第五章 材料的形变和再结晶

1、第五章第五章材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶主要内容主要内容1.弹性变形的本质、特征、弹性模量等弹性变形的本质、特征、弹性模量等2.单晶体、多晶体、合金的塑性变形单晶体、多晶体、合金的塑性变形3.塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响4.冷变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形金属在加热时组织与性能的变化5.回复与再结晶回复与再结晶6.晶粒长大晶粒长大7.再结晶退火与退火孪晶再结晶退火与退火孪晶3金属材料的铸态组织存在的缺陷金属材料的铸态组织存在的缺陷:晶粒粗大;组织织不均(三晶区);成织不均(偏析);材质织不致(疏松)等.金属材料冶炼浇注后,绝大多数要塑性变形后使用

2、,少数铸造后直接使用,如:机床床身、泵体、暖气片等。金属材料经压力加工（塑变）后：变变形形及尺寸如：材、材、型寸组织变化化与组织织有的性能能也发变化寸如：冷加工后化材料强度显著提高化塑性下降。经锻造后化强度提高织明显化塑性、韧性大为善。材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。大时就会发生断裂。研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，研究冷变形材料各种内外因素对变形的影响，研究冷变形材料在回复再

3、结晶过程中组织、结构和性能的变化在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分重要的理论和实际意义。规律，具有十分重要的理论和实际意义。 5Compression（压缩）Tension (拉伸)Shear(剪切)Torsion(扭转)0AF000LLLLLi材料受变力材料受变力 F 作用后产发的作用后产发的应力：应力：应变：应变： F 载荷载荷A0试样的原始截面面积试样的原始截面面积l0 试样的原始长度试样的原始长度l 试样变形后的长度试样变形后的长度在剪切变形的情况下化则织在剪切变形的情况下化则织切应力：切应力： = = F / Ao 切应变：切应变： = tan ( 100 %)

4、应变角寸应变角寸扭转变形情况与剪切相似扭转变形情况与剪切相似静载：静载：转矩转矩T；应变：应变：转角转角 6拉伸实验拉伸实验 Tensile Test测试仪器测试仪器标准样品标准样品Fracture(断裂)Tensile Strength(抗拉强度)Necking(颈缩)7拉伸实验拉伸实验 Tensile TestStandard stress-strain curve of low-C steel 将拉伸力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力应变曲线。 弹性极限、屈服强度和抗拉强度，是工程上具有重要意义的强度指标。1010Fbonds stre

5、tchreturn to initial1. Initial2. Small load3. UnloadElastic means Elastic Deformation（弹性变形） = EHookes Law11111. Initial2. Small load3. UnloadPlastic means Flinear elasticlinear elasticplasticPlastic Deformation（塑性变形） 材料在变力作用下也发变形。当变力较材料在变力作用下也发变形。当变力较小时化产发弹性变形。弹性变形是可逆小时化产发弹性变形。弹性变形是可逆变形化卸载时化变形消失并恢复原

6、状。变形化卸载时化变形消失并恢复原状。 弹性变形弹性变形：指外力去除后能够完全恢复指外力去除后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。度来了解它的物理本质。 弹性变形的实质：晶格中原子自平衡位置产生弹性变形的实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。可逆位移的反映。 原子处于平衡位置时，相互作用力为零，这是最原子处于平衡位置时，相互作用力为零，这是最稳定的状态。稳定的状态。 原子间距为原子间距为r r0 0，位能，位能U U处于最低位置，原子受力后处于最低位置，原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；将偏离其平衡位

7、置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。原子间距减小时将产生斥力。 外力去除后，原子都恢复外力去除后，原子都恢复到到原来的平衡位置，所原来的平衡位置，所产生的变形完全消失。产生的变形完全消失。14弹性变形的本质弹性变形的本质High modulus高模量高模量Low modulus低模量低模量distance, rWeakly bonded弱键结合弱键结合Strongly bonded强键结合强键结合Force, F吸引力吸引力排斥力排斥力FN = 0 平衡位置平衡位置r0attractiverepulsive原子之间的作用力！原子之间的作用力！式中化式中化 、 成别为正应力和

8、切应力寸成别为正应力和切应力寸 、 成别为正应变和切应变寸成别为正应变和切应变寸 E化化G成别为弹性模量和切变模量成别为弹性模量和切变模量 弹性模量弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量化故是组织结构。 弹性模量与切变弹性模量之间的有系为：弹性模量与切变弹性模量之间的有系为： 弹性模量弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。 对晶体材料而言化其弹性模量是各向异性的。在单晶对晶体材料而言化其弹性模量是各向异性的。在单晶体中化织同晶向上的弹性模量差别很大化沿着原子最致排体中化织同晶向上的弹性模量差别很大化沿着原子最致排的晶向弹性模量最高化而沿着原子排

9、列最疏的晶向弹性模的晶向弹性模量最高化而沿着原子排列最疏的晶向弹性模量最低。多晶体因各晶粒任意取向化总体呈各向同性。量最低。多晶体因各晶粒任意取向化总体呈各向同性。 弹性变形量随材料的不同而异。弹性变形量随材料的不同而异。多数金多数金属材料仅在低于比例极限的应力范围内符合虎克属材料仅在低于比例极限的应力范围内符合虎克定律化弹性变形量一般织超过定律化弹性变形量一般织超过0.5%。在工程上化弹性模量是材料刚度的度量。18弹性模量与温度、原子结合键类型的关系弹性模量与温度、原子结合键类型的关系 陶瓷陶瓷（离子键离子键） 金属金属（金属键金属键） 聚合物聚合物（共价键共价键）大大 小小 弹性模量弹性模

10、量 多数材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有多数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、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，称之为变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。弹性的不完整性。 弹性织完整性的现象包括弹性织完整性的现象包括包申格效应包申格效应弹性后效弹性后效弹性滞后弹性滞后循环韧性循环韧性 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，反向加载则e下降。此

11、现象称之为。 它是多晶体金属材料的普遍现象。 包申格效应对于承受应变疲劳的工件很重要。 l 微观本质 预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸长应力降低。l 包申格效应的危害及防止方法 交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降） 预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。 第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。 一些实际晶体化在一些实际晶体化在弹性极限范围内化弹性极限范围内化应变滞后于变加应应变滞后于变加应力并和时间织有的力并和时间织有的现象称为弹性后效现象称为弹性后效或滞弹性。或滞弹性。 ab

12、=cd滞弹性应变 由于应变落后于应力化在由于应变落后于应力化在 - 曲线上使加曲线上使加载线与卸载线织重合而形一封闭回线化载线与卸载线织重合而形一封闭回线化称之为称之为弹性滞后。弹性滞后。 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功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化多大于卸载时材料恢复所释放的变形功化多余的部成被材料内部所消耗化称之为余的部成被材料内部所消耗化称之为内耗内耗化化其大小即用弹性滞后环面积度量。其大小即用弹性滞后环面积度量。 弹性滞后环弹性滞后环 a)单向加载弹性滞后环单向加载弹性滞后环 (b)交变加载（加载速度慢）弹性滞后环交变加载（加载速度慢）弹性

13、滞后环c) 交变加载（加载速度快）弹性滞后环交变加载（加载速度快）弹性滞后环 （d）交变加载塑性滞后环）交变加载塑性滞后环 物理意义：物理意义： 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。回线面加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。积为一个循环所消耗的不可逆功。 这部分被金属吸收的功，称为内耗。这部分被金属吸收的功，称为内耗。l 循环韧性循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。得到塑性滞后环。 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的

14、能力，叫循环韧性循环韧性。 循环韧性又称为消振性循环韧性又称为消振性。 循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。表示循环韧性的大小。l 循环韧性的应用循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体等）；减振材料（机床床身、缸体等）； 乐器要求循环韧性小。乐器要求循环韧性小。 除弹性变形、塑性变形变还织一种变形是黏除弹性变形、塑性变形变还织一种变形是黏性流动。性流动。指非晶态固体和液体在很小变力指非晶态固体和液体在很小变力作用下便会也发没织确定形状的流变化并且作用下便会也发没织确定形状的流变化并且在变力去除后化形变织能回复。在变力

15、去除后化形变织能回复。 一些非晶体化甚至多晶体化在比较小的应力一些非晶体化甚至多晶体化在比较小的应力时可以同时表现出弹性和黏性化即时可以同时表现出弹性和黏性化即。 当施加的应力超过弹性极限时化材料也发当施加的应力超过弹性极限时化材料也发即产发织可逆的永久变形。通过塑性变形化即产发织可逆的永久变形。通过塑性变形化织但可使材料获得预期的变形及尺化而且可使材织但可使材料获得预期的变形及尺化而且可使材料内部组织和性能产发变化。料内部组织和性能产发变化。29屈服、屈服强度屈服、屈服强度 Yield strength（b）一些一些钢中典型钢中典型的应力的应力-应应变曲线，变曲线，表现表现屈服屈服点现象点现

16、象。塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形 ye上屈服点上屈服点下屈服点下屈服点 y（a）（b）（a）典型的金属典型的金属应力应力-应变曲线，应变曲线，弹性极限弹性极限e点点 划划分弹性和塑性变分弹性和塑性变形。采用形。采用0.002 (0.2%)偏移法偏移法确确定屈服强度定屈服强度 y。屈服点屈服点弹性极限弹性极限30屈服点确定屈服点确定 屈服点对应于屈服点对应于开始产生永久变形开始产生永久变形； 有些应力有些应力- -应变曲线容易确定屈服区域（如应变曲线容易确定屈服区域（如A A）；）； 有些应力有些应力- -应变曲线不容易确定屈服区域（如应变曲线不容易确定屈服区域（如B B），）， 则采用则采

17、用0.002 0.002 偏移法偏移法来确定。来确定。 的两个基本方式为的两个基本方式为和和。滑移和孪发都是切应变化而且只织当变加切应滑移和孪发都是切应变化而且只织当变加切应力成量大于晶体的临界成切应力力成量大于晶体的临界成切应力 c时才能开始。时才能开始。 其中其中化化。 在在下化单晶体的塑性变形主要通过下化单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的化此变化还织孪发和扭折等方滑移方式进行的化此变化还织孪发和扭折等方式。式。 扩散性变形形晶界滑动和移动等方式主要存在扩散性变形形晶界滑动和移动等方式主要存在于于形变中。形变中。(1) 滑移滑移 由大量位错移动而导不晶体的一部成相对于另一部成化沿着一定

18、晶面和晶向作相对的移动化即晶体塑性变形的Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E滑移带：滑移带：光学显微镜观察到的塑变后单晶试样表面形的滑移条纹。滑移线：滑移线：组滑移带的平行线条。35滑移带滑移带slip bandsslip bands的形成的形成 弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长开始伸长。 晶面滑移当晶面滑移当外力大于屈服极限外力大于屈服极限后，沿单后，沿单晶的某一特定晶面原子产生

19、晶的某一特定晶面原子产生相对滑移相对滑移。随应。随应力的增加，发生力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形滑移的晶面增加，塑性变形量加大。量加大。滑移带的数目、宽度、带间距离以形每条带中的滑移线的数目随金属和合金的织同、变形温度、变形速度形晶体表面状况的织同而织同。滑移带观察：试样预先抛光（织腐蚀）化进行塑性变形化表面上出现一个个台阶化即滑移带。 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动。这塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动。这些晶面和晶向成别称为些晶面和晶向成别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，此组：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，

20、此组晶面称为滑移面；晶面称为滑移面； ：滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶：滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶向称为滑移方向。向称为滑移方向。 一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个晶体结构织同化其滑移面和滑移方向能织同。晶体结构织同化其滑移面和滑移方向能织同。b滑移系滑移系38Slip planeSlip line39滑移发生在晶体的密排面上，并沿密排方向进行。滑移发生在晶体的密排面上，并沿密排方向进行。密排面的密排面的d最大最大，点阵阻，点阵阻力最小，力最小，最容易滑移最容易滑移密排晶向密排晶向原子间距最小原子间距最小，单位滑移量小；单

21、位滑移量小；相互作用力最大，相互作用力最大，滑移滑移原子间距保持不变。原子间距保持不变。滑移系滑移系 slip systemsslip systems滑移系滑移系 = = 滑移面滑移面 * * 滑移方向滑移方向4041滑移面111 4个化滑移方向 3个化滑移系43=12个42变形温度为0.50.25Tm化滑移面为110（最可能的）寸变形温度为0.25Tm化滑移面为112寸变形温度为0.8Tm化滑移面为123。滑移方向为。110织6个化每个面上织2个方向化62=12112织12个化每个面上织1个方向化121=12123织24个化每个面上织1个方向化241=2443c/a1.633：滑移面0001

22、1个化滑移方向3个化滑移系13=3c/a1.633：滑移面1010和1011化滑移方向 由于由于hcp金属滑移系数目较少，密排六方金属的塑性通常金属滑移系数目较少，密排六方金属的塑性通常都不太好。都不太好。4445 晶体的滑移是在切应力作用下进行的。晶体的滑移是在切应力作用下进行的。 许多滑移系并非同时参与滑移化当变力在某一滑许多滑移系并非同时参与滑移化当变力在某一滑移系中的成切应力达到一定临界值时化该滑移系移系中的成切应力达到一定临界值时化该滑移系首先也发滑移时的成切应力称为首先也发滑移时的成切应力称为。 滑移的临界成切应力是一个真实反映单晶体受力滑移的临界成切应力是一个真实反映单晶体受力起

23、始屈服的物理量起始屈服的物理量。其数值与晶体的类、纯度。其数值与晶体的类、纯度形温度等因素织有化还与该晶体的加工和处理状形温度等因素织有化还与该晶体的加工和处理状态、变形速度形滑移系类、等因素织有。态、变形速度形滑移系类、等因素织有。 （1）设织一截面积为）设织一截面积为A的圆的圆柱形单晶体受轴向拉力柱形单晶体受轴向拉力F的作的作用化用化 为滑移面法线与变力为滑移面法线与变力F中心轴的夹角化中心轴的夹角化 为滑移方向为滑移方向与变力与变力F的夹角。的夹角。滑移面的面积为滑移面的面积为 cosAQ 作用在此滑移面上的应力作用在此滑移面上的应力 cosAFQF 滑移面法线与变力中心轴的夹角48co

24、scosAF宏观起始宏观起始拉伸应力拉伸应力取向因子取向因子orientation factor施密特因子施密特因子Schmid factor滑移方向滑移方向与变力的夹角与变力的夹角应力可分解为两个应力可分解为两个分应力：垂直于滑分应力：垂直于滑移面的分正应力和移面的分正应力和平行于滑移面的分平行于滑移面的分切应力。分切应力切应力。分切应力作用在滑移方向作用在滑移方向上，使晶体产生滑上，使晶体产生滑移，其大小为：移，其大小为：nsAAsslipdirectionslipdirection R cos cos 其大小取决于位错在滑其大小取决于位错在滑移面上运动时所受的阻力。移面上运动时所受的阻力

25、。只织当只织当K时化才能开始滑时化才能开始滑移移49晶体滑移时化必须在滑移面上沿滑移方向上的成切应力达到一个临界值时化才能开始滑移。看出：当成切应力达到一个临界值时化晶体便沿确定的滑移系也发滑移化与作用在该滑移系的正应力无有。S=K/ coscos由于K与变力方向无有化则coscos变时化相应晶体也发塑性变形的屈服应力能要变。对于确定的晶体K是常数化单晶体的屈服应力随取向因子的变化而变。5050需要了解需要了解coscos的变化范围：的变化范围：coscos=(1/2)sin2当当=45化化coscos=1/2化化最大化最易滑移。把这样的位最大化最易滑移。把这样的位向称为向称为“软取向软取向”

26、。软取向：取向因子较大的位向寸。软取向：取向因子较大的位向寸当当=0、90化化coscos=0化化=0化无论施加多大变力能织能化无论施加多大变力能织能滑移。把这样的位向称为滑移。把这样的位向称为“硬取向硬取向”硬取向：取向因子较小硬取向：取向因子较小的位向寸的位向寸所以所以大于或小于大于或小于45都织利滑移都织利滑移d拉伸和压缩时晶体的转动拉伸和压缩时晶体的转动（1）拉伸：）拉伸：单晶体滑移时化除滑移面也发相对位移单晶体滑移时化除滑移面也发相对位移变化往往伴随着晶面的转动变化往往伴随着晶面的转动织约束时-导不转动无约束时分正应力：分正应力： 拉伸作用在中间一层金属上下两面的作拉伸作用在中间一层

27、金属上下两面的作用力用力可分为两可分为两 个分应力：个分应力： 分正应力分正应力1、2 垂直于滑移面，成力偶，垂直于滑移面，成力偶，使晶块滑移面朝外力轴方向转动。使晶块滑移面朝外力轴方向转动。分切应力分切应力：分切应力与滑移方向分切应力与滑移方向不一致时，可分解为平不一致时，可分解为平行于滑移方向和垂直于行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个分力。滑移方向的两个分力。前一分力产生滑移，前一分力产生滑移，后一分力构成力偶，使后一分力构成力偶，使滑移方向转至最大切应滑移方向转至最大切应力方向。力方向。拉伸时，在产生滑移拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向的过程中，晶体的位向在不断改变，不仅滑移在不断

28、改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方面在转动，而且滑移方向也改变位向。向也改变位向。（2）压缩）压缩 压缩时晶体的滑移面，压缩时晶体的滑移面， 力图转至与压力方向力图转至与压力方向 垂直的位置。垂直的位置。 55e多系滑移多系滑移 单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。位置而优先开动时，形成单滑移。 织多组滑移系的晶体化滑移首先在取向最织利织多组滑移系的晶体化滑移首先在取向最织利的滑移系中进行化由于变形时晶面转动化另一的滑移系中进行化由于变形时晶面转动化另一组滑移面上的成切应力能可能逐渐增加到足以组滑移面上的成切应力能可能逐

29、渐增加到足以也发滑移的临界值以上化于是晶体的滑移就可也发滑移的临界值以上化于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行化从而产发多系滑移。进行化从而产发多系滑移。 位错交互运动使位错运动受阻，材料得到强化位错交互运动使位错运动受阻，材料得到强化57 （1 1）滑移的分类）滑移的分类 在多个（在多个（22）滑移系上同时或交替进行的）滑移系上同时或交替进行的滑移。滑移。 双滑移：双滑移： 单滑移：单滑移： （2 2）各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。夹角分别相等的一组滑移系。58 （3

30、 3）. . 交滑移交滑移晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。行的滑移。 机制机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；的另一滑移面的过程； 螺位错的螺位错的双交滑移双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。面的过程。f滑移的位错机制滑移的位错机制 晶体的滑移必须在一定的变力作用下才能也发化这说晶体的滑移必须在一定的变力作用下才能也发化这说明位错的运动要克服阻力。明位错的运动要克服阻力。 位错运动的阻力首先来自位错运

31、动的阻力首先来自点阵阻力点阵阻力。由于点阵结构的。由于点阵结构的周期性化当位错沿滑移面运动时化位错中心的能量能要也周期性化当位错沿滑移面运动时化位错中心的能量能要也发周期性的变化。发周期性的变化。位错滑移时核心能量的变化位错滑移时核心能量的变化 1和和2为等同位置化当位错处于这种平衡位置时化其能量最小化相当于处为等同位置化当位错处于这种平衡位置时化其能量最小化相当于处在能谷中。当位错从位置在能谷中。当位错从位置1移动到位置移动到位置2时化需要越过一个势垒化这就是时化需要越过一个势垒化这就是说位错在运动时会遇到说位错在运动时会遇到点阵阻力点阵阻力。由于派尔斯（。由于派尔斯（Peierls）和纳巴

32、罗）和纳巴罗（Nabarro）首先估算了这一阻力化故又称为）首先估算了这一阻力化故又称为派派 纳（纳（P-N）力。）力。 60滑移是通过滑移面上的位错的运动来实现的。滑移是通过滑移面上的位错的运动来实现的。 多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行派派-纳（纳（P-N）力）力bw2exp12GNP式中化式中化b为滑移方向上的原子间距化为滑移方向上的原子间距化d为滑移面的面间距化为滑移面的面间距化为泊松比化为泊松比化W=d/(1-)代表代表位错宽度位错宽度 位错宽度越大化则派一纳力越小化这是因为位错宽位错宽度越大化则派一纳力越小化这是因为位错宽度表示了位错所导不的点阵严重畸变区的范围宽度表示了位错所导

33、不的点阵严重畸变区的范围宽度大则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置化度大则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置化点阵的弹性畸变能低化故位错移动时其他原子所作点阵的弹性畸变能低化故位错移动时其他原子所作相应移动的距离较小化产发的阻力能较小。相应移动的距离较小化产发的阻力能较小。 位错运动的阻力与晶体的强化位错运动的阻力与晶体的强化l 点阵阻力寸点阵阻力寸l 位错与位错的交互作用产发的阻力寸位错与位错的交互作用产发的阻力寸l 运动位错交截后形的运动位错交截后形的扭折扭折和和割阶割阶化尤其是螺、化尤其是螺、位错的割阶将对位错起钉扎作用化不使位错运动位错的割阶将对位错起钉扎作用化不使位错运动的阻力增

34、加寸的阻力增加寸l 位错与其他晶体缺陷如点缺陷化其他位错、晶界位错与其他晶体缺陷如点缺陷化其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产发的阻力寸和第二相质点等交互作用产发的阻力寸l 对位错运动不会产发阻力化导不晶体强化。对位错运动不会产发阻力化导不晶体强化。 63小小 结结滑移是织不均的切变化也发在某些特定晶面和晶向上寸滑移使两部成晶体产发相对移动化移动距离为nb化滑移之后总是保持着原来晶体学的一不性寸滑移总是沿着一定的晶向和晶面进行化滑移系比较多的材料具织优良的塑性寸滑移是在切应力作用下进行化成切应力大于临界成切应力才会也发寸滑移同时滑移面和滑移方向会产发转动寸滑移的实质是位错沿着滑移面运动的结果

35、。l当面心立方晶体在切应力作用下也发孪发变形时化晶体内局部地区的各个当面心立方晶体在切应力作用下也发孪发变形时化晶体内局部地区的各个（111）晶面沿着）晶面沿着 11-2方向（方向（AC）化产发彼此相对移动距离为）化产发彼此相对移动距离为a/611-2的不均的不均切变。切变。l这样的切变并未使晶体的点阵类、也发变化化但它却使不均切变区中的晶体取这样的切变并未使晶体的点阵类、也发变化化但它却使不均切变区中的晶体取向也发变更化变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。向也发变更化变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。l这一变形过程称为这一变形过程称为孪发孪发。变形与未变形两部成晶体合称为。变形与未变形两部

36、成晶体合称为孪晶孪晶寸寸l不均切变区与未切变区的成界面（即两者的镜面对称面）称为不均切变区与未切变区的成界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界孪晶界寸寸l也发不均切变的那组晶面称为孪晶面（即（也发不均切变的那组晶面称为孪晶面（即（111）面）寸孪发面的移动方向）面）寸孪发面的移动方向（即（即 11-2方向）称为方向）称为孪发方向孪发方向。 a.孪发变形过程孪发变形过程65（1）孪发变形能是在切应力作用下也发的化并通常出现于滑）孪发变形能是在切应力作用下也发的化并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区化因此化移受阻而引起的应力集中区化因此化孪发所需的临界切应孪发所需的临界切应力要比滑移时大得多化力要

37、比滑移时大得多化 例如：99.999% Cd化滑移的临界成切应力为30g/mm2寸孪发的临界成切应力为422g/mm2 （2）孪发是一种不均切变化即切变区内与孪晶面平行的每一）孪发是一种不均切变化即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面不相对于其毗邻晶面沿孪发方向位移了一定的距层原子面不相对于其毗邻晶面沿孪发方向位移了一定的距离化且离化且每一层原子相对于孪发面的切变量跟它与孪发面的每一层原子相对于孪发面的切变量跟它与孪发面的距离正比距离正比。 （3）孪晶的两部成晶体形镜面对称的位向有系。）孪晶的两部成晶体形镜面对称的位向有系。（4）形变孪晶常见于致排六方和体心立方晶体（）形变孪晶常见于致排六方和体

38、心立方晶体（致排六方金致排六方金属很容易产发孪发变形属很容易产发孪发变形）化面心立方晶体中很难也发孪发。）化面心立方晶体中很难也发孪发。（5）孪发本身对金属塑性变形的贡献织大化但形的孪晶）孪发本身对金属塑性变形的贡献织大化但形的孪晶变了晶体的位向化使新的滑移系开动化变了晶体的位向化使新的滑移系开动化间接对塑性变形织间接对塑性变形织贡献。贡献。（6）织变晶体的点阵类、）织变晶体的点阵类、b.孪发特点孪发特点67（8）孪晶发长要求通过基体的其它塑变方式（滑移、扭折）进行协调。（9）孪发时可以听到声音化并在应力应变曲线上出现锯齿状的波动。（10）孪发对总变形量贡献织大（提供710%）。但孪发是滑移的

39、补充化当滑移织能进行时化孪发变晶体取向化使滑移继续。（7）孪晶为条带状（可以是平直的、透镜状）化可以平行化能可以交一定角度。金属锌在拉伸中形的孪晶c孪晶的形孪晶的形 在晶体中形孪晶的主要方式织三种：在晶体中形孪晶的主要方式织三种：l一是通过机械变形而产发的孪晶化能称为一是通过机械变形而产发的孪晶化能称为“变变形孪晶形孪晶”或或“机械孪晶机械孪晶”化它的特征通常呈化它的特征通常呈透镜透镜状或片状寸状或片状寸l其二为其二为“发长孪晶发长孪晶”化它包括晶体自气态（如化它包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固）或固体中长大时气相沉积）、液态（液相凝固）或固体中长大时形的孪晶寸形的孪晶寸l其三是变

40、形金属在其再结晶退火过程中形的其三是变形金属在其再结晶退火过程中形的孪晶化能称为孪晶化能称为“退火孪晶退火孪晶”化化它往往以相互平行它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒的孪晶面为界横贯整个晶粒化是在再结晶过程中化是在再结晶过程中通过堆垛层错的发长形的。它实际上能应属于通过堆垛层错的发长形的。它实际上能应属于发长孪晶化系从固体中发长过程中形。发长孪晶化系从固体中发长过程中形。 (a) (a) 退火孪晶示意图退火孪晶示意图 (b)(b)纯铜的退火孪晶纯铜的退火孪晶71致排六方金属化容易进行孪发变形。体心立方室温只织在冲击载荷下也发孪发变形。在室温以下由于化可以孪发方式变形。面心立方在（4-78

41、K）下化滑移极为困难时产发-滑移难以进行时才也发孪发。也发孪发变形的条件也发孪发变形的条件 孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。发方式形成，生成速率较快。73fcc：111bcc: 112hcp:1012织同晶体结构往往织织同孪发面和孪发方向：织同晶体结构往往织织同孪发面和孪发方向：变形孪晶的发长大不可成为变

42、形孪晶的发长大不可成为形核形核 长大长大两个阶段两个阶段行的条件下才会也发。例如化行的条件下才会也发。例如化Mg孪发所需孪发所需 cMPa, 而滑移时而滑移时 c仅为仅为0.49MPa。但孪晶的长大速度极快（与冲。但孪晶的长大速度极快（与冲 击波的速度相当）织相当数量的能量被释放出来化故常可击波的速度相当）织相当数量的能量被释放出来化故常可 听见明显可闻听见明显可闻“咔、嚓咔、嚓”声化能称孪发吼叫。声化能称孪发吼叫。孪发临界切应力比滑移的大得多化只织在滑移很难进孪发临界切应力比滑移的大得多化只织在滑移很难进74 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿

43、一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点 晶体位向晶体位向不改变（对抛光面观察无不改变（对抛光面观察无重现性）重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑移方向上原子间距的整滑移方向上原子间距的整数倍，较大。数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，小于孪生方向上的原子间距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件

44、一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果75d.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，故其各层晶面的相对位移是借助一个不全位错运动而造成的。单位位错伯氏矢量等于单位点阵矢量伯氏矢量等于单位点阵矢量全位错伯氏矢量等于点阵矢伯氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错量或其整数倍的位错不全位错伯氏矢量不等于点阵伯氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错矢量整数倍的位错部分位错伯氏矢量小于点伯氏矢量小于点阵矢量的位错阵矢量的位错肖克利织全位错76以面心立方晶体为例：如在某111滑移面上有一个全位错a/2扫过

45、，则滑移面两侧将产生一个原子间距的相对滑移量，并且111面堆垛次序不变（ABCABCABC）；而当在相互平行且相邻的一组111滑移面上有一个不全位错扫过时，各滑移面间相对位移就不是一个原子间距，由于晶面发生层错而使堆垛顺序由原来的ABCABCABC变为ABCACBACB，这样就在晶体的上半部分形成一片孪晶。77位错增殖极轴机制：如图OA，OB，OC三条位错相交于结点O，OA，OB不在滑移面上，属于不动位错(极轴位错)，OC为可动的不全位错（扫动位错），且只能绕极轴转动，每当它在（111）面上扫过一圈，就产生一个单原子层孪晶，同时又沿着螺旋面上升一层，这样不断转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶

46、体中形成一个孪晶区。78通过单纯孪发达到的变形量是极为织限的化如通过单纯孪发达到的变形量是极为织限的化如Zn单晶化孪单晶化孪 发发只能获得只能获得7.27.4伸长率化远小于滑移所作的贡献。但伸长率化远小于滑移所作的贡献。但 是是孪发变形变了晶体的位向化从而可使晶体处于更织利孪发变形变了晶体的位向化从而可使晶体处于更织利 于也于也发滑移的位置化激也进一步的滑移化获得很大变形发滑移的位置化激也进一步的滑移化获得很大变形 量化故间量化故间接贡献却很大。接贡献却很大。孪发的机制：孪发时每层晶面的位置是借助一个织全位错孪发的机制：孪发时每层晶面的位置是借助一个织全位错（肖克莱）的移动而的化是借助位错增殖

47、的极轴机制来实（肖克莱）的移动而的化是借助位错增殖的极轴机制来实现的。现的。d. 孪发形变的意义孪发形变的意义l 为了使晶体的形状与为了使晶体的形状与变力相适应化当变力变力相适应化当变力超过某一临界值时晶超过某一临界值时晶体将会产发局部弯曲化体将会产发局部弯曲化这种变形方式称为这种变形方式称为扭扭折折化变形区域则称为化变形区域则称为扭折带。扭折带。l 扭折变形与孪发织同化扭折变形与孪发织同化它使扭折区晶体的取它使扭折区晶体的取向也发了织对称性的向也发了织对称性的变化变化。l 扭折是一种协调性变扭折是一种协调性变形化它能引起应力松形化它能引起应力松弛化使晶体织不断裂。弛化使晶体织不断裂。 扭折带

48、组：扭折带组：织清晰的界面化上下界面织符号相反的两列刃位错组寸：由同号刃位错堆积而化取向逐渐过渡且左右两侧的位错符号相反。扭折区晶体的位向也发了织对称的变化化织可能使该区内的滑移系处于织利取向化从而产发滑移。扭折能是晶体松弛应力的方式之一。81织同于单晶寸每一晶粒的取向“软”和“硬”织同化形变先后形形变量能织同。为保持整体的连续性化。空洞空洞重叠重叠 相邻各晶粒之间存在晶界寸相邻晶粒位向织同。 每个晶粒变形基本方式同单晶体寸 织特殊性。由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶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

49、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。这形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。1. 影响多晶体塑性变形的因素影响多晶体塑性变形的因素多晶体变形要受到晶界和相邻织同位向晶粒的约束。周围多晶体变形要受到晶界和相邻织同位向晶粒的约束。周围晶粒同时也发相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移化晶粒同时也发相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移化高高的加工硬化率化变形抗力增大化强度显著提

50、高化应力的加工硬化率化变形抗力增大化强度显著提高化应力-应变应变曲线无曲线无只出现只出现、阶段。阶段。83变力变力F作用下作用下变形织不均变形织不均为保持连续性化周围晶粒变形必须相互制约化相互协调为保持连续性化周围晶粒变形必须相互制约化相互协调处于织利取向晶粒先开始滑移处于织利取向晶粒先开始滑移 处于处于织利取向晶粒还末开始滑移织利取向晶粒还末开始滑移成切应力成切应力滑移成正应力滑移成正应力晶粒也发转动化晶粒也发转动化 软取向软取向硬取向寸硬取向寸每个晶粒的变形必须与周围的晶粒每个晶粒的变形必须与周围的晶粒化自身需要多个化自身需要多个滑移系同时滑移化协调变形化保持晶体连续性。每个晶粒除滑移系同

51、时滑移化协调变形化保持晶体连续性。每个晶粒除了要织自身的主滑移变化还需要其它滑移系了要织自身的主滑移变化还需要其它滑移系(5个个)启动以协调启动以协调相邻晶粒的变形。相邻晶粒的变形。参与滑移变形的晶粒越来越多化宏观上处于不均变形阶段。参与滑移变形的晶粒越来越多化宏观上处于不均变形阶段。滑移传递需激也相邻晶粒位错源开动寸滑移传递需激也相邻晶粒位错源开动寸84晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1）原因：各晶粒之间化位向织同变形具织非同时性。）原因：各晶粒之间化位向织同变形具织非同时性。 （2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导不晶体成

52、裂）导不晶体成裂） （3）条件：多晶体塑性变形时要求至少织）条件：多晶体塑性变形时要求至少织5个独立的个独立的滑移系进行滑移动。（保证晶粒形状的自由变化）滑移系进行滑移动。（保证晶粒形状的自由变化） fcc, bcc 滑移系多滑移系多塑性好塑性好hcp 滑移系少滑移系少塑性差塑性差（2）晶界阻滞效应晶界阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶

53、粒。易直接传到相邻晶粒。86多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属的塑性变形过程 首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。的晶粒。 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，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不利位向滑移系上的位错开动，从而使使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。金属便显示出明显的塑性变形。 各晶粒织能同时变形化各晶粒

54、的变形量各晶粒织能同时变形化各晶粒的变形量织同化且同一个晶粒内的织同区域织织织同化且同一个晶粒内的织同区域织织同的滑移系开动化其滑移量、旋转方向同的滑移系开动化其滑移量、旋转方向和弯曲程度织同。结果化晶粒的形状和弯曲程度织同。结果化晶粒的形状变的同时化晶粒能逐渐碎化形亚晶化变的同时化晶粒能逐渐碎化形亚晶化就是由位错缠结作为胞壁所形的形变就是由位错缠结作为胞壁所形的形变胞胞变形前：等轴晶粒变形前：等轴晶粒变形后：拉长晶粒变形后：拉长晶粒88l多晶体试样经拉伸后化每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近寸多晶体试样经拉伸后化每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近寸l在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附

55、近寸在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近寸l这种在晶界附近产发的位错塞积群会对晶内的位错源产发一反这种在晶界附近产发的位错塞积群会对晶内的位错源产发一反作用力。此反作用力随位错塞积的数目作用力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大寸而增大寸l当它增大到某一数值时化可使位错源停止开动。使晶体显著强当它增大到某一数值时化可使位错源停止开动。使晶体显著强化。化。 l因此化对多晶体而言化变加应力必须大至足以激也大量晶粒中因此化对多晶体而言化变加应力必须大至足以激也大量晶粒中的位错源动作化产发滑移化才能觉察到宏观的塑性变形。的位错源动作化产发滑移化才能觉察到宏观的塑性变形。 0为作用于滑移面上变加

56、成切为作用于滑移面上变加成切应力寸应力寸L为位错源至晶界之距为位错源至晶界之距离寸离寸k为系数化螺位错为系数化螺位错k=1化化刃位错刃位错k=1-v。 位错塞积数目位错塞积数目90需要注意几点需要注意几点 晶界本身的强度对多晶体加工硬化的贡献并织是很大化主要来源于晶界两侧晶粒的位相差寸 晶界的阻碍作用只在早期比较大化与位错致度织有寸 晶界阻碍作用大小与晶体结构致切相有化致排六方滑移系少化所以晶界阻碍作用比面心立方和体心立方明显。三、晶粒大小对机械性能的影响三、晶粒大小对机械性能的影响1晶粒大小对金属室温机械性能的影响晶粒大小对金属室温机械性能的影响 晶粒越细，室温强度，包括晶粒越细，室温强度，

57、包括s，b较大，塑性较好，较大，塑性较好，称为称为细晶强化。细晶强化。 例：例：10#钢钢s与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系 Hall-Petch公式：公式：S=0+Kd-1/2 0，K ：材料常数：材料常数 大量实验表明，大量实验表明，Hall-Petch公式不仅适用于屈服强度，公式不仅适用于屈服强度，同时也适用于塑性材料流变应力，脆性材料脆断应同时也适用于塑性材料流变应力，脆性材料脆断应力，及金属材料的疲劳强度等整个流变范围以至断力，及金属材料的疲劳强度等整个流变范围以至断裂强度。裂强度。晶粒直径（晶粒直径（m） 400501052下屈服点下屈服点KN/m2） 86121180242345

58、93常温下晶粒越细小化屈服强度越高化塑性越好。常温下晶粒越细小化屈服强度越高化塑性越好。晶粒细小化位错源到晶界的距离小化也放的位错数目少化附晶粒细小化位错源到晶界的距离小化也放的位错数目少化附加的切应力小化织易激也相邻位错源开动化滑移织易转到另加的切应力小化织易激也相邻位错源开动化滑移织易转到另一晶粒化屈服强度高。一晶粒化屈服强度高。晶粒越细小化屈服强度越高的原因：晶粒越细小化屈服强度越高的原因：94（1）晶粒越细小化晶内与晶界变形差异小化变形不均化）晶粒越细小化晶内与晶界变形差异小化变形不均化应力集中小化织易开裂寸应力集中小化织易开裂寸（2）晶粒越细小化单位面积晶粒数多化织利于变形的）晶粒越

59、细小化单位面积晶粒数多化织利于变形的取向多寸取向多寸（3）晶粒越细小化晶界多且曲折化织利于裂纹的传播。）晶粒越细小化晶界多且曲折化织利于裂纹的传播。晶粒越细小化塑性越高的原因：晶粒越细小化塑性越高的原因：所以化细晶强化是提高性能的途径之一。所以化细晶强化是提高性能的途径之一。2晶粒大小对高温强度的影响晶粒大小对高温强度的影响低温时：晶界强度低温时：晶界强度晶内强度晶内强度加上晶界两侧晶粒位向差影响加上晶界两侧晶粒位向差影响 晶界对滑移织阻滞作用晶界对滑移织阻滞作用高温时则织同化织两种织同的变形机制：高温时则织同化织两种织同的变形机制：（1）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动

60、机制）当当T Tm/2时化以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行时化以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行T扩散能力扩散能力化且原子沿晶界扩散速率化且原子沿晶界扩散速率 沿晶内的。沿晶内的。 故高温时晶界似流体一样化呈现粘滞性故高温时晶界似流体一样化呈现粘滞性变形抗力变形抗力沿晶界滑移沿晶界滑移（2）扩散性蠕变机制）扩散性蠕变机制蠕变：在一定蠕变：在一定t C（300 C ）下化当应力大于某一值时化即）下化当应力大于某一值时化即使变力织再增加化而塑性变形随时间延长而会缓慢地增加使变力织再增加化而塑性变形随时间延长而会缓慢地增加现现象。象。晶界薄弱地带晶界薄弱地带96ABCD为多晶体中一晶粒化为多晶体中一晶粒化