《塑性变形与再结晶》课件

塑性变形与再结晶内容提要塑性变形金属材料在外力作用下发生永久性变形的过程，涉及晶体结构的改变。再结晶经过塑性变形后的金属在加热时，晶粒重新生长并形成新的晶粒结构的过程。1.塑性变形的基本原理晶体结构与缺陷金属材料通常具有晶体结构，并存在各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。塑性滑移与孪晶变形塑性变形主要通过滑移和孪晶两种机制进行，滑移是指晶体内部原子层沿特定方向的相对滑动，而孪晶则是通过晶体内部原子层的重新排列来改变晶体的形状。晶体结构与缺陷晶格结构金属材料的晶体结构是原子在空间呈周期性排列，形成有序的晶格结构。缺陷晶格结构中的不完整性，例如空位、间隙原子和位错，会影响材料的性能。晶粒多晶材料由许多晶粒组成，每个晶粒具有相同的晶体结构，但取向不同。塑性滑移与孪晶变形滑移变形原子沿特定晶面和晶向发生相对位移，形成滑移面。孪晶变形晶体的一部分相对于另一部分发生镜像对称，形成孪晶界面。加工硬化与动态回复加工硬化塑性变形会导致材料的强度和硬度提高，同时塑性和韧性下降，这种现象被称为加工硬化。加工硬化是由于位错密度增加导致的。动态回复在高温变形过程中，位错会发生滑移、攀移等运动，部分位错会相互湮灭，位错密度降低，从而导致材料强度下降，塑性提高，这种现象被称为动态回复。回复与再结晶过程静态回复在较低温度下，金属材料发生形变后，其内部积累的能量通过原子扩散和位错运动的方式释放，以减轻应力，从而使金属材料的强度降低，延展性提高。动态再结晶在较高温度下，金属材料发生形变过程中，同时进行着晶粒长大，使材料的强度降低，塑性提高。静态再结晶在变形后，金属材料在较高温度下保温，由于原子扩散，材料中的新晶粒逐渐长大，使材料的强度进一步降低，塑性进一步提高。静态回复1点缺陷晶格中的点缺陷迁移和重新排列，导致内部应力减小，从而降低了材料的硬度和强度。2位错位错的运动和相互作用，导致位错缠结，降低了材料的强度，但仍然保留了部分塑性。3晶粒尺寸由于静态回复过程，晶粒尺寸发生细化，增加了晶界数量，从而提高了材料的强度和韧性。动态再结晶发生条件在较高温度下进行塑性变形时发生，变形过程中同时进行晶粒长大。特点新晶粒的形核和长大同时进行，可获得细小且均匀的晶粒组织。影响因素变形温度、变形速率、合金成分等因素都会影响动态再结晶的发生。静态再结晶热处理在一定的温度下保温一段时间，使金属材料内部组织发生改变，从而改善其性能的过程。晶粒长大在热处理过程中，材料内部的晶粒会发生长大，新生的晶粒会逐渐取代旧的晶粒，最终形成新的晶粒结构。性能提升静态再结晶后，材料的强度降低，但韧性和塑性会得到改善，同时加工性能也得到了提升。影响再结晶的因素1变形程度变形程度越高，再结晶温度越低，再结晶速度越快。2变形温度变形温度越高，再结晶温度越低，再结晶速度越快。3变形速率变形速率越高，再结晶温度越低，再结晶速度越快。变形程度1影响形核变形程度越高，形核越多。2影响晶粒尺寸变形程度越高，晶粒尺寸越小。3影响再结晶温度变形程度越高，再结晶温度越低。变形温度高温变形促进原子扩散，有利于动态再结晶。低温变形抑制原子扩散，有利于加工硬化。变形速率变形速率变形速率指单位时间内材料的变形量，影响着再结晶过程的动力学。高变形速率高变形速率会导致较小的晶粒尺寸，因为核的形成速率更快，但生长速率受限。低变形速率低变形速率可能导致较大的晶粒尺寸，因为核的形成速率较慢，但生长速率相对较高。合金成分溶质原子溶质原子可以改变晶格结构，影响形核和长大过程。固溶强化合金元素可以提高材料的强度和硬度，但可能降低韧性。第二相第二相粒子可以阻碍晶粒长大，细化晶粒尺寸，提高强度和韧性。4.再结晶的微观机理再结晶是一个复杂的物理过程，它涉及到新晶粒的形核和生长。形核在变形金属中，高能缺陷区域更容易形成新晶粒，新晶粒的形核通常发生在亚晶界、孪晶界或其他缺陷聚集处。生长新晶粒的生长是通过原子从旧晶粒向新晶粒的迁移实现的，新晶粒的生长速度取决于形核位置的能量状态和温度。新晶粒的形核形核机制形核是指新晶粒在变形金属中形成的过程。这通常发生在晶界、亚晶界或其他缺陷处，这些地方的原子排列不规则，能量较高，更容易发生形核。形核类型形核类型主要有两种：均匀形核和非均匀形核。均匀形核是指新晶粒在晶体内部形成，而非均匀形核是指新晶粒在晶界或亚晶界等缺陷处形成。影响形核的因素形核速率受多种因素影响，包括变形程度、温度、变形速率、合金成分等。这些因素影响着新晶粒形核所需的能量和形核速率。新晶粒的生长1晶界迁移新晶粒生长主要通过晶界迁移进行，即新晶粒吞噬周围旧晶粒的过程。2能量驱动晶界迁移由能量驱动，新晶粒具有较低的能量状态，因此会倾向于生长。3影响因素温度、晶粒尺寸、晶界能量等因素都会影响晶粒生长速率。结构与性能的演化变形前晶粒细小，排列紧密。再结晶后晶粒长大，排列疏松。再结晶对力学性能的影响再结晶会显著改变材料的力学性能，影响其强度、韧性和塑性。强度再结晶会导致材料强度下降，因为新晶粒的尺寸较小，晶界面积增加，晶界强度较低。韧性再结晶可以提高材料的韧性，因为新晶粒的尺寸更均匀，且晶界相对于变形组织更加连续，从而提高了材料的断裂韧性。强度再结晶后，金属材料的强度通常会降低，因为晶粒尺寸增大，晶界数量减少，晶界对位错的阻碍作用减弱。然而，再结晶过程可以使金属材料的强度得到改善，例如，通过控制再结晶过程，可以获得具有特定强度的金属材料。例如，在热处理工艺中，可以通过控制再结晶过程来获得具有较高强度的金属材料。韧性断裂韧性材料抵抗断裂的能力冲击韧性材料抵抗冲击载荷的能力塑性塑性是指材料在拉伸或压缩等外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。塑性变形是材料在不发生断裂的情况下发生永久形状改变的过程。塑性越好，材料越容易被加工成各种形状，例如锻造、轧制、拉伸等。工艺中的应用实例轧制通过轧辊对金属材料进行压缩变形，使材料厚度减小，宽度增加，并获得所需的形状和尺寸。锻造通过锻锤或压力机对金属材料进行锤击或挤压，使材料发生塑性变形，获得所需的形状和尺寸。轧制塑性变形轧制过程涉及金属材料在轧辊之间经过反复压缩，从而改变材料的形状和尺寸。再结晶高温轧制过程中，金属材料会经历再结晶过程，形成新的晶粒，改善材料的性能。应用轧制广泛应用于金属板材、型材和管材的生产，例如钢板、铝板、铜板等。锻造塑性变形锻造过程中，金属材料在高温下受到锤击或压力，发生塑性变形，使金属组织发生改变。再结晶锻造过程中的高温和变形会促使金属材料发生再结晶，形成新的晶粒，提高其力学性能。热处理1退火通过加热和缓慢冷却，消除金属内部的应力和提高韧性。2正火将金属加热到奥氏体化温度并快速冷却，提高强度和硬度。3淬火将金属加热到奥氏体化温度后，快速冷却在水中或油中，提高硬度。4回火将淬火后的金属再次加热到一定温度并保温一段时间，降低硬度，提高韧性。本课程的总结与展望本课程深入探讨了塑性变形和再结晶在材料科学和工程中的重要作用。通过对基本原理、过程机制、影响因素和应用实例的系统学习，同学们能够更全面地理解材料的变形行为和再结晶过程。塑性变形与再结晶的关系相互依存塑性变形是再结晶的必要条件，再结晶是塑性变形后的必然结果。结构演化塑性变形改变金属内部结构，再结晶通过晶粒长大，恢复结构完整性。性能调节通过控制塑性变形和再结晶，可以调节金属的强度、韧性和塑性等性能。未来研究方向微观机制深入研究再结晶过程中晶粒形核、生长、长大以及晶界迁移的微观机制，探究原子尺度上的动力学过程。利用先进的计算模拟方法，如分子动力学模拟、第一性原理计算等，模拟再结晶过程，预测材料的力学性能和结构演化趋势。开发新的