，体系能量的变化cEcUUUSE422令令0)(dcUd解得解得212cEfSU裂纹扩展的裂纹扩展的阻力阻力：裂纹的表面能：裂纹的表面能EcUE22SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AN

22、D ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY21aEc比较实际断裂强度与理论断裂强度比较实际断裂强度与理论断裂强度212cEf显然显然ac2故故cf 4. 4. 塑性修正塑性修正对于塑性材料，裂纹扩展的阻力还需要考对于塑性材料，裂纹扩展的阻力还需要考虑虑塑性变形功塑性变形功 . 所以，其断裂强度还需进行所以，其断裂强度还需进行塑性修正塑性修正P21)2(cEPf？+还是还是-SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第十节第十节 冷变形金属的回复冷变形金属的

23、回复冷变形金属加热时的组织和性能变化冷变形金属加热时的组织和性能变化冷变形金属的回复冷变形金属的回复冷变形金属的再结晶冷变形金属的再结晶再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、冷变形金属加热时的组织和性能变化一、冷变形金属加热时的组织和性能变化回复阶段回复阶段再结晶阶段再结晶阶段变化的三个阶段变化的三个阶段再结晶晶粒长大阶段再结晶晶粒长大阶段冷变形后冷变形后 回复回复 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE

24、 AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY冷变形金属加热时组冷变形金属加热时组织和性能变化示意图织和性能变化示意图冷压力加工纯铁的力学性能冷压力加工纯铁的力学性能随加热温度的变化随加热温度的变化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY回回 复复再再 结结 晶晶晶粒长大晶粒长大显微组织显微组织晶粒形状无明显晶粒

25、形状无明显变化（光镜）变化（光镜）通过形核及长大通过形核及长大变成新的等轴晶变成新的等轴晶等轴晶粒进等轴晶粒进一步长大一步长大亚亚 结结 构构点缺陷密度有所点缺陷密度有所降低，位错密度降低，位错密度有所降低且重新有所降低且重新分布形成亚晶分布形成亚晶（电镜）（电镜）位错密度大大降位错密度大大降低低无明显变化无明显变化性性 能能强度略下降，塑强度略下降，塑性略提高，宏观性略提高，宏观内应力基本消除，内应力基本消除，微观应力残存，微观应力残存，电阻率明显降低电阻率明显降低强度大大降低，强度大大降低，塑性大大提高，塑性大大提高，内应力完全消除，内应力完全消除，电阻率降至退火电阻率降至退火态态强度有所

26、降强度有所降低，塑性先低，塑性先升后降升后降再结晶标志再结晶标志 形成大角度晶界的新晶粒（无畸变晶粒）形成大角度晶界的新晶粒（无畸变晶粒）力学性能和物理性能产生急剧变化力学性能和物理性能产生急剧变化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、冷变形金属的回复二、冷变形金属的回复 1. 1. 回复阶段的现象回复阶段的现象 回复回复 指新的指新的无畸变晶粒无畸变晶粒出现之前所产生的出现之前所产生的亚亚结构结构和和性能性能变化的阶段变化的阶段回回 复复 显微组织显微组织晶粒形状无明显变化（光晶粒形

27、状无明显变化（光镜）镜） 亚亚 结结 构构点缺陷密度有所降低，位点缺陷密度有所降低，位错密度有所降低且重新分错密度有所降低且重新分布形成亚晶（电镜）布形成亚晶（电镜） 性性 能能强度略下降，塑性略提高，强度略下降，塑性略提高，宏观内应力基本消除，微宏观内应力基本消除，微观应力残存，电阻率明显观应力残存，电阻率明显降低降低SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3. . 回复机制回复机制1)1) 低温回复低温回复 与点缺陷的迁移有关，因为点缺陷与点缺陷的迁移有关，因为点缺陷运动的热激活能低运动

28、的热激活能低迁移到自由表面或晶界迁移到自由表面或晶界与间隙原子复合与间隙原子复合过量空位消失过量空位消失聚集成片崩塌成位错环聚集成片崩塌成位错环 2. . 回复的驱动力回复的驱动力冷变形储藏能，冷变形储藏能，主要为点阵畸变主要为点阵畸变以过饱和以过饱和点缺陷和位错的形式储藏在金属中点缺陷和位错的形式储藏在金属中点缺陷密度明显下降点缺陷密度明显下降 对点缺陷敏感的电阻率明对点缺陷敏感的电阻率明显下降显下降;力学性能几乎不变力学性能几乎不变复杂，共性的规律很少，易误会复杂，共性的规律很少，易误会SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN

29、JIAOTONG UNIVERSITY2)2) 中温回复中温回复主要涉及异号位错的对消和位错密度的变化，主要涉及异号位错的对消和位错密度的变化，不涉及攀移不涉及攀移同一滑移面异号位错互毁同一滑移面异号位错互毁相邻滑移面异号位错形成空相邻滑移面异号位错形成空位或间隙原子位或间隙原子 位错滑移位错滑移位错重新分布位错重新分布位错密度的变化将对力学性能有所影响位错密度的变化将对力学性能有所影响 回复到什么程度和回复到什么程度和变形量变形量，晶体结构晶体结构，单晶单晶体体还是还是多晶体多晶体等是有关的等是有关的 注意注意SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERI

30、NG OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 单晶单晶Zn、Cd，拉伸至，拉伸至100-200%，室温下保持，室温下保持2424小时，其强小时，其强度极限可全部恢复度极限可全部恢复 密排六方密排六方的单晶体，变形处于第一阶段主要发的单晶体，变形处于第一阶段主要发生沿底面生沿底面单系滑移单系滑移，其回复机制基本是，其回复机制基本是同一滑同一滑移系统上异号位错的对消移系统上异号位错的对消。通过回复，密排六。通过回复，密排六方单晶体的方单晶体的力学性能力学性能可以急剧变化，全部可以急剧变化，全部变为变为变形前状态变形前状态 多晶体多晶体或变形处于或变形处于第二阶段单晶体第二阶段单晶体

31、，涉及多系，涉及多系滑移，形成更为滑移，形成更为稳定的位错缠结稳定的位错缠结等，使得回复等，使得回复过程难以完全，力学性能只能很少恢复过程难以完全，力学性能只能很少恢复SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3)3) 高温回复（高温回复（ ）0.3Tm主要涉及刃位错攀移主要涉及刃位错攀移多边化多边化较大应变能释放较大应变能释放 (a)多边化前 (b)多变化后 同号刃位错同号刃位错在滑移面上塞集在滑移面上塞集，而导致的点阵弯曲的晶体，而导致的点阵弯曲的晶体中，位错通过中，位错通过滑移滑移和和攀移

32、攀移由滑移面的水平排列转变为沿由滑移面的水平排列转变为沿垂直滑移面垂直滑移面的排列，形成位错壁，叫的排列，形成位错壁，叫亚晶界亚晶界。由于一个。由于一个光滑地弯曲着的点阵矢量变成了一个多边形的一部分，光滑地弯曲着的点阵矢量变成了一个多边形的一部分，所以把这个过程叫做所以把这个过程叫做多边化多边化模型模型1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 亚晶界亚晶界把弯曲变形晶体分割成具有低界面曲率把弯曲变形晶体分割成具有低界面曲率、小角位相差的小角位相差的无畸变小晶块无畸变小晶块，称为，称为亚晶亚晶

33、 位错重排形成亚晶界位错重排形成亚晶界被塞集的位错通过攀移重新排列被塞集的位错通过攀移重新排列SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY亚晶的观察亚晶的观察X射线衍射射线衍射变形使晶面弯曲，斑点拉长变形使晶面弯曲，斑点拉长 多边化后斑点分裂成几个多边化后斑点分裂成几个SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY金相显微镜金相显微镜区域提纯铁的多边化的组织区域提纯铁的多边化的组织金相腐蚀坑显示位错露头

34、金相腐蚀坑显示位错露头SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY位错胞和亚晶的区别位错胞和亚晶的区别 位错胞位错胞 位错的紊乱缠结，位错的紊乱缠结，界面宽而模糊不规则界面宽而模糊不规则亚晶亚晶 亚晶界很窄，平直亚晶界很窄，平直流变应力尺寸流变应力尺寸2/1 d1 d与与Hall-Petch关系式一致关系式一致与与Hall-Petch关系式不一致关系式不一致SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY

35、 位错胞内位错可通过位错胞内位错可通过螺位错螺位错的的交交滑移和滑移和刃位错刃位错的的攀移攀移，引起位错重新分布和部分消失以及位，引起位错重新分布和部分消失以及位错壁的平直化，形成高曲率，平直的亚晶界错壁的平直化，形成高曲率，平直的亚晶界模型模型2SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY冷变形铁高温回复时通过位错反应形成亚晶冷变形铁高温回复时通过位错反应形成亚晶冷变形铁可通过如下位错反应形成亚晶冷变形铁可通过如下位错反应形成亚晶100111 2111121位错反应形成亚晶位错反应形成亚晶模型模

36、型3SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 完全退火态后屈服强度完全退火态后屈服强度0 加工硬化后屈服强度加工硬化后屈服强度m 回复退火后屈服强度回复退火后屈服强度 4. 4. 回复动力学回复动力学经拉伸变形的纯铁在不经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时，屈服同温度下加热时，屈服强度的回复动力学强度的回复动力学残留硬化定义为残留硬化定义为1-R0mmR 给出冷变形金属在回复过程中性能恢复的速率，为生给出冷变形金属在回复过程中性能恢复的速率，为生产实践中控制回复过程提供依据产实践中控制回复过程提

37、供依据001mRR为回复的部分为回复的部分1-RSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1-R温度温度 回复程度越大，残留回复程度越大，残留硬化越小，回复速率硬化越小，回复速率越快越快在一定温度下在一定温度下回复速度回复速度先快先快后慢后慢趋于零趋于零回复过程的特点回复过程的特点没有孕育期没有孕育期预变形量愈大，起预变形量愈大，起始回复速率越快始回复速率越快SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSI

38、TY 考察某个考察某个对结构敏感对结构敏感的的性质性质在在不同温度不同温度下的回复过程中下的回复过程中随时间的随时间的变化变化情况，可间接地推测回复过程的机理情况，可间接地推测回复过程的机理 冷变形和回复时的冷变形和回复时的性能性能变化是和金属晶体中变化是和金属晶体中缺陷缺陷密密度的变化直接相关的度的变化直接相关的假设金属经假设金属经过冷变形后过冷变形后，P为我们感兴趣的某为我们感兴趣的某物理性能物理性能P=P0+PdP0 变形前的部分变形前的部分Pd变形后的增量变形后的增量假设假设Pd与某种结构与某种结构缺陷的体积浓度缺陷的体积浓度Cd（如空位浓度）成正比（如空位浓度）成正比P=P0+BCd

39、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 在某在某一温度一温度下，形变金属发生下，形变金属发生回复回复，结构缺陷发生变，结构缺陷发生变化，化，P也将随之也将随之变化变化dtdCBdtPPdd0 回复时回复时缺陷的衰减速率缺陷的衰减速率是是缺陷密度缺陷密度和和缺陷迁移速率缺陷迁移速率的的函数，而回复时缺陷的运动是函数，而回复时缺陷的运动是热激活过程热激活过程按化学动力学处理按化学动力学处理RTQddeKCdtdC/Q缺陷消失过程的激活能缺陷消失过程的激活能 K 常数常数 T 绝对温度绝对温度kT

40、RdeCKBdtPPd/0)(P=P0+BCdSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYdtKePPPPdRTQ/00tKeCPPRTQ/0lndtKePPPPdRTQ/00把上式积分把上式积分C积分常数积分常数在一定温度下，回复时在一定温度下，回复时性能衰减服从指数规律性能衰减服从指数规律 分析回复时的动力学数据，有时可求得引起回复的缺陷分析回复时的动力学数据，有时可求得引起回复的缺陷运动的激活能运动的激活能把把写成一般解的形式写成一般解的形式tKePPfRTQ/0)(tKefRTQ/0)(取

41、取P为强度为强度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY试验条件一定试验条件一定时，残留硬化分数中时，残留硬化分数中001mR0mtKefRTQ/0)(为常数为常数可改写为可改写为tKeRfRTQ/)1 (1-R如取如取1-R为常数，即可在右图上作水平线，为常数，即可在右图上作水平线，f=(1-R)则为常数则为常数两边边取对数两边边取对数RTQCtlnC为常数为常数将将lnt-1/T作图，可求的作图，可求的QSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING

42、 OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 实验结果举例实验结果举例J在回复时，在回复时，lntT呈呈线性线性关系，表明此过程的激活能只有一个，即关系，表明此过程的激活能只有一个，即在回复时在回复时只涉及一类缺陷的一种形式只涉及一类缺陷的一种形式的运动的运动JQ值与锌值与锌自扩散的激活能相近自扩散的激活能相近。已知自扩散激活能为空位形成激。已知自扩散激活能为空位形成激活能与空位移动激活能之和活能与空位移动激活能之和在回复时既发生空位的形成又发生在回复时既发生空位的形成又发生了空位的移动，因此了空位的移动，因此人们相信人们相信回复过程与位错攀移有关回复过程与位错攀移有关单晶体单晶体

43、Zn经纯剪切后经纯剪切后Fe的实验结果的实验结果 短时间的回复短时间的回复(前期回复前期回复)，其，其Q值接近值接近空位移动的激活能空位移动的激活能，长时，长时间回复间回复(回复后期回复后期)，其，其Q值接近铁的值接近铁的自扩散激活能自扩散激活能，此结果反映，此结果反映回复前期的机理不同于回复后期的机理，前者以回复前期的机理不同于回复后期的机理，前者以空位的移动空位的移动为主，为主，后者则以位错后者则以位错攀移攀移为主为主SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 5. . 回复的应用回复的应用

44、主要用于主要用于去应力退火去应力退火保留加工硬化而降低内应力，保留加工硬化而降低内应力，防止变形和开裂防止变形和开裂深冲黄铜弹壳深冲黄铜弹壳现象现象 放置一段时间，残余应力放置一段时间，残余应力+外界腐蚀性气氛外界腐蚀性气氛应力腐蚀等。应力腐蚀等。“季裂季裂”措施措施 冷冲后，冷冲后， 260退火以消除残余应力退火以消除残余应力SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第十节第十节 冷变形金属的再结晶冷变形金属的再结晶再结晶标志再结晶标志 形成大角度晶界的新晶粒（无畸变晶粒）形成大角度晶界的新晶

45、粒（无畸变晶粒）力学性能和物理性能产生急剧变化力学性能和物理性能产生急剧变化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、冷变形金属的再结晶过程一、冷变形金属的再结晶过程 1. 1. 再结晶过程的特征再结晶过程的特征组织发生变化组织发生变化由冷变形的由冷变形的伸长伸长晶粒晶粒新的新的等等轴晶粒轴晶粒力学性能发生急剧变化力学性能发生急剧变化强度、硬度急剧降低，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前状态塑性提高，恢复至变形前状态变形储能全部释放变形储能全部释放 空位和位错密度空位和位错密度 2

46、. 2. 再结晶过程的驱动力再结晶过程的驱动力经回复后未被释放的储存能（相当于总储能的经回复后未被释放的储存能（相当于总储能的90%）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1. 1. 再结晶过程机制再结晶过程机制 新晶粒的形成释放了冷加工遗留下来的储存能。新晶粒的形成释放了冷加工遗留下来的储存能。当新晶粒完全替换了形变后的晶粒时，再结晶当新晶粒完全替换了形变后的晶粒时，再结晶阶段就结束了阶段就结束了再结晶形核长大二、冷变形金属的再结晶的形核、冷变形金属的再结晶的形核SCHOOL OF MAT

47、ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY（a a）黄铜冷加工变形量达）黄铜冷加工变形量达到到3838后的组织，可见晶粒后的组织，可见晶粒内的滑移线内的滑移线(b)(b)经过经过580580C C保温保温3 3秒后，试样秒后，试样上开始出现黑色小颗粒，即上开始出现黑色小颗粒，即再结晶出的新的晶粒再结晶出的新的晶粒黄铜的再结晶过程黄铜的再结晶过程SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY（c）580C保温保温4秒后的金秒后的

48、金相组织显示有更多新的相组织显示有更多新的晶粒出现晶粒出现（d）580C保温保温8秒后的金相组秒后的金相组织粗大的带有滑移线的晶粒织粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶粒所取已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶代，即完成了再结晶SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY（e e）580580C C保温保温1515分后的金相组织分后的金相组织: :晶粒已有所长大晶粒已有所长大 （f f）700700C C保温保温1010分后晶粒长大分后晶粒长大的的金相组织的的金相组织: :晶粒长大晶粒长

49、大SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2. . 再结晶的形核再结晶的形核J 晶核与基体的成分、结构相同，故再结晶不晶核与基体的成分、结构相同，故再结晶不p 是相变过程是相变过程J与基体相比，晶核中位错密度大大降低与基体相比，晶核中位错密度大大降低J形核于畸变能较大的位置，如晶界、相界、形核于畸变能较大的位置，如晶界、相界、 孪晶界、亚晶界等处孪晶界、亚晶界等处SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVE

50、RSITY(a)(b)再结晶形核再结晶形核 （a）工业纯铁的再结晶核心优先形成于晶界）工业纯铁的再结晶核心优先形成于晶界（b）低碳钢的再结晶核心优先形成于）低碳钢的再结晶核心优先形成于MnO夹杂物夹杂物SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY具有亚晶组织的晶界凸出形核示意图具有亚晶组织的晶界凸出形核示意图 再结晶晶核是现存于局部高能量区内的，以再结晶晶核是现存于局部高能量区内的，以多边化的亚晶为基础形核多边化的亚晶为基础形核形核机制形核机制1晶界凸晶界凸(弓）出形核弓）出形核 当当变形度较小变

51、形度较小时，变形时，变形不均，不均，A A晶粒位错密度低，晶粒位错密度低，多变化后亚晶尺寸大，多变化后亚晶尺寸大，为降低系统自由能，一为降低系统自由能，一定温度下，定温度下，A A中的某些亚中的某些亚晶将开始通过晶界弓入晶将开始通过晶界弓入B B，吞食吞食B B中亚晶，开始形成中亚晶，开始形成无畸变的再结晶晶核无畸变的再结晶晶核SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY形核机制形核机制2亚晶形核亚晶形核 在在大变形度大变形度下发生，晶体中形成位错胞，加热时发生胞壁平直下发生，晶体中形成位错胞，加

52、热时发生胞壁平直化，形成亚晶，借助亚晶成为再结晶的核心化，形成亚晶，借助亚晶成为再结晶的核心亚晶迁移机制亚晶迁移机制 对于对于冷变形量大冷变形量大的的低层错能低层错能金属，由于位错难于攀移和交金属，由于位错难于攀移和交叉滑移，冷形变后位借胞壁上的位错密度较高，同时相邻叉滑移，冷形变后位借胞壁上的位错密度较高，同时相邻胞间的位向差也较大，因此在再结晶时很容易转变为大角胞间的位向差也较大，因此在再结晶时很容易转变为大角晶界，并向外迁移成为晶核晶界，并向外迁移成为晶核形变造成大位相形变造成大位相差的的界面差的的界面界面迁移界面迁移再结晶形核再结晶形核SCHOOL OF MATERIALS SCIEN

53、CE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY亚晶合并机制亚晶合并机制AABC间位向差很小间位向差很小A和和B合并合并ABC合并，大位向合并，大位向差差的界面迁移的界面迁移 对于对于冷变形量大冷变形量大的的高层错能高层错能金属，亚晶粒可通过亚晶界的消失而金属，亚晶粒可通过亚晶界的消失而聚集，亚晶界消失的原因还不清楚，这时亚晶粒之间的位向差逐聚集，亚晶界消失的原因还不清楚，这时亚晶粒之间的位向差逐渐增大直到聚集后的亚晶界可以开始迁移为止。这个聚集后的亚渐增大直到聚集后的亚晶界可以开始迁移为止。这个聚集后的亚晶粒就是再结晶的晶核晶粒就是再结晶的晶核SC

54、HOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY二、再结晶的动力学、再结晶的动力学 再结晶的再结晶的动力学动力学描述在描述在等温等温下下再结晶体积分数再结晶体积分数和等温和等温时间时间的关系的关系 方法方法 用用金相法金相法测定测定 再结晶体积分数再结晶体积分数时间时间再结晶动力学曲线再结晶动力学曲线呈呈“S”形形100000纯铁经某一变形量后在不同温度再纯铁经某一变形量后在不同温度再结晶的体积分数与时间的关系曲线结晶的体积分数与时间的关系曲线SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND

55、 ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 有孕育期有孕育期 速率起初速率起初p 随时间增随时间增p 加加, 50%p 时达极大时达极大p 值值, 之后之后p 逐渐减小逐渐减小 温度升高温度升高p 曲线左移曲线左移, , 转变加快转变加快100000纯铁经某一变形量后在不同温度再纯铁经某一变形量后在不同温度再结晶的体积分数与时间的关系曲线结晶的体积分数与时间的关系曲线SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY在在给定给定的再结晶的再结晶温度温度下下, 再结晶

56、体积分数再结晶体积分数 x 与与时间的关系如下：时间的关系如下：)exp(1KBtxB 和和 K 为常数。对块状材料，为常数。对块状材料，K 在在34之间；对之间；对薄板，薄板，K 在在23之间；对丝材，之间；对丝材，K 在在12之间之间取双对数，则有取双对数，则有BtKxlglg11lnlg直线的斜率即为直线的斜率即为 K 值值, 直线的截距为直线的截距为lgB阿弗拉米提出，再结晶的动力学曲线可用以下方程表示阿弗拉米提出，再结晶的动力学曲线可用以下方程表示txlg11lnlg作作图图SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIA

57、OTONG UNIVERSITY98%冷轧纯铜在不同温度等温再结晶的冷轧纯铜在不同温度等温再结晶的txlg11lnlg图图时间/minx11lnlg 图中大多数关系呈图中大多数关系呈线性线性特征，说明用特征，说明用Avrami方程方程描述描述等温时等温时的再结晶体积分数是符合实际情况的的再结晶体积分数是符合实际情况的SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYRTQeAt/1Q 再结晶激活能再结晶激活能Tt1ln 作作 图，可测得图，可测得 Q 值值 等温温度对再结晶速率等温温度对再结晶速率v的影

58、响可用阿累尼乌斯公式表示的影响可用阿累尼乌斯公式表示再结晶速率再结晶速率v和产生某一和产生某一 体积分数体积分数x所需的时间所需的时间t成反比成反比RTQAev/tv1故此故此TRQAt1ln1ln作图时通常取再结晶体积分数作图时通常取再结晶体积分数 x为为50%时作为比较标准时作为比较标准 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY在两个不同的恒定温度下产生同样程度的再结晶时在两个不同的恒定温度下产生同样程度的再结晶时)11(2112TTRQett举例举例 H70黄铜的再结晶激活能为黄铜的再结

59、晶激活能为251kJ/mol, , 它在它在400的恒温下完成再结晶需要的恒温下完成再结晶需要1h, ,在在390 的的恒温下需要恒温下需要1.97小时小时SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 三三. . 影响再结晶的因素影响再结晶的因素1. . 再结晶温度和影响因素再结晶温度和影响因素再结晶温度再结晶温度冷变形金属能够发生再结晶的最低温冷变形金属能够发生再结晶的最低温度（为了便于比较不同材料再结晶的难易程度）度（为了便于比较不同材料再结晶的难易程度） 金相法金相法显微镜中出现第一颗新晶粒

60、时的温度显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度硬度法硬度法 硬度下降硬度下降50%时所对应的温度时所对应的温度生产中生产中 通常以经过大变形量（通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形以上）的冷变形金属，经金属，经1h退火能完成再结晶（退火能完成再结晶（x95%)所对所对应的温度应的温度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1)1) 变形程度的影响变形程度的影响 铁和铝的开始再结晶温度和预先冷变形程度的关系电解铁铝（99%）变形程度变形程度， 储能储能， 再结晶驱动力再结晶驱动力再结晶温度再结晶温