材料的形变与再结晶no

1、 作为对力作用的响应作为对力作用的响应, ,所有材料都会发生几何形状和尺寸的变化所有材料都会发生几何形状和尺寸的变化, ,这种现象称为这种现象称为变形变形. . 如果除去载荷后材料恢复到原始形状、尺寸，这种变形称为如果除去载荷后材料恢复到原始形状、尺寸，这种变形称为弹性变弹性变形形。相反，如果加载。相反，如果加载- -卸载过程导致发生了永久变形，则称该试样产生卸载过程导致发生了永久变形，则称该试样产生了了塑性变形塑性变形。当构件或试样分裂成两段或更多段时就是发生了。当构件或试样分裂成两段或更多段时就是发生了断裂断裂。外力即载荷，其形式如下：外力即载荷，其形式如下：材料的拉伸试验材料的拉伸试验软

2、钢的应力软钢的应力-应变曲线应变曲线强度指标强度指标： e、s、b塑性指标塑性指标： （延伸率）（延伸率）（断面收缩率）（断面收缩率）金属变形的三个阶段：金属变形的三个阶段： 弹性变形、弹弹性变形、弹-塑性变形、断裂塑性变形、断裂条件应力条件应力-应变曲线应变曲线e代表产生弹性变形的最大应力。代表产生弹性变形的最大应力。s 代表产生塑性变形的最小应力。代表产生塑性变形的最小应力。工程上，残余应变量为工程上，残余应变量为0.005%所对应的应力值，定为所对应的应力值，定为e工程上，残余应变量为工程上，残余应变量为0.2%所对应的应力值，定为所对应的应力值，定为0.2(条件屈服极限）。条件屈服极限

3、）。三种不同材料的应力三种不同材料的应力-应变曲线应变曲线 （陶瓷、金属、橡胶）（陶瓷、金属、橡胶）a.哪种材料的弹性模量最高哪种材料的弹性模量最高?b.哪种材料的伸长率最大哪种材料的伸长率最大?c.哪种材料的韧性最高哪种材料的韧性最高?d.哪种材料在断裂前没有呈哪种材料在断裂前没有呈现任何明显的塑性变形现任何明显的塑性变形?9-10 -曲线下方的面积可以曲线下方的面积可以度量使单位体积的度量使单位体积的材料断裂材料断裂所需要的能量所需要的能量韧性。韧性。金属的弹性变形金属的弹性变形晶体的塑性变形晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 多多晶体的塑性变形晶体的塑性变形 合金的塑性变形

4、合金的塑性变形 塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响回复和再结晶回复和再结晶金属的热加工金属的热加工主要内容主要内容 原子间存在两种力原子间存在两种力: 一是一是吸引力吸引力, 来源于异类电来源于异类电 荷间的静电吸引荷间的静电吸引; 二是同种电荷之间的二是同种电荷之间的排斥力排斥力. 当原子间距为当原子间距为r0时时, 吸引力吸引力与排斥力相等与排斥力相等, 合力合力f=0, 此时此时位能位能E0处于最低位置处于最低位置, 两原子两原子处于平衡位置处于平衡位置。 E0原子的结合能原子的结合能 r0原子间距原子间距双原子作用模型双原子作用模型r0 在晶体中，相邻原子间也

5、应当有一个平衡距离。在晶体中，相邻原子间也应当有一个平衡距离。 原子处于平衡位置时，其原子间距为原子处于平衡位置时，其原子间距为R0，合力为零，位能，合力为零，位能E0处于最低位置，这是最稳定的状态。处于最低位置，这是最稳定的状态。 外力去除后，外力去除后，只剩下引力的作用只剩下引力的作用，相邻原子间的距离将迅速，相邻原子间的距离将迅速复原，所产生的变形便完全消失，这就是复原，所产生的变形便完全消失，这就是弹性变形的实质弹性变形的实质。 当原子受力后将偏离其平衡位置：当原子受力后将偏离其平衡位置：当外力为当外力为拉力拉力时，金属晶体将沿外时，金属晶体将沿外力方向被拉长，原子间距沿外力方力方向被

6、拉长，原子间距沿外力方向的距离增大：向的距离增大： R0R，这时将，这时将产生产生引力引力； RR0R 弹性变形的主要特征是：弹性变形的主要特征是：（1）可逆性可逆性：加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。（2）应力与应变之间存在线性关系应力与应变之间存在线性关系，即服从虎克（，即服从虎克（Hooke） 定律：定律： 在正应力下，在正应力下，= E ； 在切应力下，在切应力下，= G 式中：式中： 、 分别为正应力和切应力；分别为正应力和切应力； 、分别为正应变和切应变；分别为正应变和切应变； E、G分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量。分别为弹性模量（杨

7、氏模量）和切变模量。（3）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 多数金属材料：弹性变形量小（一般不超过多数金属材料：弹性变形量小（一般不超过0.5%）；）；而橡胶类高分子而橡胶类高分子 材料的高弹形变量则可高达材料的高弹形变量则可高达1000%，但这种变形是非线性的。，但这种变形是非线性的。 弹性模量的物理意义弹性模量的物理意义 弹性模量是应力应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉弹性模量是应力应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨氏模量。伸变形中通常称它为杨氏模量。低应变区的应力应变关系低应变区的应力应变关系E 弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是弹性模量代

8、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。表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。 即弹性模量相当于发生单位弹性变形所需的应力，换言即弹性模量相当于发生单位弹性变形所需的应力，换言之，在给定应力下之，在给定应力下E大的材料只发生很小的弹性应变，而大的材料只发生很小的弹性应变，而E小小的材料则弹性应变大。的材料则弹性应变大。 从微观的角度看，晶体在外力作用下，从微观的角度看，晶体在外力作用下，发生弹性变形对应着原子间距的变化发生弹性变形对应着原子间距的变化这种性质与弹簧很相似，故可把原子结合这种性质与弹簧很相似，故可把原子结合比喻成很多小弹簧的连接。结合键能是影比喻成很

9、多小弹簧的连接。结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，响弹性模量的主要因素，结合键能越大，则则“弹簧弹簧”越越“硬硬”，原子之间距离的移，原子之间距离的移动所动所需的外力就越大，则弹性模量越大。需的外力就越大，则弹性模量越大。E 以共价键或共价以共价键或共价-离子混合键结合的大多数陶瓷，离子混合键结合的大多数陶瓷，例如金刚例如金刚石、氧化铝（石、氧化铝（Al2O3)等，由于其原子间结合力很大，故其弹性模等，由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；量很高；分子键分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力很弱，具有很的固体如塑料、橡胶等的键合力很弱，具有很小的弹性模量，但相对变形量很大；而小的

10、弹性模量，但相对变形量很大；而金属金属的弹性模量则介于的弹性模量则介于陶瓷和高分子橡胶之间。陶瓷和高分子橡胶之间。 金属材料的金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的指标弹性模量是一个对组织不敏感的指标，其大小主，其大小主要取决于原子间的结合力，与金属的本性、晶格类型、晶格常要取决于原子间的结合力，与金属的本性、晶格类型、晶格常数有关，而金属材料的合金化、加工过程及热处理的方法对它数有关，而金属材料的合金化、加工过程及热处理的方法对它的影响很小。的影响很小。 单晶体的弹性模量呈各向异性单晶体的弹性模量呈各向异性：沿原子排列最密的晶向弹性：沿原子排列最密的晶向弹性模量最大。模量最大。 多晶体的弹性

11、模量多晶体的弹性模量E呈伪各向同性呈伪各向同性。轴向应变：轴向应变：a a =l / l0 ta 式中，式中，为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在料的泊松比在0.250.35之间，高分子材料则相对较大些。之间，高分子材料则相对较大些。 在载荷作用在载荷作用方向上产生弹方向上产生弹性伸长的同时性伸长的同时伴随着横向上伴随着横向上发生收缩发生收缩横向应变：横向应变：t =d / d0 边长为边长为h、侧面面、侧面面积为积为A的立方体承的立方体承受剪切力受剪切力F的作用的作用弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：弹性模量与切变弹性模量之间的关

12、系为： 2(1)EG 一个圆柱形钢材试样受到的应力为一个圆柱形钢材试样受到的应力为100Mpa。试样未变。试样未变形时直径为形时直径为10mm，长度为，长度为40mm；试样变形后的长度和直；试样变形后的长度和直径分别为径分别为40.019mm和和9.9986mm。假定此时试样仍然是弹。假定此时试样仍然是弹性的，试计算这种钢的弹性模量、切变弹性模量和泊松比。性的，试计算这种钢的弹性模量、切变弹性模量和泊松比。例题例题（这个例子说明各向同性材料的三个弹性指标能够通过测（这个例子说明各向同性材料的三个弹性指标能够通过测量圆柱试样的长度和直径的变化来确定。）量圆柱试样的长度和直径的变化来确定。）压痕法

13、测量弹性模量（压痕法测量弹性模量（CSM微纳米力学性能测试系统）：微纳米力学性能测试系统）： 力位移曲线力位移曲线（1）滑移的观察）滑移的观察滑移线与滑移带滑移线与滑移带 金属单晶体拉伸金属单晶体拉伸后的实物照片后的实物照片 在常温和低温下，单晶体的塑性变形在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过主要通过滑移滑移方式进行的，此外，尚有方式进行的，此外，尚有孪生孪生和扭折和扭折等方式。等方式。滑移线：滑移线：试样表面那些相互平行或交试样表面那些相互平行或交 叉的细线。叉的细线。滑移带：滑移带：多根滑移线构成一条滑移带。多根滑移线构成一条滑移带。 通常把光镜下看到的条纹叫通常把光镜下看到的条纹叫滑

14、移带滑移带； 在电镜下看到的称为在电镜下看到的称为滑移线。滑移线。 由于晶体各部分的相对滑动，造成试由于晶体各部分的相对滑动，造成试 样表面有许多台阶。样表面有许多台阶。 在在切外力切外力作用下，晶体的一部分相对作用下，晶体的一部分相对 于另一部分沿一定晶面于另一部分沿一定晶面( (滑移面滑移面) )和晶和晶 向向( (滑移方向滑移方向) )发生相对位移。发生相对位移。滑移线滑移线滑移带滑移带外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形（2）滑移系）滑移系 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和晶

15、向。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。合力最弱，产生滑移所需切应力最小。滑移面滑移面滑移方向滑移方向FF滑移系：滑移系：一个滑移面一个滑移面和其上的一个滑移方和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。向组成一个滑移系。滑移系数：滑移系数：滑移面数滑移面数滑移面上的滑移方滑移面上的滑移方向数。向数。bcc: 110 6 2 = 12（常温）（常温）fcc: 111 4 3 = 12hcp: 0001 1 3 = 3 滑移系滑移系（滑移系数相同时滑移方向（滑移系数相同时滑移方向）, ,塑性塑性面心立方面心立方

16、体心立方体心立方 密排立方密排立方（面心立方）（面心立方）（密排六方）（密排六方）coscoscoscosAFFA（3）滑移的临界分切应力）滑移的临界分切应力 在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力 外力在滑移面上沿滑移方向的分外力在滑移面上沿滑移方向的分切应力：切应力：当外力当外力F F，使某一滑移系上的分切应力，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值达到某一临界值k ，滑移就会在该滑移，滑移就会在该滑移系上进行，此时：系上进行，此时：F/A F/A =s s（屈服极限）（屈服极限） coscoscoscoskkss或滑移方向滑移方向滑移面滑移面A施密特定律

17、施密特定律coscoscoscoskkss或影响影响k k的因素：的因素：材料的本性（纯材料的本性（纯 度）、试验温度、加载速度。度）、试验温度、加载速度。 coscos取向因子取向因子 软位向：软位向：=45,=45 当滑移面法线、滑移方向、外力轴当滑移面法线、滑移方向、外力轴 处于同一平面，且处于同一平面，且=45，=45时时 取取 向因子有最大值向因子有最大值0.5，此时，此时s最小最小，最有利于滑移。，最有利于滑移。 硬位向：硬位向：=90或或=90 当滑移面当滑移面外力（外力（=90）或滑移方向）或滑移方向外力（外力（=90） 时，时，取向因子取向因子coscos=0，s=，滑移无法

18、进行。，滑移无法进行。 滑移面滑移面滑移方向滑移方向222222212121212121coslkhlkhl lkkhh提示：提示：对立方晶系，两晶面（对立方晶系，两晶面（h1k1l1）与（）与（h2k2l2） 的夹角为：的夹角为： 铝的滑移临界分切应力为铝的滑移临界分切应力为2.4105Pa，当拉伸轴为，当拉伸轴为001时，引起屈服所需要的拉伸应力是多大？时，引起屈服所需要的拉伸应力是多大？例题：例题： 如在面心立方晶胞如在面心立方晶胞001上施加一上施加一69MPa的应力，的应力， 试求滑移系试求滑移系 上的分切应力。上的分切应力。011)111(例题：例题：提示：提示：拉伸轴拉伸轴001

19、与与110及及 垂直，所以由它们组成的滑垂直，所以由它们组成的滑移不会开动。而移不会开动。而001轴对它的滑移系的几何关系是等同。轴对它的滑移系的几何关系是等同。110例题：例题：（2）新位错）新位错 ， 其滑移面为（其滑移面为（001） 1102ab 694coscos1124 100.4 104 10/2222FbbN m 在单晶体铝的（在单晶体铝的（111）面上，有一柏氏矢量为）面上，有一柏氏矢量为 的位错，在的位错，在面面 上有一柏氏矢量为上有一柏氏矢量为 的位错，两位错发生反应。的位错，两位错发生反应。（1）写出位错反应式，并用能量条件判断反应进行的方向。）写出位错反应式，并用能量条

20、件判断反应进行的方向。 （2）说明新位错的性质。）说明新位错的性质。 （3）当拉应力轴为）当拉应力轴为101， 时，求新位错所受到的滑动力。时，求新位错所受到的滑动力。（铝的点阵常数为（铝的点阵常数为0.4nm）。）。 ) 111(0112a64 10 Pa 1102a（4）滑移时晶面的转动）滑移时晶面的转动 原试样原试样自由滑移变形自由滑移变形受夹头限制时的变形受夹头限制时的变形单晶体拉伸变形过程单晶体拉伸变形过程121 、2力偶力偶121力偶：力偶：12，使滑移面向外力轴方向转动，使滑移面向外力轴方向转动最大分切应力：最大分切应力：21、21 、21、最大分切应力最大分切应力1、 2滑移方

21、向：滑移方向：力偶力偶 ： 使滑移方向向最大分切应力方向转动使滑移方向向最大分切应力方向转动 引起滑移的有效引起滑移的有效 分切应力分切应力 晶体在滑移过程中不仅滑移面发晶体在滑移过程中不仅滑移面发 生转动，而且滑移方向也在旋转。生转动，而且滑移方向也在旋转。 转动的结果，有时会使软位向偏向于硬位向，转动的结果，有时会使软位向偏向于硬位向， 滑移变困难滑移变困难“几何硬化几何硬化”。 滑移前后晶体点阵类型不变，变形部分晶体滑移前后晶体点阵类型不变，变形部分晶体 位向也不变。位向也不变。滑移方向滑移方向最大分切应力方向最大分切应力方向滑移面滑移面（5）多系滑移）多系滑移 施密特定律的意义：晶体塑

22、性变形时，切应力需达到某施密特定律的意义：晶体塑性变形时，切应力需达到某一临界值；说明滑移变形可有一临界值；说明滑移变形可有单滑移、多滑移和交滑移几种单滑移、多滑移和交滑移几种情况：情况： l 单滑移：单滑移：一个滑移系启动，一个滑移系启动， 滑移线滑移线是一组平行的细线。是一组平行的细线。单滑移单滑移 它是在变形量很小的情况下发生，位错在滑移过程中不它是在变形量很小的情况下发生，位错在滑移过程中不会与其会与其 他位错交互作用，因此加工硬化也很弱。他位错交互作用，因此加工硬化也很弱。 铝晶体的滑移铝晶体的滑移l 多滑移：多滑移：二个或二个以上滑移系同时或交替启动，二个或二个以上滑移系同时或交替

23、启动， 滑移线滑移线是相互交叉的平行细线；是相互交叉的平行细线；多滑移多滑移铝晶体的滑移铝晶体的滑移 由于这些滑移系是由不同位向的滑移面与滑移方向构成，所以由于这些滑移系是由不同位向的滑移面与滑移方向构成，所以当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个滑当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个滑移系上的位错会有交互作用，产生交割和反应，因而多滑移会产生移系上的位错会有交互作用，产生交割和反应，因而多滑移会产生强的加工硬化。强的加工硬化。 如果没有交滑移，只增加外力，晶体是很难继续变形下去的，最如果没有交滑移，只增加外力，晶体是很难继续变形下去的，最后只会造成断裂。

24、后只会造成断裂。l 交滑移：交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上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。沿同一滑移方向进行的滑移。 滑移线滑移线为波纹状为波纹状交滑移交滑移例题：例题： 铜单晶体表面平行于（铜单晶体表面平行于（001）面，若晶体可以在各个）面，若晶体可以在各个滑移系滑移，画出表面出现的滑移线的痕迹，求出滑移线滑移系滑移，画出表面出现的滑移线的痕迹，求出滑移线间的角度。若铜晶体表面平行于（间的角度。若铜晶体表面平行于（111）面，情况又如何？）面，情况又如何？ 位错学说的产生位错学说的产生 塑性变形主要方式：塑性变形主要方式：滑移滑移 1926年，弗兰克尔估算了年

25、，弗兰克尔估算了 晶体滑移时需要的临界切应力晶体滑移时需要的临界切应力理论理论 实际实际（假设原子作整体刚性滑动）假设原子作整体刚性滑动） 19341934年，泰勒、波朗依和奥罗万几乎同时提出了晶体中年，泰勒、波朗依和奥罗万几乎同时提出了晶体中位错位错的概念。的概念。（6）滑移的位错机制）滑移的位错机制（6）滑移的位错机制）滑移的位错机制 晶体滑移并不是晶体的一部分相对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，于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是而是借助位错在滑移面上运动来逐步地借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的进行的。位错运动到晶体表面时，会产。位错运动到晶体表

26、面时，会产生台阶（生台阶（滑移线滑移线、滑移带滑移带） 台阶台阶 晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明位晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明位错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自点阵阻力点阵阻力。 由于派尔斯（由于派尔斯（PeierlsPeierls）和纳巴罗（）和纳巴罗（NabarroNabarro）首先估算了这）首先估算了这一阻力，故又称为一阻力，故又称为派一纳（派一纳（P-NP-N）力）力。 P-NP-N = 2G/(1-)exp(-2W/b) = 2G/(1-)exp(-2W/b) 式中，式中，b为滑移方向上的原子

27、间距，为滑移方向上的原子间距，d为滑移面的面间距，为滑移面的面间距，为泊松比，为泊松比，W=d/(1-)代表位错宽度。代表位错宽度。 位错运动的阻力除位错运动的阻力除点阵阻力点阵阻力外，位错与位错的交互作外，位错与位错的交互作用产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和用产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和割阶割阶，尤其，尤其是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶阻力增加；位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶界和第二相质点等界和第二相质点等交互作用交互作用产生的阻力，对位错运动均会

28、产生的阻力，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。产生阻力，导致晶体强化。 孪生是塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移不易进孪生是塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移不易进行时的补充。行时的补充。 产生孪生情况：产生孪生情况： 密排六方结构的金属：密排六方结构的金属：Mg、Cd、Be 变形温度低（面心立方、体心立方金属）变形温度低（面心立方、体心立方金属） 变形速度快（面心立方、体心立方金属）变形速度快（面心立方、体心立方金属） 2112116a（1 1）孪生变形过程孪生变形过程 当面心立方晶体发生孪生变形时，变形区域作均匀切变，每层（当面心立方晶体发生孪生变形时，变形区域作均匀切变，每层

29、（111111）面都相对于邻面沿着面都相对于邻面沿着 方向位移了一定距离方向位移了一定距离 。 211面心立方晶体中的面心立方晶体中的孪生面孪生面和和孪生方向孪生方向2116312112aa孪生面（孪生面（111）211孪生方向孪晶带孪晶带 孪生变形也是在孪生变形也是在切应力切应力作用下发生的，并通常出现于滑作用下发生的，并通常出现于滑 移受阻而引起的应力集中区，因此，移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切孪生所需的临界切 应力要比滑移时大得多应力要比滑移时大得多。 孪生是金属晶体内部孪生是金属晶体内部局部的均匀切变局部的均匀切变过程，切变结果使过程，切变结果使 均匀切变区与未切变区

30、构成了镜面对称的位向关系。均匀切变区与未切变区构成了镜面对称的位向关系。 在孪生变形后的组织中出现在孪生变形后的组织中出现“形变孪晶形变孪晶”，在金相显在金相显 微镜下一般呈带状（有时为透镜状）。微镜下一般呈带状（有时为透镜状）。面心立方晶体：孪生面面心立方晶体：孪生面111，孪生方向，孪生方向体心立方晶体：孪生面体心立方晶体：孪生面112，孪生方向，孪生方向（2）孪生的特点）孪生的特点立体图立体图前视图前视图 单晶体的两种塑性变形方式比较单晶体的两种塑性变形方式比较孪生使晶格位向发生改变孪生使晶格位向发生改变 孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个

31、公共晶面构成镜面对称的位向关系。沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系。 晶体中形成孪晶的主要方式有三种：晶体中形成孪晶的主要方式有三种： a.a.通过机械变形而产生的孪晶，也称为通过机械变形而产生的孪晶，也称为“变形孪晶变形孪晶”或或“机械孪晶机械孪晶”， 它的特征通常呈透镜状或片状；它的特征通常呈透镜状或片状； b.b.“生长孪晶生长孪晶”，它包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固），它包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固） 或固体中长大时形成的孪晶；或固体中长大时形成的孪晶； c.c.变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶，也称为变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶，也称为

32、“退火孪晶退火孪晶”，它，它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒，是在再结晶过程中通过堆垛往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒，是在再结晶过程中通过堆垛层错的生长形成的。它实际上也应属于生长孪晶，系从固体中生长过程中层错的生长形成的。它实际上也应属于生长孪晶，系从固体中生长过程中形成。形成。 孪晶面孪晶面（3）孪晶的形成）孪晶的形成奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶 滑移带及孪晶的显微特征滑移带及孪晶的显微特征 机 械 孪 晶机 械 孪 晶也在晶粒内，也在晶粒内，孪晶与基体孪晶与基体位向不同，位向不同，不能通过抛不能通过抛光去除。光

33、去除。 滑移带一般不滑移带一般不穿越晶界，滑穿越晶界，滑移变形没有破移变形没有破坏晶体内部原坏晶体内部原子排列的规律子排列的规律性，可以通过性，可以通过抛光去除。抛光去除。 退 火 孪 晶退 火 孪 晶以大条块形以大条块形态分布于晶态分布于晶内，孪晶界内，孪晶界面平直，不面平直，不能通过抛光能通过抛光去除。去除。（3 3）孪生的位错机制）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（的相对位移是借助一个不全位错（肖克莱不全位错肖克莱不全位错）运动）运动而造成的。而造成的。 由于各种原因，晶体中不

34、同部位的受力情况和形变方式可由于各种原因，晶体中不同部位的受力情况和形变方式可能有很大的差异，对于那些既不能进行滑移也不能进行孪能有很大的差异，对于那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，晶体将通过其他方式进行塑性变形。生的地方，晶体将通过其他方式进行塑性变形。 扭折扭折 实际使用的材料通常是实际使用的材料通常是由多晶体组成的。室温下，多由多晶体组成的。室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同，但式与单晶体相同，但由于相邻由于相邻晶粒之间取向不同，以及晶界晶粒之间取向不同，以及晶界的存在，因而多晶体的变形既的存在，因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍，又要求各

35、需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合晶粒的变形相互协调与配合，故多晶体的塑性变形较为复杂。故多晶体的塑性变形较为复杂。 主要表现在主要表现在各晶粒变形过程中各晶粒变形过程中的相互制约和协调性的相互制约和协调性。 各晶粒之间变形具有不同时性。各晶粒之间变形具有不同时性。 各晶粒之间变形相互协调（独立变形各晶粒之间变形相互协调（独立变形 会导致晶体分裂）会导致晶体分裂） 由于晶粒间的这种相互约束由于晶粒间的这种相互约束 多晶体的变形抗力比单晶体高多晶体的变形抗力比单晶体高 FF 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，当当位错运动到晶界附近时，受到晶界

36、的阻碍而堆位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来积起来, ,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继续进行。要使变形继续进行, , 则则必须增加外力必须增加外力, ,从而使金属的变形抗力提高。从而使金属的变形抗力提高。 软位向晶粒先滑移，大量位错在晶界软位向晶粒先滑移，大量位错在晶界塞积，塞积，应力集中应力集中，使相邻晶粒的位错，使相邻晶粒的位错源启动，原来取向不利的晶粒也开始源启动，原来取向不利的晶粒也开始变形。变形。 各晶粒变形不同时（逐批进行）、各晶粒变形不同时（逐批进行）、各晶粒变形相互协调、变形的不均匀各晶粒变形相互协调、变形的不均匀性性特点特点GbLkn00 在晶界附近产生的位

37、错塞积群在晶界附近产生的位错塞积群会对晶粒内的位错源产生一反作用会对晶粒内的位错源产生一反作用力。此力。此反作用力随位错塞积的数目反作用力随位错塞积的数目n而增大而增大： 对只有对只有2323个晶粒的试样进行拉个晶粒的试样进行拉伸试验表明，在晶界处伸试验表明，在晶界处呈竹节状呈竹节状。整个晶粒变形不均匀。整个晶粒变形不均匀。 式中，式中， 为作用于滑移面上外加分切应力；为作用于滑移面上外加分切应力；L L为位错源至晶界之距离。为位错源至晶界之距离。 当它增大到某一数值时，可使位错源停止开动。使晶体显著强化。当它增大到某一数值时，可使位错源停止开动。使晶体显著强化。 0 晶粒越细，强度越高。晶粒

38、越细，强度越高。细晶强化细晶强化 晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大（有尺寸限制）。（有尺寸限制）。210Kds 式中，式中， 0 0 和和K K 为与材料有关的系数。为与材料有关的系数。 晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系 多晶体的屈服强度多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径与晶粒平均直径d的关系的关系可用著名的可用著名的霍尔霍尔佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式）公式表示：表示： 12350.24Hd纳米晶铝：纳米晶铝： 晶粒越细，晶粒越细，塑性、韧性提高。塑性、韧性提高。 晶粒越多，变形分散、均匀性提高，由应力集晶粒越多，变形分散、均匀性提

39、高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性表现出高塑性； 细晶粒材料中，细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量，多能量，表现出高韧性表现出高韧性。 但对高温力学性能，粗晶粒时有较高的蠕变但对高温力学性能，粗晶粒时有较高的蠕变 抗力与持久强度，而使持久塑性下降。抗力与持久强度，而使持久塑性下降。 蠕变就是材料在载荷作用下随时间而伸长的过程。蠕变就是材料在载荷作用下随时间而伸长的过程。单晶体变形单晶体变形多晶体变形多

40、晶体变形合金变形合金变形性能变化性能变化滑移滑移孪生孪生晶界作用晶界作用晶粒协调晶粒协调固溶体变形固溶体变形多相合金变形多相合金变形组织结构变化组织结构变化性能变化性能变化材料变形理论的思路材料变形理论的思路合金合金 单相合金单相合金固溶体（奥氏体不锈钢）固溶体（奥氏体不锈钢） 复相合金复相合金基体相（固溶体）基体相（固溶体）+第二相第二相 固溶体固溶体 化合物化合物 溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成 的相。的相。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象。溶入溶质原子形成固溶

41、体而使金属强度、硬度升高的现象。 影响固溶强化的因素：影响固溶强化的因素： 溶质原子溶质原子%，b b、HB,HB,、k k溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。 铜镍固溶体的力学铜镍固溶体的力学性能与成分的关系性能与成分的关系形成置换固溶体时的点阵畸变形成置换固溶体时的点阵畸变 产生原因：产生原因：1 1、晶格畸变，位错运动受阻。、晶格畸变，位错运动受阻。 2 2、柯氏气团，钉扎位错。、柯氏气团，钉扎位错。例题：例题：右图表示几

42、种合金元素对铜屈服右图表示几种合金元素对铜屈服强度的影响。铜合金的屈服强度随合金强度的影响。铜合金的屈服强度随合金含量的变化都简化成线性关系。试对此含量的变化都简化成线性关系。试对此规律给予定性解释。规律给予定性解释。 原子半径原子半径nm：Cu：0.1278 Zn：0.1332； Al：0.1432 Sn：0.1509； Ni：0.1243 Si：0.1176； Be：0.1140合金元素对铜屈服强度的影响合金元素对铜屈服强度的影响 低碳钢的应力一应变曲线及屈服现象低碳钢的应力一应变曲线及屈服现象 特点：特点：上、下屈服点。上、下屈服点。 低碳钢在上屈服点开始低碳钢在上屈服点开始塑性变形，当

43、应力达到上屈塑性变形，当应力达到上屈服点之后开始降落，在下屈服点之后开始降落，在下屈服点发生连续变形而应力并服点发生连续变形而应力并不升高，即出现水平台不升高，即出现水平台屈屈服平台。服平台。 在屈服平台范围内，试样的变形先自夹头开始向中间延伸，在表面变在屈服平台范围内，试样的变形先自夹头开始向中间延伸，在表面变形完成之后再扩展至心部。在预先磨光抛光的拉伸试样上，可清楚地看到形完成之后再扩展至心部。在预先磨光抛光的拉伸试样上，可清楚地看到与外力成一定角度的变形条纹与外力成一定角度的变形条纹吕德斯带。吕德斯带。 低碳钢有上下屈服点和屈服平台低碳钢有上下屈服点和屈服平台, 这种变形的不连续现象。这

44、种变形的不连续现象。 其原因是：其原因是：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。柯氏气团的存在、破坏和重新形成。 在固溶体合金中，溶质原子或杂质原在固溶体合金中，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子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团，即所谓的团，即所谓的CottrellCottrell气团气团。间隙型溶质。间隙型溶质原子和位错的交互作用很强，原子和位错的交互作用很强，位错被牢固位错被牢固地钉扎住地钉扎住。位错要运动，必须在更大的应。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱力作用下才能挣脱CottrellCottrell气团的钉扎而气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点；而一旦挣脱

45、移动，这就形成了上屈服点；而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此有应力之后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。降落，出现下屈服点和水平台。图11-21 预变形和时效的影响预变形和时效的影响a.a.预塑性变形预塑性变形 b.b.去载后立即再行加载不出现屈服去载后立即再行加载不出现屈服 现象现象 c.c.去载后放置一段时间或在去载后放置一段时间或在200200 加热后再加载出现屈服加热后再加载出现屈服 应变时效应变时效 低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验 低碳钢的屈服与应变时效现象在实低碳钢的屈服与应变时效现象在实际生产中有重要意义：际生产中有重要意义： 如：如：深冲用的低

46、碳钢薄板在冲压深冲用的低碳钢薄板在冲压成形时会因屈服延伸区所产生的不均成形时会因屈服延伸区所产生的不均匀变形（匀变形（吕德斯带）而吕德斯带）而使工件表面粗使工件表面粗糙不平。为改善表面质量，常将钢板糙不平。为改善表面质量，常将钢板在深冲前进行一道微量的冷轧（压下在深冲前进行一道微量的冷轧（压下量为量为0.5%2%),0.5%2%),这就等于预变形消除了这就等于预变形消除了不连续屈服。不连续屈服。图7-45 再如：再如：锅炉钢板在卷板成形后焊接或使用时，相当于经历一个人工或锅炉钢板在卷板成形后焊接或使用时，相当于经历一个人工或自然时效过程。自然时效过程。 低碳钢板的应变时效低碳钢板的应变时效 ，

47、常使钢的韧性降低，常使钢的韧性降低钢中加入钢中加入0.05%Al0.05%Al，与，与 N N（C C）原子结合，应变时效倾向）原子结合，应变时效倾向 。 复相合金按第二相的尺寸可分为：复相合金按第二相的尺寸可分为：聚合型合金：基体相、第二相尺寸同一数量级，聚合型合金：基体相、第二相尺寸同一数量级， 如黄铜（如黄铜（Cu-ZnCu-Zn合金），合金），+弥散分布型合金：基体相、第二相尺寸相差大，弥散分布型合金：基体相、第二相尺寸相差大， 第二相很细小，第二相很细小， 如回火马氏体：马氏体如回火马氏体：马氏体+ +很细小的很细小的碳化物碳化物 这类合金在发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较软的相

48、中，如这类合金在发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较软的相中，如果较强相数量较少时，则塑性变形基本上是在较弱的相中；只有当第二果较强相数量较少时，则塑性变形基本上是在较弱的相中；只有当第二相为较强相，且体积分数大于相为较强相，且体积分数大于3030时，才能起明显的强化作用。时，才能起明显的强化作用。 若两相性能接近，可按强度分数相加计算：若两相性能接近，可按强度分数相加计算： 如果第二相均匀分布，那么如果第二相均匀分布，那么 第二相塑性好，强度低，则合金塑性好，强度低；第二相塑性好，强度低，则合金塑性好，强度低； 第二相塑性差，强度高，则合金塑性差，强度高。第二相塑性差，强度高，则合金塑性差，

49、强度高。 如果第二相呈网状分布，又是脆性相，则合金强度、塑性差。如果第二相呈网状分布，又是脆性相，则合金强度、塑性差。1122 第二相一般都会使合金强度第二相一般都会使合金强度，塑性，塑性 第二相的硬度第二相的硬度，数量，数量，颗粒越细小，强化作用，颗粒越细小，强化作用 第二相强化第二相强化 第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。通常可将第二相粒子分为两类：表现出来的。通常可将第二相粒子分为两类： 一种是一种是“不可变形的不可变形的”（借助粉末冶金方法加入的），位错（借助粉末冶金方法加入的），位错只只能绕过第二相向前运动

50、。能绕过第二相向前运动。弥散强化弥散强化 一种是一种是“可变形的可变形的”（沉淀相粒子（沉淀相粒子通过时效处理从过饱和通过时效处理从过饱和固固溶体中析出），位错通过第二相时可以切过它们。溶体中析出），位错通过第二相时可以切过它们。 沉淀强化沉淀强化RGb2Gbk 根据位错理论，迫使位错线根据位错理论，迫使位错线弯曲到曲率半径为弯曲到曲率半径为R R时所需切应时所需切应力为力为 当位错线弯曲成半径为粒子当位错线弯曲成半径为粒子间距间距的一半的半园时，其曲的一半的半园时，其曲率半径达到最小，即率半径达到最小，即R Rminmin= =/2/2，此时切应力为此时切应力为 RGb2当当 K K时，位错

51、线才能绕过去时，位错线才能绕过去， K位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子奥罗万机制奥罗万机制 位错切割粒子位错切割粒子 当第二相粒子为可变形微当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。之随同基体一起变形。 位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能；位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能； 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫反相畴，从而产生反相畴界能；位错扫过有序结构时会形成错排面或叫反相畴，从而产生反相畴界能； 由于第二相粒子与基体的晶体点阵不同，柏氏矢量也不同，因此当位错由于第二相粒子与基体的晶体点阵不同，柏氏矢量也不同，因此当位错 切过粒子时

52、，在滑移面上必然引起原子错排，而增加位错运动的阻力。切过粒子时，在滑移面上必然引起原子错排，而增加位错运动的阻力。 变形量变形量，等轴晶粒，等轴晶粒沿变形方向伸长沿变形方向伸长 当变形量当变形量时：呈纤维状时：呈纤维状 纤维组织纤维组织，性能呈，性能呈各向异性各向异性； 当变形量当变形量时：晶体转动而产生时：晶体转动而产生 织构。织构。图5。3630%压缩率压缩率99%压缩率压缩率50%压缩率压缩率 经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，开始经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结形成位错缠结。进

53、一步增加变形度时，大量位错。进一步增加变形度时，大量位错发生聚集，并发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构。由缠结的位错组成胞状亚结构。在位错胞的内部，位错密度很在位错胞的内部，位错密度很低，大量的位错都缠结在位错胞壁。低，大量的位错都缠结在位错胞壁。如果经强烈冷轧或冷拉等变形，则伴随如果经强烈冷轧或冷拉等变形，则伴随纤维组织的出现，其纤维组织的出现，其亚结构也将由大量细长状变形胞组成。亚结构也将由大量细长状变形胞组成。 位错胞位错胞细长状变形胞细长状变形胞 力学、物理和化学性能力学、物理和化学性能 a a加工硬化加工硬化 金属材料经冷加工变形后，强度、金属材料经冷加工变形后，强度、 硬度增加

54、，而塑性、韧性下降的现象。硬度增加，而塑性、韧性下降的现象。 意义（利弊）：意义（利弊）： 1. 提高金属材料强度的重要手段（如冷拉拔钢丝绳）；提高金属材料强度的重要手段（如冷拉拔钢丝绳）； 不能热处理强化的纯金属和某些合金不能热处理强化的纯金属和某些合金， 如奥氏体不锈钢等如奥氏体不锈钢等 2.材料加工成型的保证（使压力加工制品截面均匀）；材料加工成型的保证（使压力加工制品截面均匀）； 3.提高零件或构件的使用安全性能；提高零件或构件的使用安全性能； 3.变形阻力提高，脆断危险性提高变形阻力提高，脆断危险性提高须用须用再结晶退火再结晶退火消除之。消除之。 拔丝示意图拔丝示意图金属板冲压成杯过

55、程金属板冲压成杯过程冲头进入冲头进入正在冲压正在冲压取出冲头取出冲头l 使压力加工制品截面均匀使压力加工制品截面均匀加工硬化加工硬化机制：机制： 随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障运动时的相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错运动阻力增加。碍，使位错运动阻力增加。 限限制：制： 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化。使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化。金属单晶体的典型应力一应变曲线（也称加工硬化曲线）金属单晶体的典型应力一应变曲线（也称加工硬化

56、曲线） 单晶体和多晶体加工硬化曲线的含义有质的差别：单晶体和多晶体加工硬化曲线的含义有质的差别： ，流变应力（外应力）是指作用在滑移面上沿着滑，流变应力（外应力）是指作用在滑移面上沿着滑 移方向的切应力（分切应力）移方向的切应力（分切应力），而应变则是指切应变，而应变则是指切应变， 因此，因此，单晶体的硬化曲线就是单晶体的硬化曲线就是-曲线曲线； ，应变是指在主流动方向（主要变形方向）的变形，应变是指在主流动方向（主要变形方向）的变形 量，流变应力则是引起该应变的应力。例如量，流变应力则是引起该应变的应力。例如多晶体在拉伸时多晶体在拉伸时 的硬化曲线就是拉应力的硬化曲线就是拉应力与拉伸应变与拉

57、伸应变的关系曲线，即拉伸曲的关系曲线，即拉伸曲线线。单晶体的加工硬化曲线分为三个阶段：单晶体的加工硬化曲线分为三个阶段：I I阶段阶段易滑移阶段易滑移阶段：其斜率其斜率 即加工硬化率即加工硬化率非常小。主要是单滑移非常小。主要是单滑移阶段阶段线性硬化阶段线性硬化阶段：加工硬化十分显著：加工硬化十分显著 ， 很大。主要是复滑移很大。主要是复滑移阶段阶段抛物线型硬化阶段抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线 型，型， 。交滑移。交滑移。 图6-11单晶体的单晶体的- -曲线曲线多晶体的多晶体的- -曲线曲线金属加工硬化曲线金属加工硬化曲线 b b其

58、他性能的变化其他性能的变化 物理性能：物理性能：电阻率电阻率，电阻温度系数，电阻温度系数，磁导率，磁导率，热导率，热导率 化学性能：化学性能：化学活性化学活性，抗腐蚀性能抗腐蚀性能由于塑性变形的结果而使晶粒有择优取向的组织。由于塑性变形的结果而使晶粒有择优取向的组织。 丝构板：丝构板：拔丝时形成的织构拔丝时形成的织构 板构板：板构板：轧板时形成的织构称为板织构轧板时形成的织构称为板织构丝织构丝织构板织构板织构 产生织构后：产生织构后：性能呈方向性性能呈方向性，一般不利：如冲压时的一般不利：如冲压时的制耳现象制耳现象有时可利用：如变压器用的硅钢片有时可利用：如变压器用的硅钢片 100100丝织构

59、，导磁率丝织构，导磁率 由硅钢片堆垛成芯棒（由硅钢片堆垛成芯棒（a a）和矩形铁框（和矩形铁框（b b）冷冲压件的制耳现象冷冲压件的制耳现象 塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热之外，还有一小部分塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热之外，还有一小部分以畸变以畸变能的形式储存在形变材料内部能的形式储存在形变材料内部。这部分能量叫做。这部分能量叫做储存能储存能。储存能的具体表现。储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。（1 1）第一类内应力，又称宏观残余应力）第一类内应力，又称宏观残余应力。它是由工件不同部分的宏观变形。它是由

60、工件不同部分的宏观变形 不均匀性引起的不均匀性引起的 ，仅占总储存能的，仅占总储存能的0.10.1左右。左右。（2 2）第二类内应力，又称微观残余应力）第二类内应力，又称微观残余应力。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形 不均匀性产生的。不均匀性产生的。（3 3）第三类内应力，又称点阵畸变）第三类内应力，又称点阵畸变。它是由于塑性变形中形成的大量点阵。它是由于塑性变形中形成的大量点阵 缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的，占储存能的缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的，占储存能的8090%8090%。 变形金属能量变形金属能量，热力学不稳定状态。，热力学不稳定状态。