材料的形變與再結晶part

會計學1材料的形變與再結晶part緒論

第一章

原子結構與鍵合

第二章固體結構

第三章晶體缺陷

第四章固體中原子及分子的運動

第五章材料的形變與再結晶

第六章單組元相圖及純晶體的凝固

第七章二元相圖及其合金的凝固

材料科學基礎18一月20232第1頁/共52頁第五章材料的形變與再結晶本章主要內容：5.1彈性和粘彈性

5.2晶體的塑性變形

5.3回復和再結晶

5.4熱變形與動態(tài)回復、再結晶以下略

5.5陶瓷材料的變形

5.6高分子聚合物的變形

塑性變形的機制，對材料組織與性能的影響回復、再結晶機制與動力學18一月20233第2頁/共52頁彈性的不完整性（略）單晶的塑性變形：滑移、扭折、孿生的概念滑移面和滑移方向、滑移系滑移的位錯機制：點陣阻力-派-納力多晶體的塑性變形：Hall-Petch公式合金的塑性變形：形變強化、固溶強化和彌散強化材料的不同強化方式的強化機制塑性變形對材料組織與性能的影響回復與再結晶過程中組織與性能的改變再結晶形核機制、再結晶晶粒長大機制-再結晶動力學計算再結晶溫度及其影響因素【本章重要概念】18一月20234第3頁/共52頁冷變形（<Tm）熱變性（>Tm）按塑性變形溫度分體積成型（鍛造、軋制、擠壓、拉拔等）板料成型（沖裁、彎曲、拉延等）塑性變形（固態(tài)成型）塑性變形分類：塑性變形在金屬的鍛、軋、拉、擠加工過程中有重要作用。材料的塑性變形18一月20235第4頁/共52頁鍛、軋、拉、擠體積成型：鍛造軋制拉拔擠壓18一月20236第5頁/共52頁低碳鋼的拉伸試驗e彈性極限s屈服強度b抗拉強度彈性變形:具有可逆性，外力去除后可完全恢復塑性變形：不可逆

彈性變形（elasticdeformation）塑性變形（plasticdeformation）外力材料完整的塑性變形過程外形尺寸變化內部組織、性能變化塑性變形導致這種狀態(tài)自由焓較高，不穩(wěn)定，加熱后發(fā)生回復與再結晶18一月20237第6頁/共52頁r=r0

原子處于平衡位置位能U為Umin

最穩(wěn)定F=0rr0

即偏離其平衡位置

F＞引力

＜斥力力圖使原子恢復其原來的平衡位置5.1.1彈性的本質可從原子間結合力的角度來了解之。無外力作用時，原子間結合能和結合力是原子間距的函數(shù)?！?.1彈性和粘彈性(高分子)

彈性變形是塑性變形之前必經(jīng)歷的過程18一月20238第7頁/共52頁5.1.2彈性變形的特征（1）理想的彈性變形是可逆變形；（2）在彈性變形范圍內，應力-應變關系服從胡克（Hooke）定律：正應力下=E切應力下

=G各向異性彈性體的應力應變關系，即廣義虎克定律可用矩陣表示。（3）彈性變形量隨材料的不同而異。E-楊氏彈性模量G-剪切模量-泊松比G=E/2(1+)不同材料的彈、塑性性能差異很大;如金屬、陶瓷、高分子18一月20239第8頁/共52頁彈性模量E(Elasticmodulus)表征晶體中原子間結合力強弱的物理量,反映原子間的結合力。合金化影響小。共價鍵(E金剛石)

>金屬鍵>高分子-分子鍵。對單晶體而言，彈性模量是各向異性的：單晶體沿原子最密排的晶向Emax，沿原子最疏的晶向Emin。多晶體因晶粒任意取向，總體呈各向同性。工程上E是材料剛度的度量。18一月202310第9頁/共52頁※5.2晶體的塑性變形

本節(jié)內容包括：1.單晶體的塑性變形2.多晶體的塑性變形3.合金的塑性變形4.塑性變形對材料組織與性能的影響當應力超過彈性極限，材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生不可逆的永久變形。其本質與彈性變形相比更為復雜。具體分析：單晶體——>多晶體18一月202311第10頁/共52頁5.2.1單晶體（SingleCrystal）的塑性變形

滑移Slip孿生Twinning晶界滑動GrainboundarySliding擴散性蠕變DiffusionalCreep高溫情況下扭折kink塑性變形方式多晶體的晶粒內，由位錯運動方式?jīng)Q定多晶體的晶粒之間18一月202312第11頁/共52頁一、滑移（Slip）a.現(xiàn)象-滑移線與滑移帶單晶體的拉伸試驗塑性變形的不均勻性特征：滑移只沿一定的晶面、一定晶向進行純鐵金相組織中的滑移線18一月202313第12頁/共52頁b.滑移的晶體學特征-滑移系原因是：

1、原子密度最大的晶面上面間距最大、點陣阻力最小。2、最密排方向上的原子間距最短。-位錯運動克服的阻力最小?；葡担河删w中一個滑移面和該面上一個滑移方向組成,構成了滑移的空間取向。表5.3

常見金屬的滑移面與方向滑移的特征：通?；泼婧突品较蚩偸蔷w中原子密度最大的面和方向P-N力18一月202314第13頁/共52頁晶體結構不同，滑移系的數(shù)目不同

fcc：{111}有四組，而每個(111)面上共有三個[110]，共有4×3＝12個滑移系

hcp：1個(0001)面，3個<1120>方向共有1×3＝3個滑移系bcc：{110}面共有6組，每個{110}上有2個<111>方向{112}面共有12組，每個{112}1個<111>方向{123}面共有24組，每個{123}1個<111>方向

共有6×2＋12×1＋24×1＝48個滑移系一般滑移系愈多，滑移過程中可能采取的空間取向也就愈多，這種材料的塑性就愈好。18一月202315第14頁/共52頁c.滑移所需臨界分切應力確定滑移面和方向

Critical（resolved）shearstress圓柱形試樣單向拉伸情況下，作用在滑移面上沿滑移方向的切應力：其中作用在橫斷面上的拉伸應力取向因子A1=18一月202316第15頁/共52頁晶體滑移必須使t≥tc臨界分切應力:tc決定了位錯滑移的難易程度tc：取決晶體中原子間的結合力，即與晶體類型、純度（雜質）、溫度以及變形速度有關，與外力無關。見表5.4其中s-起始屈服強度，由取向因子決定圖5.9P175：當＝90°或＝90°時，s∞晶體不能產(chǎn)生滑移只有當＝＝45°時，smin首先發(fā)生滑移＝2tc18一月202317第16頁/共52頁d.滑移時晶面的轉動滑移面上發(fā)生相對位移晶面轉動空間取向發(fā)生變化晶體滑移拉伸時，使滑移面和滑移方向逐漸轉到與應力軸平行壓縮時，使滑移面和滑移方向逐漸轉到與應力軸垂直18一月202318第17頁/共52頁轉動的原因兩對力偶：上下兩滑移面的法向分應力在該力偶作用下，使滑移面轉至軸向平行垂直于滑移方向的分切應力在該力偶作用下，使滑移方向轉到最大分切應力方向平行滑移方向、真正引起滑移的有效分切應力作用于滑移面的最大分切應力18一月202319第18頁/共52頁形變過程：晶體滑移晶體轉動位向變化取向因子變化分切應力值變化e.多系滑移

Multipleslip多系滑移：

外力下，滑移首先會發(fā)生在分切應力最大、且t≥tc的滑移系－原始滑移系上。但由于伴隨晶體轉動空間位向變化另一組原取向不利；滑移系逐漸轉向比較有利的取向，從而開始滑移，形成兩組（或多組）滑移系同時進行或交替進行，稱為多系滑移。名詞解釋18一月202320第19頁/共52頁f.滑移的位錯機制

第3章提到：與實測值（約為1～10MPa）之間相差3～4個數(shù)量級。根據(jù)剛性位移模型，理論剪切強度(G一般為104～105MPa）修正后的理論剪切強度=G/30，仍然偏大。因為位錯運動時，只要附近少數(shù)原子移動很小的距離（小于一個原子間距），因此所需的應力要比晶體作整體剛性位移時小得多。這樣，借助于位錯的運動就可實現(xiàn)晶體逐步滑移。位錯概念引入解決這一矛盾：18一月202321第20頁/共52頁P178圖5.13

位錯中心能量的周期性變化1、位錯運動首先遇到點陣阻力——派.納力(P-Nforce)：對于簡單立方d=b，=0.35,得到P-N=2×10-4G，遠小于理論剪切強度G/30.–––說明位錯的滑移容易進行

P-N力與晶體結構和原子間作用力有關。從上式可知滑移面間距d↑、滑移方向原子間距b↓，則↓，因此：晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集的晶面并沿著最密集的晶向進行。2、除點陣阻力外，位錯與點缺陷、其他位錯、晶界(多晶體)、第二相質點（合金）等交互作用，對位錯的滑移運動均會產(chǎn)生阻力，導致晶體強化。（5.10）18一月202322第21頁/共52頁綜上所述，滑移變形的基本特點：滑移實質是位錯沿滑移面的運動過程滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上；沿著一定的晶面和晶向進行，滑移系較多的材料一般具有較好塑性；（fcc）滑移條件：在切應力作用下，且t＞

tc；滑移同時，滑移面和滑移方向將發(fā)生轉動；（略）18一月202323第22頁/共52頁二、孿生Twin金相觀察：純鎂、純鋅中的形變孿晶孿生變形的難易程度：和對稱性、滑移系數(shù)量有關。HCP>BCC>FCC，F(xiàn)CC極低溫下也會孿生-圖5.18

銅單晶拉伸曲線（4.2K）孿生的定義：滑移系較少的晶體（如hcp的

Mg,Zn,Ge），或滑移系較多的晶體在低溫下，或當滑移受阻時的一種變形方式。18一月202324第23頁/共52頁a.孿生變形過程P180圖5.16孿晶孿晶界孿晶面—>孿晶界孿生方向b.孿生的特點（簡答）

臨界切應力大于滑移的c均勻切應變

孿生是在切應力作用下沿特定的晶面與晶向產(chǎn)生的均勻切變。孿晶區(qū)的原子同時移動，同一層原子移動距離相同。鏡面對稱位向關系18一月202325第24頁/共52頁形核（難）：孿生臨界切應力比滑移的大得多，只有在滑移很難進行的條件下才會發(fā)生。例如，Mg孿生所需tc=4.9~34.3MPa，而滑移時tc僅為0.49MPa。長大（易）：例如，Zn單晶形核-0.1G，長大

-0.001G。萌生之初，能量大量積累—>孿晶的長大速度極快（與沖擊波的速度相當），有相當數(shù)量的能量被釋放出來。c.孿晶的形成方式變形（機械）孿晶：變形產(chǎn)生，呈透鏡狀或片狀生長孿晶：晶體生長過程中形成，包括氣、液、固相生長退火孿晶：退火過程中堆垛層錯生長形成，橫貫整個晶粒形核長大兩個階段變形孿晶的生長:

可分為18一月202326第25頁/共52頁d.孿生變形的意義：通過單純孿生直接達到的變形量是極為有限的。如Zn單晶，孿生只能獲得7.2～7.4％伸長率，遠小于滑移所作的貢獻。孿生變形改變了晶體的位向，從而可使晶體處于更有利于發(fā)生滑移的位置，激發(fā)進一步的滑移，獲得很大變形量，故間接貢獻卻很大。18一月202327第26頁/共52頁納米孿晶純銅孿晶強化、超塑性：拉伸強度是普通純銅的十倍以上,達到高強度鋼的強度水平;而室溫電導率與無氧高導銅相當孿晶強化（略）18一月202328第27頁/共52頁三、扭折Kink（概略）壓縮hcp時，外力與(0001)面平行，cos=0，故在(0001)面的t＝0，不能進行滑移或孿生。為了使晶體的形狀與外力相適應，當外力超過某一臨界值時，晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，即出現(xiàn)扭折現(xiàn)象。扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對稱變化。造成扭折的原因：滑移面的位錯在局部地區(qū)集中，從而引起的晶格彎曲。扭折的意義：是為適應外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形，對變形起一定的協(xié)調作用，使應力得到松弛，使晶體不致發(fā)生斷裂。另外扭折引起晶體的再取向，使扭折帶區(qū)域中的滑移系處于有利取向，使晶體形變能力進一步發(fā)揮。18一月202329第28頁/共52頁※

5.2.2多晶體的塑性變形

PlasticDeformationofpolycrystallineMaterials多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍晶粒同時發(fā)生相適應的變形來配合。一般多晶體為多系滑移，具有高的加工硬化率，變形抗力增大，強度顯著提高。具體分析：單晶體多晶體18一月202330第29頁/共52頁晶粒取向的影響外力F作用下處于有利取向的晶粒先開始滑移處于不利取向晶粒還未開始滑移變形不均勻為保持變形的連續(xù)性，周圍晶粒變形必須相互制約，相互協(xié)調多晶體塑性變形時，要求至少有5個獨立的滑移系相互協(xié)調來進行滑移。fcc,bcc滑移系多，處于有利位置的取向多→塑性好hcp滑移系少→塑性差18一月202331第30頁/共52頁位錯在晶界上產(chǎn)生塞積（交通堵塞）晶內發(fā)生較大變形，晶界處變形量較少，塑變抗力大，可觀察到位錯的塞積，位錯無法轉移到相鄰晶粒中。2~3個晶粒的試樣拉伸后呈竹結狀。二.晶界的阻滯效應多晶體塑性變形的另一個特點是晶界對變形過程的阻礙作用。晶界對多晶體變形產(chǎn)生阻礙作用的原因：

1、大角晶界處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重；2、晶界兩側的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致。18一月202332第31頁/共52頁三、晶粒大小對力學性能的影響（重要概念）

1.對室溫力學性能的影響－細晶強化：細晶組織具有良好的綜合力學性能，可兼顧強度和塑性晶粒愈細、晶界愈多→強化效應-ss

sbHV↑較好塑性，細晶的晶內和晶界附近應變差較小，變形較均勻，有可能斷裂前承受大量的變形Hall-Petch公式：屈服強度相當于單晶體的屈服強度晶粒平均直徑常數(shù)，反映晶界對變形的影響，與晶界結構有關晶界本身的強度對多晶體的加工硬化貢獻不大，多晶體加工硬化的主要原因來自晶界兩側晶粒的位向差。例見圖5.2518一月202333第32頁/共52頁2.對高溫強度的影響低溫時：晶界強度>晶內強度；加上晶界兩側晶粒位向差影響晶界對滑移有阻滯作用高溫時：溫度升高，與原子擴散速率有關的晶界滑動和與空位擴散有關的蠕變機制晶界強度<晶內強度等強溫度TE：ss晶界＝ss晶內18一月202334第33頁/共52頁一、單相固溶體合金的塑性變形

拉伸曲線：屈服現(xiàn)象yieldphenomenon

固溶體合金的特點：塑性好，固溶強化；會出現(xiàn)明顯的屈服點（Yieldpoints0.2）和應變時效現(xiàn)象。常采用的強化方式：固溶強化+形變強化※5.2.3合金的塑性變形

PlasticDeformationofAlloys單相合金多相合金18一月202335第34頁/共52頁a.固溶強化Solid-SolutionStrengthening

（重要概念）

通過溶入某種元素形成固熔體，固溶原子的存在使基體金屬的變形抗力提高，從而使金屬強度、硬度升高的現(xiàn)象

本質：溶質原子→點陣畸變

作用：溶質含量↑——固溶體合金的強度、硬度↑而塑性、韌性↓⑴溶質原子的濃度↑——固溶強化主要因素↑⑵置換型rx/rm相差愈大——固溶強化↑Why?⑶間隙強化方式比置換方式效果好；Why?⑷溶質原子與基體金屬的價電子數(shù)相差愈大，固溶強化效果愈顯著。Al-Mg、Al-Si固溶強化的主要影響因素：18一月202336第35頁/共52頁下屈服點：應力平臺起始點，此后在恒定的應力下發(fā)生屈服伸長。應力平臺上每一個波動對應于一個新的形變帶，即新Lüdersbond，當Lüdersbond擴展至試樣整個長度后，屈服伸長階段就告結束，應力又隨應變單調增加，開始均勻塑性變形階段。上屈服點：拉伸曲線應力突然下降的點，此時試樣開始屈服，發(fā)生明顯的塑性變形。在試樣表面觀察到與縱軸（拉伸軸）約呈45°的應變痕跡—（Lüdersbond）與試樣的未變形部分有明顯的界線。它是一種宏觀可見皺紋，也稱表面桔皮，在沖壓產(chǎn)品中需避免。b.屈服現(xiàn)象yieldphenomenon

塑料帶18一月202337第36頁/共52頁

屈服現(xiàn)象之本質和機理⑴Cottrell氣團理論

溶質原子與位錯之間的交互作用：位錯被溶質原子釘扎?。ㄈ绲吞间撝械腃原子—示意圖）。位錯運動必須掙脫這氣團，因而所需應力較高——上屈服點；一旦掙脫氣團的釘扎后便能在較低應力下運動——下屈服點。

無位錯的晶體也有屈服現(xiàn)象，why？⑵位錯增殖理論（P188）兩種理論結合一起解釋屈服現(xiàn)象上屈服點：可動位錯密度很低下屈服點：位錯迅速增殖

材料塑性變形的應變速率與可動位錯密度之間關系：位錯的柏氏矢量位錯運動的平均速度由試驗機夾頭的運動速度決定，接近于恒值應力敏感系數(shù)位錯作單位速度運動所需應力位錯受到有效切應力18一月202338第37頁/共52頁c.應變時效Strainaging（重要概念）塑變→卸載→拉伸→無屈服現(xiàn)象

┖─室溫停留幾天或200oC時效→拉伸→→重新出現(xiàn)屈服現(xiàn)象而且上屈服點比原來升高，這種現(xiàn)象稱為應變時效。用Cottrell氣團理論解釋：說明溶質原子再次擴散到了位錯周圍名詞解釋：將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預塑性變形后卸載，然后重新加載，試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象，但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，在室溫停留幾天或在低溫（如200℃）時效幾小時后再進行拉伸，此時屈服點現(xiàn)象重新出現(xiàn)，并且上屈服點升高，這種現(xiàn)象即應變時效。18一月202339第38頁/共52頁二.多相合金的塑性變形

PlasticDeformationofmultiphasealloy分為兩類：

1.聚合型合金兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級多相合金除基體相外，存在第二相2.彌散分布型合金第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中18一月202340第39頁/共52頁分兩種情況：a）兩相均為塑性相，合金的抗變形能力取決于兩相的體積分數(shù)。形變時，當較強相數(shù)量小時，則滑移和塑性變形基本上在較弱相中；只有第二相較強時，且占有一定體積分數(shù)（如f2>0.3）才能起明顯的強化作用。例如，Pb-Sn、Cu-Zn等二相合金。b）一相為塑性相，另一相為脆性相時，則合金的機械性能在很大程度上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小和分布情況。例如，亞共晶Al-Si合金、鋼中滲碳體Fe3C存在的數(shù)量和形貌就是明顯一例

1.聚合型合金18一月202341第40頁/共52頁2.彌散分布型合金

當?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植加诨w相中時，將會產(chǎn)生顯著的強化作用。

不可變形粒子的強化作用當運動位錯與其相遇時，將受到粒子阻擋，位錯線繞著它發(fā)生彎曲，隨著外加應力↑，位錯線彎曲更劇，最后形成包圍著粒子的位錯環(huán)留下，而位錯線的其余部分則越過粒子繼續(xù)運動。概念的區(qū)別沉淀強化和彌散強化半原子面18一月202342第41頁/共52頁一.顯微組織變化1.晶粒形狀變化

等軸晶——>纖維狀組織——強烈冷變形的特征各向同性——>各向異性2.亞結構變化P191圖5.36位錯密度迅速增長，形成位錯纏結106~107cm-2->1011~1012cm-2※5.2.4塑性變形后組織與性能的變化18一月202343第42頁/共52頁圖5.36銅材經(jīng)過不同程度冷軋后的光學顯微組織及薄膜投射電鏡像圖a,b胞狀亞結構：變形晶粒是由許多“胞”所組成，各個胞之間有著微小的取向差。圖c,d高密度纏結位錯主要集中在胞的周圍地帶構成“胞壁”，而胞內位錯密度很低。圖e,f隨變形量↑，胞數(shù)量↑，尺寸↓，細長帶狀胞18一月202344第43頁/共52頁二.性能變化

1.加工硬化

塑性變形后，性能上最為突出的變化是強度（硬度）顯著提高，塑性迅速下降。書中圖5.39，表5.6(P193)

加工硬化的本質：與位錯間的交互作用及位錯增殖、密度增加有關

┗━釘扎

→繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應力才能繼續(xù)變形→加工硬化

加工硬化是材料強化的一個重要的途徑；特別是純金屬及某些不能通過固溶時效熱處理強化的合金。由于材料具有加工硬化特性，形變才得以傳遞和擴展使整個零件在宏觀上能夠均勻變形。定量關系式：18一月202345第44頁/共52頁

⑴電阻率：塑性變形使金屬的電阻率升高。變化程度因材質而異，如純銅、黃銅、鎢絲。另外，電阻溫度系數(shù)下降、導磁率下降、導熱系數(shù)下降等⑵腐蝕速度：塑變使缺陷增多，擴散過程加速，腐蝕速度加快⑶密度：對含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）的金屬，經(jīng)塑性變形后可能使密度上升⑷彈性模量：塑變使彈性模量升高2.其它性能的變化18一月202346第45頁/共52頁三.變形織構Deformationtexture

單向塑性變形時，多晶體中原為任意位向的各個晶粒經(jīng)轉動后會使各個晶粒的取向趨于一致，這個過程稱為“擇優(yōu)取向”，擇優(yōu)取向后的晶體結構稱為“織構”（Texture）——變形織構退火織構和再結晶織構（略）18一月202347第46頁/共52頁1.絲織構：拉絲時形成的織構，其特點：各個晶粒的某一晶向與拉拔方向平行或接近平行，用<uvw>表示，如冷拔鐵絲織構為<110>織構2.板織構：軋制時形成，其特征：多個晶粒的某一晶向趨向于與軋向平行，用{hkl}<uvw>表示，如冷軋黃銅H70具有{110}<112>織構?？棙嬙斐刹牧细飨虍愋?，在板材及線材生產(chǎn)應用中極其重要。織構有利有弊---各向異性：沖壓性；磁性。18一月202348第47頁/共52頁四.殘余應力ResidualStress殘余應力－不均勻變形而致外力作用施加的總能量逸散能≥90％儲存能