第5章材料的形变和再结晶4

1、1第第5章章 材料的形变与再结晶材料的形变与再结晶12 2在外力作用下材料会发生弹性变形、塑性变形或断裂。3 35.1.1 弹性变形的本质弹性变形的本质 弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。 晶体内原子间的结合力是原子间距的函数，当原子处于平衡位置时，势能最低，原子间相互作用力为零。当原子受力后偏离平衡位置，原子间距增大将产生引力，原子间距减小将产生斥力。外力去除后，原子就会恢复其原来的平衡位置，使变形消失，这就是弹性变形的本质。5.1 5.1 弹性和黏弹性弹性和黏弹性4 45.1.2 弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的主要特征：（1）理想的弹性变形是可逆变

2、形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状；（2）晶体发生弹性变形时，应力和应变成线性关系，服从胡克定律： 在正应力下： 在切应力下： 弹性模量和切变模量的关系： （3）材料的最大弹性变形量随材料不同而异。)1( 2,EGGE5 5弹性模量的物理意义：表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，表示使原子离开平衡位置的难易程度。弹性模量是对组织结构不敏感的参数，只取决于材料的本性。对晶体材料而言，弹性模量是各向异性的。但多晶体材料因晶粒任意取向，总体呈各向同性。工程上，弹性模量是材料刚度的度量。外力相同时，弹性模量越大，刚度越大，材料发生的弹性变形量就越小。6 65.1.3 弹性的不完整性弹性的不完整性

3、1、包申格效应、包申格效应l 材料经预先加载产生少量塑性变形，而后同向加载则弹性极限升高，反向加载则弹性极限下降的现象。2、弹性后效（滞弹性）、弹性后效（滞弹性） l 在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象。 7 73、弹性滞后、弹性滞后l 由于应变落后于应力，在应力应变曲线上使加载线和卸载线不重合，形成一封闭回线，称之为弹性滞后。l 回线所包围的面积是应力循环一周所消耗的能量，称为内耗。8 85.1.4 黏弹性黏弹性l 黏性流动：黏性流动：指非晶态固体和液体在很小外力作用下，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。l 有些材料在比较小的应力时，可以同时表现

4、出弹性和黏性，即具有黏弹性黏弹性。l 黏弹性变形既与时间有关，又具有可回复的弹性变形性质。其特点是应变落后于应力。 9 95.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 在常温和低温下，单晶体的塑性变形塑性变形主要通过滑移滑移方式进行。此外还有孪生孪生和扭折扭折等方式。1、滑移、滑移l 将经抛光的金属试样进行适当的塑性变形，在抛光表面出现许多明显的滑移变形的痕迹，称为滑移带滑移带。l 在电子显微镜下观察，每条滑移带均是由许多相互平行的线组成的，称为滑移线滑移线。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形1010l 一个滑移面和此面上的一个滑移方

5、向合起来叫做一个滑滑移系移系。l 在其他条件相同时，晶体的滑移系越多，其塑性越好。l 晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定的临界值时，该滑移系方可首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力临界分切应力。l 滑移开始的条件为：滑移方向与外力的夹角-角滑移面法线与外力的夹coscossc1111单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，常伴随着晶面的转动转动，滑移面逐渐趋于与轴向平行。具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系中进行，这便是单滑移单滑移。若两组或几组滑移系处在同等有利位向，在滑移时同时开动，或由于滑移

6、过程中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移，这叫多系滑移多系滑移。晶体的滑移是靠位错的运动来实现的。晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生。位错运动需要克服的阻力叫派派-纳力纳力。12122、孪生、孪生l 孪生是发生在晶体内部的均匀切变过程，总是沿晶体的一定晶面（孪晶面）和一定方向（孪生方向）发生，变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成镜面对称的位向关系。l 孪生的特点：孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多；孪生是一种均匀切变；孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。1313l 晶体中形成孪晶的方式有三种： 变形孪晶；生长孪晶；退火孪晶。l 与滑移相比孪生对塑性变形的直接贡献较

7、小。但孪生改变了晶体位向，使某些原来处于不利的滑移系转换到有利于发生滑移的位置，从而激发进一步的滑移和晶体变形。14143、扭折、扭折l 对于那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，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。变形区域称为扭折带。l 扭折变形使扭折区晶体的取向发生了不对称性变化。l 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。l 扭折能使晶体再取向，从而促进晶体产生进一步滑移。15155.2.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形l 多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间协调的。l 在室温下，晶界对位错的滑移具有阻碍效应。因此多晶体

8、的强度随其晶粒细化而提高晶界强化晶界强化。l 多晶体的屈服强度与晶粒直径的关系可用霍尔-佩奇公式表示：l 当变形温度高于0.5Tm以上时，晶界具有一定的黏滞性，对变形的阻力减小，随着时间的延长，晶粒沿晶界会发生相对滑动。210Kds16165.2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形l 固溶强化：固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力随之提高，产生固溶强化的效果。 l 屈服现象屈服现象：在低碳钢的应力应变曲线上出现应力平台区，开始屈服与下降时所对应的应力值分别为上、下屈服点。l 屈服现象的本质屈服现象的本质：晶体中溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用，而聚集在位错形成柯氏气

9、团，对位错起到钉扎作用。位错要运动必须挣脱柯氏气团的钉扎，这就是上屈服点；而一旦挣脱之后，位错的运动就比较容易，应力减小，出现下屈服点和水平台。17171818l 应变时效应变时效：如果将预变形试样在常温下放置几天，或经200左右短时加热后在拉伸，则又出现屈服现象，并且屈服应力进一步提高。l 应变时效的本质是卸载后经过时效，溶质原子又重新聚集到位错周围形成柯氏气团，故又出现屈服现象。1919l 第二相粒子的强化作用分两种：聚合型和弥散分布型。l 聚合型合金只有当第二相为强化相，且体积分数大于30%时，才能起到明显的强化效果。l 弥散分布型合金中的第二相粒子越多、粒子间距越小，强化作用越明显。2

10、0205.2.4 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1、显微组织的变化、显微组织的变化 l 多晶体塑变时，随变形量增大，晶粒逐渐沿着形变方向被拉长，由多边形变为扁平形或长条形，形变量较大时可被拉长成为纤维状。2、亚结构的变化、亚结构的变化l 随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高，位错会交织缠结，随后形成胞状亚结构。胞内位错密度较低，胞壁是由大量位错缠结形成。l 随变形量增加，变形胞的数量增多，尺寸减小，胞的形状也被拉长。21213、性能的变化、性能的变化l 加工硬化加工硬化：金属材料经冷变形后强度、硬度显著提高，塑性、韧性下降的现象。l 塑性变形过程中位错密度的

11、增加位错密度的增加及其产生的钉扎作用钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。l 冷变形还会使导电性下降，抗蚀性下降等。4、形变织构、形变织构l 金属塑性变形中，随着形变程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，使晶体中原来任意取向的晶粒逐渐调整到取向彼此趋于一致，这就形成了晶体的择优取向，这种组织状态称为形变织构形变织构。l 当出现形变织构时，多晶体显示出各向异性。22225、残余应力、残余应力l 塑性变形中，外力所做的功大部分转化成热，还有一部分以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量称为储存能。l 储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变。l 宏观残余

12、应力：又称第一类内应力，是物体各部分不均匀变形所引起，在整个物体范围内处于平衡。l 微观残余应力：又称第二类内应力，是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的，在晶粒或亚晶粒范围内互相平衡。l 点阵畸变：又称第三类内应力，是由形变金属内部产生的大量位错等晶体缺陷引起的，其作用范围是几十到几百纳米，占储存能的90%。23235.3.1 冷变形金属在加热时组织和性能变化冷变形金属在加热时组织和性能变化l 退火过程分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。l 回复：指新等轴晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化阶段。l 再结晶：指出现无畸变等轴新晶粒并逐步取代变形晶粒的过程。l 晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒

13、的继续长大。5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶2424l 硬度硬度：回复阶段硬度变化很小，而再结晶阶段硬度下降较大。l 电阻电阻：电阻率在回复阶段已表现明显下降趋势。l 内应力内应力：回复阶段可消除大部分宏观内应力，微观内应力通过再结晶方可全部消除。l 亚晶粒尺寸：亚晶粒尺寸：回复阶段前期变化不大，回复后期显著增大。l 密度：密度：再结晶阶段显著增高。l 储能释放：储能释放：再结晶开始温度对应于储能释放的高峰处。25255.3.2 回复回复l 回复是一个弛豫过程，其特点有： 没有孕育期； 一定温度下，初期回复速率很大，随后逐渐变慢直至趋近于零； 每一温度对应一回复极限值，退火温度越高，极

14、限值越高，达到此值的时间越短； 预变形量越大，起始回复速率越快，晶粒尺寸减小有利于加快回复。l 回复机理： 低温回复。主要与点缺陷的迁移有关。 中温回复。主要与位错的滑移有关。 高温回复。与位错的滑移和攀移都有关。l 去应力退火去应力退火：使冷变形金属在基本上保持加工硬化状态的条件下，降低其内应力，以避免变形并改善耐蚀性。26265.3.3 再结晶再结晶1、再结晶的形核机制再结晶的形核机制 晶界弓出形核机制； 亚晶形核机制；2、再结晶动力学再结晶动力学l 恒温再结晶动力学曲线：纵坐标表示已发生再结晶的体积分数；横坐标表示时间。该曲线呈呈“S”曲线曲线特征。l 表明再结晶过程有一孕育期，开始时，

15、再结晶速度很慢，随后逐渐加快，至再结晶体积分数约为50%时速度达到最大，随后逐渐变慢。27273、再结晶温度和影响因素再结晶温度和影响因素l 再结晶温度再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。l 影响再结晶的因素： 变形程度变形程度：随着冷变形程度增加，再结晶温度越低，同时再结晶速度也越快。变形量增大到一定程度，再结晶温度基本稳定不变。（临界变形度临界变形度：发生再结晶需要的最小变形量。） 原始晶粒尺原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶温度越低，再结晶速度加快。2828 微量溶质原子微量溶质原子：微量溶质原子的存在能显著提高再结晶温度。 第二相粒子第二相粒子：当第二相粒子尺寸较大间距较宽

16、时，可促进再结晶；而当第二相粒子尺寸很小又较密集时，会阻碍再结晶的进行。 再结晶退火工艺参数再结晶退火工艺参数：变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，再结晶速度越快，完成再结晶所需时间也越短。29294、再结晶后的晶粒大小再结晶后的晶粒大小l 再结晶完成后，新的位错密度较小的等轴晶粒取代位错密度较高的冷变形晶粒。l 再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N和长大速度G之间存在以下关系：41)(NGKd3030l 影响再结晶后晶粒大小的因素： 变形度变形度：当变形度很小时，退火后晶粒尺寸不变；增大到临界变形度时，退火后晶粒特别粗大；继续增加变形度，再结晶后晶粒得到细化。 退火温度退火温度：提高退火温度，

17、不仅使再结晶晶粒长大，而且使临界变形度变小。3131例例1：铝板厚40mm，轧制成一侧为20mm另一侧仍保持为40mm的楔形板，经再结晶退火后，画出从20mm一侧到40mm一侧截面的组织示意图，并给予解释。答：铝板轧制后，沿着板的长度的变形量是不同的，在轧成20mm的一侧变形量最大，在40mm一侧变形量为0。因此，在靠近40mm一侧在临界变形量（约百分之几）的地方经再结晶退火后获得最大的晶粒；在小于临界变形量的一侧，晶粒尺寸和原始晶粒一样；在大于临界变形量的一侧，晶粒尺寸随变形量增大而逐渐减小。32325.3.4 晶粒长大晶粒长大1、晶粒正常长大及其影响因素晶粒正常长大及其影响因素l 正常长大

18、：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。l 晶粒长大的驱动力是系统总界面能的降低。l 晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因。实际晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动，并不断平直化。因此晶粒长大过程就是“大吞小大吞小”和“凹变凹变平平”的过程。3333l 影响晶粒长大的因素： 温度温度：温度越高，晶粒长大速度越快。 分散相粒子分散相粒子：分散相粒子颗粒越细，数量越多，晶粒长大速度越小。 晶粒间的位向差晶粒间的位向差：大角度晶界可动性高，小角度晶界移动速度低。 杂质与微量合金元素杂质与微量合金元素：杂质元素含量增加显著降低晶界的迁移速度。34342、晶粒异常长大（二次再结晶）晶粒异常长大（二

19、次再结晶）l 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大。l 发生异常长大的基本条件是正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面的热蚀沟等所强烈阻碍。l 二次再结晶的驱动力是界面能的降低。l 二次再结晶是以一次再结晶后的某些晶粒作为基础而长大的，而不是靠产生新的晶核。35355.3.5 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织1、再结晶退火后的晶粒大小l 变形度越大，退火后晶粒越细；退火温度越高，晶粒越粗大。2、再结晶织构l 通常具有变形织构的金属经再结晶后，新晶粒如果仍具有择优取向，称为再结晶织构。l 再结晶织构可以与原织构相一致，也可以形成新的织构。3、退火孪晶3636l 热加工热加工：工程上将再结晶温度以上的加工称为热加工。l 冷加工冷加工：把再结晶温度以下而又不加热的加工称为冷加工。l 热加工时由于变形温度高于再结晶温度，故在变形的同时伴随着回复、再结晶过程，此过程称为动态回复动态回复和动态再动态再结晶结晶过程。l 热加工时，因形变产生的加工硬化过程和动态回复、再结晶引起的软化过程是同时存在的。热加工后的组织与性能就取决于它们之间相互抵消的程度。5.4 5.4 热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶3737l 热加工不会使材料发生加工硬化，但能消除