材料科学基础-第9化学工业

1、第9章 金属材料的变形与再结晶1材料科学基础29.1 金属的应力应变曲线 P/A0=（应力） （l-l0）/l0=（应变）P作用在试样上的载荷A0试样的原始界面面积L0试样的原始标距长度L试样变形后标距长度 =E或=G为正应力，切应力； 为正应变，切应变EG分别为正弹性模量和切弹性模量弹性模量是表征材料中原子间结合力强弱的物理量34弹性变形：在应力低于弹性极限(e)时,和之间保持线性关系: =E其特点是外力去除后，变形可以完全恢复。退火低碳钢应力-应变曲线5弹塑变形：当外力大于e后，除了弹性变形外，开始发生均匀塑性变形。这时若去掉外力，弹性变形部分恢复，但留下了永久变形，即塑性变形。退火低碳钢

2、应力-应变曲线6断裂：当外力达到b之后，试样开始发生不均匀塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。esbk退火低碳钢应力-应变曲线79.2 金属的塑性变形9.2.1.1 滑移（1）滑移线和滑移带如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形，则在显微镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线，称为滑移带（见下图）；在电子显微镜下，滑移带是一组更细的线组成，这更细的线条称为滑移线。 在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移的方式来进行的，此外，还有孪生和扭折滑移带（铜）500滑移带与滑移线（示意图）8（2）滑移系 滑移总是沿着一定的晶面和该面上一定的晶向进行，这种晶面和晶向分别称为滑移面和滑移

3、方向；一个滑移面与其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因此，滑移系越多，金属变形能力越大单晶体的滑移9（3）临界分切应力 设试棒横截面积为A；轴向拉力为P；滑移面法线与外力P之间的夹角为，滑移方向与外力P之间的夹角为P在滑移方向上切向分力P=Pcos滑移面面积故滑移系上的分切应力10Schmid用同种材料但不同取向的单晶试棒进行拉伸试验，发现尽管不同试棒的m值不同，但开始滑移时的分切应力都相同，等于某一确定值（k），即晶体开始滑移所需的分切应力 k就称为临界分切应力，它是一个材料常数。11（4）滑移时晶体的转动 晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴随

4、着取向的改变 自由滑移变形 受夹具限制时的变形 晶体在拉伸时的转动12晶体在压缩时的晶面转动13（5）滑移的机理 实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图149.2.1.2 孪生 所谓孪生变形，就是在切应力作用下,晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分作均匀的切变所产生的变形。变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面对称，这两部分晶体合称孪晶（双晶）。 (a)滑移(b) 孪生15孪晶在显微镜下呈带状或透镜状，见下图： 锌中的变形孪晶200 铁的变形孪晶（纽曼带）16滑移和孪生的比较

5、 17189.2.2 多晶体的塑性变形 特点（1）晶粒取向的影响（亦称取向差效应）变形有先有后各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。各个晶粒的变形必须协调对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。变形不均匀导致内应力不均匀 19（2）晶界对滑移的阻滞效应 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应，如下图所示 经拉

6、伸后晶界处呈竹节状20（3）晶粒大小对变形抗力的影响 一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于 ，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的。 219.2.3 合金的塑性变形 与强化（1）单相合金的塑性变形 合金元素在金属基体中的存在形式有两种，一是形成固熔体；二是形成第二相，与基体组成机械混合物。它们具有不同的变形特点。 固熔强化由于异类原子（熔质原子）的存在，使合金塑性变

7、形抗力大大提高，表现为强度、硬度增加，塑性、韧性下降，这种现象称为固熔强化。固熔强化的实质是熔质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。即熔质原子与位错弹性交互作用的结果22固溶强化效果的影响因素溶质原子的浓度：浓度越高，一般其强化效果越好原子尺寸因素：溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化效果越好，但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度降低溶质原子的类型：间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心立方晶体中的间隙原子相对价因素（电子因素）：溶质原子与基体金属的价电子数目差越大，固溶强化效果越显著23（2）多相合金的塑性变形 聚合型两相合金的变形 弥散型合金的变形 当第二相颗粒非常细小，

8、弥散地分布在基体相中时，合金的变形抗力很大，强度将显著提高。通常,当第二相粒子的尺寸达到某一临界值时，强化作用最大；而尺寸过大或过小，合金的强度均有所下降。 如果第二相微粒是通过过饱和固熔体的时效处理而沉淀析出，则所产生的强化称为沉淀强化或时效强化；如果这种微粒是靠冶金方法外加的，则称为弥散强化。24第二相颗粒的强化机制有两种：位错绕过机制及位错切过机制，其主要示意图如下： 位错绕过第二相粒子示意图颗粒为不可变形25位错切过粒子示意图位错切过粒子示意图颗粒为可变形26小结：合金强化的途径和方法 加工硬化（塑性变形强化） 细晶强化 固熔强化 第二相强化（弥散强化） 热处理强化27289.4 回复

9、与再结晶 （1）组织变化t0t1为第1阶段，称为回复 ：显微组织几乎不发生变化，晶粒仍保持变形后的形态t1t2为第阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大，变为新的等轴晶粒（但不是相变）；t2t3为第阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。 冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图 t0t1t2t3回复再结晶晶粒长大29（2）回复和再结晶的驱动力 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分储存在变形金属的内部，这部分能量叫储存能 储存能是变形金属加热是发生回复和再结晶的驱动力（3）性能变化 强度与硬度 电阻率 密度 内应力30（4）回 复 机 制 低温回

10、复(0.10.3Tm)主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处，空位与间隙原子相遇复合，使点缺陷密度大大下降。 中温回复(0.30.5Tm)位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使变形亚晶规整化。 高温回复(0.5Tm)位错除滑移外，还可攀移，实现多边化，如下图所示。319.3.2 再结晶1）定义 冷变形后的金属加热到一定温度时，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能发生了明显的变化，并恢复到完全软化的状态，这个过程称之为再结晶。 2）形核机制 晶界弓出形核机制 亚晶合并形核机制 亚晶蚕食形核机制 都是大角度晶界的

11、突然迁移32再结晶亚晶形核机制示意图(b)亚晶合并形核(a)亚晶直接长大形核形变造成了大位向差的界面界面迁移再结晶晶核ABC间位相差很小A和B合并ABC合并,形成大位相差界面333）影响再结晶的因素 （1）退火温度：加热温度越高，再结晶速度越快（2）预先变形程度：变形度越大，再结晶开始温度越低；当变形量增大到一定程度后，再结晶开始温度便趋于稳定（3）微量熔质原子： 溶质或杂质原子与位错，晶界存在交互作用，偏聚在位错及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结晶，使再结晶温度升高。343）影响再结晶的因素 （4）原始晶粒尺寸：其他条件相同情况下，晶粒越细，

12、变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。相同变形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所越多，生核率也增大，故再结晶速度加快。（5）分散相粒子：既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶35影响再结晶后晶粒大小的主要因素有预先变形程度当变形度很小时(c)不发生再结晶，故晶粒大小不变；当=2%8%时，再结晶后的晶粒特别粗大，此时的变形度即所谓临界变形度；当变形度大于临界变形度时，随变形度的增加，晶粒逐渐细化 。36影响再结晶后晶粒大小的主要因素有2. 原始晶粒尺寸变形度一定时，原始晶粒越细，再结晶后的晶粒也越细3. 退火温度提高退火温度，不仅使再结晶后的晶粒粗大，而且还影响临界变形

13、度的大小4. 微量熔质原子和杂质一般都能起细化晶粒的作用379.3.3 再结晶后的晶粒长大 9.3.3.1晶粒的正常长大（即均匀长大）（1）定义：再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大，若均匀地连续生长叫正常长大。（2）长大方式：依靠大角度晶界的移动并吞食其他晶粒实现的。（3）长大的驱动力：晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前后总的界面能差。从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。38铝晶粒长大的晶界迁移 1迁移前晶界位置 2迁移后晶界位置399.3.3.2 晶粒的反常长大（不均匀长大，或称为二次再结晶）某

14、些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退火，会出现晶粒的反常长大，如下图所示。这个过程就像在再结晶后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长大，故又称之为“二次再结晶”。 晶粒异常长大过程 40（2）长大方式：来自总界面的降低。 （3）长大的驱动力：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。（4）二次再结晶有以下特征： 驱动力来自界面能或表面能的降低。 不需要重新形核，是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大。 只有在晶粒正常长大受阻情况下才产生二次再结晶。 也会产生择优取向的晶粒，称之为再结晶织构。41429.4 金属的热变形、蠕变1）热变形：晶体在再结晶温度以上进行的变形2)热加工对金属的组织与性能的影响 改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学性能。 热变形形成流线，出现各向异性。流线指动态再结晶形成等轴晶粒而夹杂物(或第二相)仍沿变形方向呈流动状的纤维组织。顺流线方向比横向具有更高的力学性能。 形成带状组织 控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织。 43在热变形中，由于枝晶偏析、夹杂物、第二相等随组织变形而伸长，沿变形方向分布，此种组织称为流线。 低碳钢热加工后的流线 吊钩中的流线分布（左）正确（右）不正确（左）正确（右）不正确 44蠕变定义：在一定温度下，金属受持续应力