材料的变形与热处理详解演示文稿

材料的变形与热处理详解演示文稿现在是1页\一共有117页\编辑于星期四优选材料的变形与热处理现在是2页\一共有117页\编辑于星期四第一节变形概述名词概念变形过程

弹性变形

塑性变形

塑性变形的方式

现在是3页\一共有117页\编辑于星期四变形过程中的名词概念变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”；变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为“体积应变”。现在是4页\一共有117页\编辑于星期四变形过程低碳钢的拉伸曲线如图所示。

在应力低于弹性极限σe时，材料发生的变形为弹性变形；应力在σe到σb之间将发生的变形为均匀塑性变形；在σb之后将发生颈缩；在K点发生断裂。现在是5页\一共有117页\编辑于星期四弹性变形定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。

特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比比例系数E称为弹性模量G称为切变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。实质：弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。现在是6页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(δ%)或断面减缩率(ψ%)表示。实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。现在是7页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形过程－－屈服屈服：材料开始发生塑性变形。

屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。

屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用σs表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2%时的应力值表示。

现在是8页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形过程－－均匀变形均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。现在是9页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形过程－－颈缩颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程应力σb

，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。现在是10页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形过程－－断裂断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿间断裂”，断口比较平坦。

现在是11页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形的方式 材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移、孪生、蠕变、流动。 其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的位固体、现在是12页\一共有117页\编辑于星期四第二节单晶体的滑移滑移概念

过程说明

滑移系施密特定律

临界分切应力滑移变形的主要特点现在是13页\一共有117页\编辑于星期四滑移概念滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动现在是14页\一共有117页\编辑于星期四滑移过程说明

在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。

作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。

材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向上发生滑移。现在是15页\一共有117页\编辑于星期四滑移系滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为“滑移系”。

现在是16页\一共有117页\编辑于星期四现在是17页\一共有117页\编辑于星期四典型晶格的滑移系FCC现在是18页\一共有117页\编辑于星期四现在是19页\一共有117页\编辑于星期四滑移系对性能的影响晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。

在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。

现在是20页\一共有117页\编辑于星期四施密特定律

直接推动滑移的是在滑移方向上的分切应力。在同一外加应力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，对应的分切应力也不相同。图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹角为φ，滑移方向和拉力轴的夹角为λ，注意到滑移方向、拉力轴和滑移面的法线三者一般不在一平面，即

φ+λ≠900

。现在是21页\一共有117页\编辑于星期四施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

其中称为取向因子或施密特因子。当φ+λ=900，取向因子有最大值0.5。现在是22页\一共有117页\编辑于星期四施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

称为施密特定律，τc是一常数，但材料的屈服强度σs则随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异性。现在是23页\一共有117页\编辑于星期四现在是24页\一共有117页\编辑于星期四临界分切应力与首开滑移系

临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。首开滑移系:

在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为这个外力下的首开滑移系。等效滑移系:

在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为这个外力下的等效滑移系。

现在是25页\一共有117页\编辑于星期四滑移变形的主要特点

滑移只能在切应力的作用下发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。

滑移的同时必然伴随有晶体的转动。

现在是26页\一共有117页\编辑于星期四滑移变形的主要特点

滑移变形在晶体表面形成的滑移线现在是27页\一共有117页\编辑于星期四滑移时晶体的转动

当外力作用于单晶体试样上时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力和垂直滑移方向的另一分切应力因滑移错开组成一力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。转动的趋势为滑移面趋于平行拉力方向，滑移方向也趋于平行拉力方向。现在是28页\一共有117页\编辑于星期四第三节滑移的位错理论分析滑移的实质是位错的运动位错的增殖

位错的交割位错的塞积加工硬化现在是29页\一共有117页\编辑于星期四滑移的实质是位错的运动大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。

现在是30页\一共有117页\编辑于星期四滑移的实质是位错的运动对应于位错运动，在滑移的过程中，只需要位错中心上面的两列原子（实际为两个半原子面）向右作微量的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个原子间距的右移。由此可见，通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移。

现在是31页\一共有117页\编辑于星期四滑移的实质是位错的运动

位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。

现在是32页\一共有117页\编辑于星期四位错的增殖塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。

例如现在是33页\一共有117页\编辑于星期四位错的增殖利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。

现在是34页\一共有117页\编辑于星期四位错的交割不在同一个滑移面上的两位错运动的过程中可发生交割。图示例子表示如果位错AB向下运动扫过位错CD，由于扫过区间的晶体两边发生了柏氏矢量大小的滑移，在位错CD上产生了EF转折，EF长度为AB的柏氏矢量，EF位错的柏氏矢量不发生变化，位错的性质和原来可能不一样。现在是35页\一共有117页\编辑于星期四位错的交割

若AB为一个源发出的一批位错，EF则为多倍长。如果CD为如图的刃位错，AB上也留下一转折。转折的性质不一样，有的在位错的线张力作用下可消失，或以相同滑移方向一起滑移的称为扭折；有的不仅不能消失，而且滑移面也不同而不能一起运动，这种称为割阶。割阶成为位错运动的阻碍。

现在是36页\一共有117页\编辑于星期四位错的塞积位错运动时，在其前沿如果有障碍(如晶界、不可变形的硬质点……)，就停留不能前进，若同一位错源不断产生一系列位错源源而来，在此将产生塞积。位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；②晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。

现在是37页\一共有117页\编辑于星期四加工硬化材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉伸时的应力--应变曲线中可看出，材料屈服后要继续变形只有不断增加外力。原因：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。分析：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。返回现在是38页\一共有117页\编辑于星期四新语丝学校建筑抗震设防不足谁之过？

对于早期建设的教学楼，多数采用预制板，砌体中没有配筋，也没有圈梁和构造柱。完全不符合我国现行的建筑抗震规范要求。预制板往往采用经过冷拔处理的钢丝，虽然强度大，但是延性差。其断裂呈脆性断裂，这样的房子，往往在地震来临的数秒时间就轰然倒塌，根本没有逃生时间。为什么这样不符合当地抗震设防标准的教学楼没有及时加固？实际上，这样说其实要求确实太高了一点，因为目前我国还有一部分学校，教学用房还是危房甚至连遮风避雨都无法做到，谈何抗震设防？现在是39页\一共有117页\编辑于星期四第四节多晶体的塑性变形晶界和晶粒位向的影响

变形的传递

变形的协调

多晶体的塑性变形过程

塑性变形过程的不均匀性 晶粒的位向同时也在发生转动

晶粒大小对材料强度与塑性的影响 强度

塑性

现在是40页\一共有117页\编辑于星期四变形的传递 当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形，可见晶界的存在可以提高材料的强度。 位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。现在是41页\一共有117页\编辑于星期四变形的协调 多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。 晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。现在是42页\一共有117页\编辑于星期四变形的协调 为了满足变形协调，理论计算本应有6个独立的滑移系，以保证6个独立的应变分量使晶粒的形状自由变化，在体积不变的情况下，有实际只有5个变量是独立的。对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。

至少应有5个独立的滑移系才能协调多晶体的塑性变形。现在是43页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形过程的不均匀性 在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45度，即施密特因子较大(接近1/2)，必将首先发生滑移变形，通常称这种位向的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。现在是44页\一共有117页\编辑于星期四晶粒的位向的影响作用分批滑移：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。晶粒的转动：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。现在是45页\一共有117页\编辑于星期四晶粒大小对材料强度的影响 材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。现在是46页\一共有117页\编辑于星期四现在是47页\一共有117页\编辑于星期四晶粒大小对材料塑性的影响

效果：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。原因：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。意义：所以在工业上通过各种方法(凝固、压力加工、热处理)使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力学性能的有效途径之一。现在是48页\一共有117页\编辑于星期四第五节其他塑性变形方式

孪生

蠕变

粘滞性流动现在是49页\一共有117页\编辑于星期四在切应力作用下的变形现在是50页\一共有117页\编辑于星期四孪生变形孪晶：晶体的一部分相对于一定的晶面(孪生面)，沿着一定的方向(孪生方向)发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切变部分和未切变部分呈镜面对称，对称面为孪生面。孪生：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形方式称为“孪生”。产生条件：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方晶格金属)；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能产生孪生。

现在是51页\一共有117页\编辑于星期四孪生变形面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图现在是52页\一共有117页\编辑于星期四孪生变形特点在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相同，其移动量不是原子间距的整倍数(一般为原子间距的分数)，但它们在孪生后各自移动的距离和离孪生面的距离成正比。孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到孪晶组织。孪生变形在晶体表面可形成浮凸。孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要的切应力比滑移要大得多。现在是53页\一共有117页\编辑于星期四现在是54页\一共有117页\编辑于星期四孪生变形特点孪生变形得速度很快，接近于声速。孪生变形会在周围得晶格中引起很大得畸变，因此所产生的塑性变形总量不大，一般不超过10%。孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改变了晶体的位向而帮助滑移。在外力作用下以孪生方式生成的孪晶称为变形孪晶变形孪晶：现在是55页\一共有117页\编辑于星期四变形孪晶组织形貌锌中的孪晶

现在是56页\一共有117页\编辑于星期四滑移与孪生在晶体表面变化现在是57页\一共有117页\编辑于星期四蠕变

蠕变：所谓蠕变是指材料在高温下(高于0.3Tm)的变形不仅与应力有关，而且和应力作用的时间有关。

蠕变过程：整个的蠕变过程可分为三个阶段。由蠕变速率(dε/dτ)逐渐减慢的第一阶段到恒速蠕变的第二阶段。在蠕变过程后期，蠕变速率加快直至断裂，视为蠕变第三阶段。随着温度与应力的提高，蠕变的第二阶段渐短，金属的蠕变很快由第一阶段过渡到第三阶段，使高温下服役的零件寿命大大减少。

现在是58页\一共有117页\编辑于星期四蠕变

蠕变机理：蠕变过程是一热激活过程，蠕变现象可看着在应力作用下原子流的扩散。原子的定向流动本身可造成材料的变形。借助原子的扩散会发生位错的攀移，位错滑移产生的加工硬化和由位错攀移产生的高温回复，这两个过程的速率相等，便形成了恒定的蠕变速率过程。所有影响自扩散系数的因数均按相同的方式影响蠕变速率。

现在是59页\一共有117页\编辑于星期四粘滞性流动粘滞性流动：在液体状态下，原子呈无规则排列，没有固定的形状，处于可流动的状态。液体的流动性用黏度来度量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材料就处于固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着是过冷的液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克服黏度的阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的形状和尺寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视为一种塑性变形。

变形实例：非晶态材料处于玻璃化温度Tg以上可以发生塑性变形的方式。多晶体材料的晶界滑动。

现在是60页\一共有117页\编辑于星期四第六节塑性变形对组织

性能的影响冷变形对力学性能影响

塑性变形对组织和结构的影响可能出现变形织构残余内应力

现在是61页\一共有117页\编辑于星期四冷变形对力学性能影响产生加工硬化：材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降。（前面已分析）加工硬化的工程意义：加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行“中间退火”以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。现在是62页\一共有117页\编辑于星期四现在是63页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形对组织和结构的影响

晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长(拉伸)或压扁(压缩)。变形的程度愈大，则晶粒形状的代表也愈大。现在是64页\一共有117页\编辑于星期四现在是65页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形对组织和结构的影响

晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界的耐腐蚀性。纤维组织：在金属变形较大时，材料中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能，即产生一定程度的各向异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向，等等。现在是66页\一共有117页\编辑于星期四塑性变形对组织和结构的影响

亚结构形成：在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。

现在是67页\一共有117页\编辑于星期四变形织构的产生变形织构：金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向同性。但是当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后，由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了晶体的“择优取向”，即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。

形成原因：滑移塑性变形时伴随晶粒的转动，造成各晶粒的滑移面或滑移方向趋于平行外力方向。现在是68页\一共有117页\编辑于星期四现在是69页\一共有117页\编辑于星期四变形织构的类型类型：一种是各晶粒的某一晶向趋于一致，称之为“丝织构”，它多出现在高度冷拔之后，例如低碳钢铁素体的<110>平行于拔丝方向；另一种是各晶粒的某一晶面趋于平行且此晶面上的某一晶向趋于一致，这种织构称之为“板织构”，它多发生于高度冷轧之后，例如低碳钢的板织构为{001}<100>。

性能影响：织构使金属材料表现出明显的各向异性。

现在是70页\一共有117页\编辑于星期四变形织构的影响对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的，如有织构的金属板材冲制筒形零件时，由于不同方向上塑性的差别较大，深冲之后零件的边缘不齐出现“制耳”现象；另外在不同方向上变形不同，制成的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带来好处，制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压器的效率。防止措施：织构形成后很难消除，工业生产中为了避免织构，较大的变形量往往通过几次变形来完成，并进行中间退火。

现在是71页\一共有117页\编辑于星期四残余内应力残余内应力：残余内应力是指去除外力之后，残留于材料内部、且自身平衡于材料内部的应力。塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，它主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。分类：材料表层和心部变形不均匀或这一部分和那一部分变形不均匀，会造成平衡于它们之间的宏观内应力，通常称为第一类内应力。相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微观内应力，通常称为第二类内应力。由于位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变，通常也称为第三类内应力。

现在是72页\一共有117页\编辑于星期四残余内应力 经过塑性变形，外力对材料试样或构件作的功绝大部分(90%以上)在变形过程中转化成热而散失，只有少数(10%以下)能量转化为内应力残留在材料中，使其内能增加。 其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金属强化的主要原因。但会使材料，如金属的耐腐蚀性下降。第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步加工会打破原有平衡，引起材料的变形；或者和零件使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要用退火的办法尽量将其消除。现在是73页\一共有117页\编辑于星期四第七节回复与再结晶回复再结晶晶粒长大再结晶后的组织金属的热加工

现在是74页\一共有117页\编辑于星期四引言冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化，在很多情况下并不是人门希望的，可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能。

塑性变形后，在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向发展，造成组织和性能的变化。

现在是75页\一共有117页\编辑于星期四冷变形后的材料加热转变对冷变形的塑性材料进行重新加热，随着加热的温度和保温时的不同，发生的变化大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也发生对应变化。

现在是76页\一共有117页\编辑于星期四现在是77页\一共有117页\编辑于星期四1回复回复的变化回复机制回复动力学所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下。回复概念现在是78页\一共有117页\编辑于星期四现在是79页\一共有117页\编辑于星期四现在是80页\一共有117页\编辑于星期四回复的组织性能变化

宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶)现在是81页\一共有117页\编辑于星期四回复机制低温阶段：点缺陷的迁移和减少，表现为：空位与间隙原子的相遇而互相中和；空位或间隙原子运动刃位错处消失，引起位错的攀移；点缺陷运动到界面处消失。他们都将减少晶体中的点缺陷，力学性能无变化，但物理性能发生回复。

较高温阶段：位错的运动和重新分布，滑移面上异号位错相遇销毁，可使位错密度略有降低。

现在是82页\一共有117页\编辑于星期四回复机制高温回复：当温度大于0.3Tm后，位错可以获得足够的能量自身除滑移外还可产生攀移，除异号位错中和外，还有位错的组合和重新排列，例如排列成墙明显降低弹性应变能，变形的晶体发生多边化，甚至形成亚晶粒。

现在是83页\一共有117页\编辑于星期四回复动力学回复过程是热激活过程，转变的速度决定于原子的活动能力，即决定于转变的温度。设材料的某一可测量物理性能指标数值为P,(P可能指电阻率或其他)，变形前为P0，变形后为Pd，可以证明发生回复过程后的性能和时间的关系为：其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为激活能，R为气体常数，T发生回复的温度，t为回复进行的时间。现在是84页\一共有117页\编辑于星期四回复动力学

因此在不同的温度下，回复到相同的程度所用的时间的为：即ln(t)和1/T成线形关系。一方面可以由此测量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见到性能变化的仅因为变化的速度很慢。现在是85页\一共有117页\编辑于星期四2再结晶基本过程再结晶形核再结晶动力学影响再结晶速度的因素

现在是86页\一共有117页\编辑于星期四再结晶的基本过程经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时(一般大于0.4Tm)，可以发生晶粒的重新改组。同结晶过程类似，首先在材料中形成新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大，称为再结晶。

材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失，材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。

现在是87页\一共有117页\编辑于星期四再结晶的转变不是相变 冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。现在是88页\一共有117页\编辑于星期四再结晶的晶界弓出的形核机制金属在变形时是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个位错密度低，在加热时晶界会向位错密度高的一侧突然移动，从位错高的一侧的原子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。

和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面界的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形核区中原变形区间有应变能释放。现在是89页\一共有117页\编辑于星期四再结晶的晶界弓出的形核机制和液体结晶形核不相同的是如果达不到临界条件，晶界也会弯曲，到一定程度停止但不会消失(相关的定量数学式略)。同时位错低的一边的原子在晶核处重排列，从原变形状态改变为无变形状态，超过一定的区域与原晶粒形成大的取向差，即独立形成一新晶粒。

形核的临界条件是：其中ES为单位体积内的应变畸变能，σ为界面能，a为生成前晶界的半径。

现在是90页\一共有117页\编辑于星期四晶界弓出的形核例证晶界弓出形核这种现象在铜、镍、银、铝及铝—铜合金中曾直接观察到。

现在是91页\一共有117页\编辑于星期四再结晶的其它形核机制其他形核机制：在再结晶中的形核还有亚晶合并长大，详细过程就不分析了，总之核心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方先产生。

核心的长大是变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，从而可以减少变形应变能，新晶粒不断长大到相遇，最后全部为新晶粒，再结晶完成。

现在是92页\一共有117页\编辑于星期四再结晶动力学在一定变形量下，将变形金属在不同温度进行不同时间的退火，让其发生再结晶，用金相法测定发生再结晶的体积分数随时间的变化，得出结果如图所示。现在是93页\一共有117页\编辑于星期四再结晶动力学对于均匀结晶过程，即形核率N和长大速度G不变时，分析可以推导出转变分数XV和时间t的关系：

即Johnson—Mehl方程，这里忽略孕育期且未考虑生长后期晶粒相遇带来的影响。工程中常用数学回归的Avrami方程：式中常数B与材料种类和变形量等有关，常数n为反应级数，一般材料为3－4，板材(2－3)和线材(1－2)或更小。现在是94页\一共有117页\编辑于星期四再结晶动力学再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶程度，也存在温度和时间的等效关系：

其中激活能Q除决定于材料的类型(成分、纯度等)外，还和变形量的大小直接相关，显然退火前，材料的冷塑性变形量愈大，相应所需的激活能愈小。现在是95页\一共有117页\编辑于星期四影响再结晶速度的因数材料因素：①原子的结合力大，表现为熔点高的材料，再结晶进行较慢；②材料的纯度，纯净材料如纯金属，进行较快，而溶入了其他元素，特别是元素易在晶界处存在聚集时，将降低再结晶的速度；③第二相质点的存在，特别是其成弥散分布时，将明显降低再结晶的速度。

工艺因素：①加热温度愈高，再结晶速度愈快；②变形量大，弹性畸变能大，再结晶速度也快。当变形量过小，弹性畸变能不能满足形核的基本要求时，再结晶就不能发生，即能发生再结晶需要一起码的变形量，称为临界变形量δC，大多金属材料的临界变形量在2—10%之间。

现在是96页\一共有117页\编辑于星期四3晶粒长大晶粒长大的动力晶粒的正常长大晶粒的非正常长大现在是97页\一共有117页\编辑于星期四晶粒长大的动力晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就减小。为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的，长大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性，温度是影响界面活动性的最主要因素。现在是98页\一共有117页\编辑于星期四晶粒长大的动力分析两晶粒的界面如果是弯曲如图所示，则在晶粒Ⅰ内存在附加压力其中r1和r2分别为界面在两个方向的曲率半径。可见晶粒Ⅰ的化学位比晶粒Ⅱ要高，因而原子从晶粒Ⅰ越过晶界到晶粒Ⅱ，晶界向晶粒Ⅰ边迁移，会降低自由能，所以自发过程是界面向凹向边迁移。现在是99页\一共有117页\编辑于星期四现在是100页\一共有117页\编辑于星期四晶粒的正常长大晶粒长大在热力学上是必然，在长大过程中，所有能长大晶粒都处在大致相同的环境，长大后的晶粒大小分布统计结果相同，所以把这种晶粒的均匀长大称为正常长大。从晶界平衡可知，都为大角晶界时，小晶粒周围的原子数少于6，弯曲面向内，而大晶粒周围的原子数多于6，弯曲面向外，晶粒长大的方式是小晶粒变小到消失，而大晶粒不断变大，即大吃小的兼并方式进行。晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大。影响最后晶粒尺寸的因素和影响再结晶速度相同，但这时已经没有弹性畸变能的作用了，显然同一材料，退火过程中加热温度愈高，保温时间越长，长大后的晶粒就愈粗大。现在是101页\一共有117页\编辑于星期四晶粒的非正常长大在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的研究以为是形核和核心的生长过程，而称为“二次再结晶”，但实质并不是靠重新产生新的晶核，而是在一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大。材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们都对材料的性能带来十分不利的影响。现在是102页\一共有117页\编辑于星期四晶粒非正常长大图片异常长大的晶粒金相图片现在是103页\一共有117页\编辑于星期四晶粒非正常长大预防再结晶退火时发生晶粒异常长大的条件是：材料的冷变形程度较大，产生了织构(变形织构)，再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向(再结晶织构)，这时晶粒取向差小，晶界的界面能较小，正常长大速度较慢，个别较大的晶粒的取向不同，有较大的界面能，长大速度也较快，晶粒优先长大就有了可能；再结晶的加热温度较高，再结晶发生快，晶界容易移动又有足够的时间来进行晶粒长大。所以防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节。现在是104页\一共有117页\编辑于星期四4再结晶后的组织再结晶温度再结晶后的晶粒尺寸其他组织变化现在是105页\一共有117页\编辑于星期四再结晶温度再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是温度愈高，转变速度愈快。再结晶温度被定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内再结晶完成95%所对应的温度为再结晶温度，准确的称呼应是一小时再结晶温度。再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷变形程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低，最终有一下限值，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度在0.35TM左右，一般再结晶温度用0.4TM来估计。现在是106页\一共有117页\编辑于星期四再结晶后的晶粒尺寸1、预先变形量：在临界变形量(不同材料不相同，一般金属在2—10%之间)以下，材料不发生再结晶，维持原来的晶粒尺寸；在临界变形量附近，刚能形核，因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大，有时甚至可得到单晶；一般情况随着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大(>70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时发生晶粒的异常长大。现在是107页\一共有117页\编辑于星期四再结晶后的晶粒尺寸2、退火温度和时间：再结晶刚结束时，材料的晶粒尺寸一般与退火温度无明显的变化，但退火温度高，完成再结晶用的时间少，长大的时间就长，所以一般规律依然是随退火温度的提高而晶粒尺寸增大。再结晶退火一般均采用保温2小时，保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大，延长保温时间显然会造成晶粒尺寸的长大。现在是108页\一共有117页\编辑于星期四再结晶后的晶粒尺寸杂质：无论是固溶于晶体内的异类原子，还是在材料组