材料的形變和再結(jié)晶

材料的形變和再結(jié)晶第一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一本章講授的主要內(nèi)容晶體的塑性變形單晶體的塑性變形多晶體的塑性變形合金的塑性變形塑性變形對材料組織與性能的影響回復(fù)和再結(jié)晶冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大再結(jié)晶織構(gòu)與退火孿晶第二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.1晶體的塑性變形塑性加工金屬材料獲得鑄錠后，可通過塑性加工的方法獲得一定形狀、尺寸和機(jī)械性能的型材、板材、管材或線材。塑性加工包括鍛壓、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。金屬在承受塑性加工時，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，會產(chǎn)生塑性變形，這對金屬的結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生重要的影響。第三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.1.1單晶體的塑性變形單晶體:滑移孿生扭折

滑移滑移是晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動。第四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)滑移線

為了觀察滑移現(xiàn)象，可將經(jīng)良好拋光的單晶體金屬棒試樣進(jìn)行適當(dāng)拉伸，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，即可在金屬棒表面見到一條條的細(xì)線，通常稱為滑移線.與滑移帶

高倍分析發(fā)現(xiàn)：在宏觀及金相觀察中看到的滑移帶并不是單一條線，而是由一系列相互平行的更細(xì)的線所組成的，稱為滑移帶。

對滑移線的觀察也表明了晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對位移而已。第五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運(yùn)動的結(jié)果

滑移并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的相對滑動，而是通過位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。在切應(yīng)力作用下，一個多余半原子面從晶體一側(cè)到另一側(cè)運(yùn)動．即位錯自左向右移動時，晶體產(chǎn)生滑移。由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數(shù)倍。

第六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)滑移系

塑性變形時位錯只沿著一定的晶面和晶向運(yùn)動，這些晶面和晶向分別稱為“滑移面”和“滑移方向”—滑移系晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同。

第七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)滑移的臨界分切應(yīng)力

晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的，但其中許多滑移系并非同時參與滑移，而只有當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時，該滑移系方可以首先發(fā)生滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力?；频呐R界分切應(yīng)力是一個真實(shí)反映單晶體受力起始屈服的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度，以及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度，以及滑移系類型等因素有關(guān)。

第八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)滑移時晶面的轉(zhuǎn)動

單晶體滑移時，除滑移面發(fā)生相對位移外，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動，對于只有一組滑移面的hcp，這種現(xiàn)象尤為明顯。晶體受壓變形時也要發(fā)生晶面轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的結(jié)果是使滑移面逐漸趨于與壓力軸線相垂直。第九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一滑移的特點(diǎn)多系滑移

對于具有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進(jìn)行，但由于變形時晶面轉(zhuǎn)動的結(jié)果，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生多系滑移。

第十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一孿生

孿生是塑性變形的另一種重要形式，它常作為滑移不易進(jìn)行時的補(bǔ)充。孿生變形過程第十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一孿生的特點(diǎn)（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時大得多。（2）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。（3）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對稱的位向關(guān)系。第十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一孿晶的形成孿晶的主要方式有三種：

一是通過機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為“變形孿晶”或“機(jī)械孿晶”，它的特征通常呈透鏡狀或片狀；二為“生長孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長大時形成的孿晶；三是變形金屬在其再結(jié)晶退火過程中形成的孿晶，也稱為“退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個晶粒，是在再結(jié)晶過程中通過堆垛層錯的生長形成的。通常，對稱性低、滑移系少的密排六方金屬如Cd，Zn，Mg等往往容易出現(xiàn)孿生變形。第十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一討論：滑移和孿生的比較相同方面從宏觀上看二者都是晶體在剪應(yīng)力作用下發(fā)生的均勻剪切變形。從微觀上看二者都是晶體塑性形變的基本方式，是晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向平移。從變形機(jī)制看二者都是晶體中位錯運(yùn)動的結(jié)果。二者都不改變晶體結(jié)構(gòu)。第十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一不同方面滑移不改變位向，即晶體中已滑移部分和未滑移部分的位向相同。孿生則改變位向．即已孿生部分(孿晶)和未孿生部分(基體)的位向不同，而且兩部分具有特定的位向關(guān)系(對稱關(guān)系)?；茣r原子的位移是沿滑移方向的原子間距的整數(shù)倍，而且在一個滑移面上的總化移往往很大。但孿生時原子的位移小于孿生方向的原子間距?；茣r只要晶體有足夠的塑性，切變可以為任意值。但孿生時切變是一個確定值(由晶體結(jié)構(gòu)決定)，且一般都較小。因此滑移可以對晶體的塑性變形有很大的貢獻(xiàn)，而孿生對塑性變形的直接貢獻(xiàn)則非常有限。雖然由于孿生引起位向變化，可能進(jìn)一步誘發(fā)滑移，但總的來說，如果某種晶體的主要變形方式是孿生，則它往往比較脆。第十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一不同方面雖然從宏觀上看，滑移和孿生都是均勻切變，但從微觀上看，孿生比滑移變形更均勻，因?yàn)樵趯\生時每相鄰兩層平行于孿生面的原子層都發(fā)生同樣大小的相對位移。而滑移時，相鄰滑移線間的距離達(dá)到數(shù)百埃以上，相鄰滑移帶間的距離則更大，但滑移只發(fā)生在滑移線處．滑移線之間及滑移帶之間的區(qū)域均無變形，故變形是不均勻分布的?；七^程比較平緩，因而相應(yīng)的拉伸曲線比較光滑、連續(xù)。孿生往往是突然發(fā)生的，甚至可以聽見急促的響聲，相應(yīng)的拉伸曲線上出現(xiàn)鋸齒形的脈動?；坪蛯\生發(fā)生的條件往往不同。晶體的對稱度越低，越容易發(fā)生孿生。此外，變形溫度越低，加載速率越高(如沖擊加載)，也越容易發(fā)生孿生。第十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一不同方面滑移有確定的(雖然是近似的)臨界分切應(yīng)力，而孿生是否也存在著確定的臨界分切應(yīng)力則尚無實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但一般來說，引起孿生所需的分切應(yīng)力往往高于滑移的臨界分切應(yīng)力?；剖侨诲e運(yùn)動的結(jié)果，孿生則是分位錯運(yùn)動的結(jié)果。第十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一如何根據(jù)變形后的樣品表面形貌來區(qū)別孿晶、滑移帶

比較可靠的識別方法是，先將變形后的樣品表面磨光或拋光．使變形痕跡(孿晶、滑移帶)全部消失。再選用適當(dāng)?shù)母虅└g樣品表面，然后在顯微鏡下觀察。如果看不到變形痕跡(即樣品表面處處襯度一樣)，則該樣品原來的表面形變痕跡必為滑移帶。這是因?yàn)榛撇粫鹞幌虿睿时砻娓魈幐g速率相同，原來光滑的平面始終保持平面，沒有反差。如果在腐蝕后的樣品表面上重新出現(xiàn)變形痕跡，則它必為孿晶．因?yàn)閷\晶內(nèi)的位向是不同于周圍未變形區(qū)域的，因而其腐蝕速率也不同于未變形區(qū)，故在表面就出現(xiàn)襯度不同的區(qū)域。第十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一（3）扭折

由于各種原因，晶體中不同部位的受力情況和形變方式可能有很大的差異，對于那些既不能進(jìn)行滑移也不能進(jìn)行孿生的地方，晶體將通過其他方式進(jìn)行塑性變形。為了使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過某一臨界值時晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域則稱為扭折帶。扭折變形與孿生不同，它使扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對稱性的變化。扭折是一種協(xié)調(diào)性變形，它能引起應(yīng)力松弛，使晶體不致斷裂。并且通過晶體取向的改變是滑移系處于有利取向，進(jìn)一步產(chǎn)生滑移。第十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.1.2多晶體的塑性變形

工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。但由于多晶體材料中存在單晶體所不具備的晶體學(xué)特征，包括：晶粒位向不同、晶粒大小不同、晶界，因此著重討論這些特征對變形的影響。第二十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一晶粒取向的影響，主要表現(xiàn)在各晶粒變形過程中的相互制約和協(xié)調(diào)性。多晶體中每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向(軟位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向偏離最大切應(yīng)力方向(硬位向)。在發(fā)生滑移時，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其他晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形。但多晶體中每個晶粒都處于其他晶粒包圍之中，它的變形必然與其鄰近晶粒相互協(xié)調(diào)配合，不然就難以進(jìn)行變形，甚至不能保持晶粒之間的連續(xù)性，會造成空隙而導(dǎo)致材料的破裂。為了使多晶體中各晶粒之間的變形得到相互協(xié)調(diào)與配合，多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移。滑移系甚多的面心立方和體心立方晶體能滿足這個條件，故它們的多晶體具有很好的塑性；相反，密排六方晶體由于滑移系少，晶粒之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)性很差，所以其多晶體的塑性變形能力可低。晶粒取向的影響第二十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一

為了研究晶界的力學(xué)行為，有人將同樣的多晶α-Fe試樣分別在室溫和高溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。這些試樣的晶界都近似垂直于試樣軸。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在室溫下拉伸時，靠近晶界處試樣的直徑變化很小，遠(yuǎn)離晶界處則直徑顯著減小。在高溫下拉伸時情況恰好相反：晶界附近試樣顯著變細(xì)，遠(yuǎn)離晶界處則變化很小，如圖所示。晶界的影響第二十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一試驗(yàn)表明，低溫或室溫下，晶界強(qiáng)而晶粒本身弱；高溫下則相反。這樣就必然存在著一個溫度，在此溫度下晶界和晶粒本身強(qiáng)度相等。這個溫度便稱為等強(qiáng)溫度。第二十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一晶界在多晶體塑性形變中的作用協(xié)調(diào)作用

多晶體在塑性形變時各晶粒都要通過滑移或?qū)\生而變形。但由于多晶體是一個整體，各晶粒的變形不能是任意的，而必須相互協(xié)調(diào)，否則在晶界處就會裂開。晶界正是起著協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形的作用。由于協(xié)調(diào)變形的要求，在晶界處變形必須連續(xù)，亦即兩個相鄰晶粒在晶界處的變形必須相同。第二十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一晶界在多晶體塑性形變中的作用障礙作用

在低溫或室溫下變形時，由于晶界比晶粒強(qiáng)，故滑移主要在晶粒內(nèi)進(jìn)行。它不可能穿過晶界而在相鄰晶粒內(nèi)進(jìn)行?？梢?，晶界限制了滑移。另一方面，由于晶界內(nèi)大量缺陷的應(yīng)力場，使晶粒內(nèi)部(特別是靠近晶界區(qū))滑移更困難，或者說，需要更高的外加應(yīng)力才能滑移。這就是晶界的障礙作用。第二十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一晶界在多晶體塑性形變中的作用促進(jìn)作用

在高溫下變形時，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒內(nèi)滑移外，相鄰兩個晶粒還會沿著晶界發(fā)生相對滑動，此稱為晶界滑動。晶界滑動也造成晶體宏觀塑性變形，但變形量往往遠(yuǎn)小于滑移和孿生引起的塑性變形。第二十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一晶界在多晶體塑性形變中的作用起裂作用一方面，由于晶界阻礙滑移，此處往往應(yīng)力集中；另一方面，由于雜質(zhì)和脆性，第二相往往優(yōu)先分布于晶界，使晶界變脆；這樣在變形過程中裂紋往往起源于晶界。此外，由于晶界處缺陷多，原子處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)作用下，晶界往往優(yōu)先被腐蝕(晶間腐蝕)，形成微裂紋。第二十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一所謂晶粒度就是指晶粒的大小。它可以用單位體積材料中的晶粒數(shù)或單位截面面積內(nèi)的晶粒數(shù)來度量。但較方便的表示方法是將晶粒近似地看成是球形，把各球形晶粒的平均直徑d作為晶粒度的度量。晶粒度對晶體的各種性能都有影響，而影響最大的是變形過程的力學(xué)性能，特別是對屈服極限的影響。一般來說，晶粒越細(xì)，阻礙滑移的晶界便越多(或晶界面積越大)，屈服極限也就越高。大多數(shù)金屬的屈服極限和晶粒度符合Hall-Petch公式。精細(xì)的實(shí)驗(yàn)表明，具有明顯屈服點(diǎn)的金屬特別符合該公式，而沒有明顯屈服點(diǎn)的FCC金屬則不甚符合。除了屈服極限外，金屬的硬度和晶粒度也有一定的關(guān)系。晶粒度的影響第二十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一多晶體塑性形變的微觀特點(diǎn)

和單晶體的塑性形變相比，多晶體的塑性形變有三個突出的微觀特點(diǎn)，即：多方式、多滑移和不均勻。多滑移和單晶體不同，多晶體變形時開動的滑移系統(tǒng)不僅僅取決于外加應(yīng)力，而且取決于協(xié)調(diào)變形的要求。理論分析表明，為了維持多晶體的完整性．即在晶界處既不出現(xiàn)裂紋．也不發(fā)生原子的堆積．每個晶粒至少要有五個滑移系統(tǒng)同時開動，雖然這些系統(tǒng)的分切應(yīng)力并非都最大。實(shí)驗(yàn)觀察也證明，多滑移是多晶體塑性形變時的一個普遍現(xiàn)象。第二十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一多方式

多晶體的塑性形變方式除了滑移和孿生外，還有晶界滑動和遷移，以及點(diǎn)缺陷的定向擴(kuò)散。滑移和孿生是室溫和低溫下塑性形變的重要方式，此時外加應(yīng)力超過晶體的屈服極限。晶界滑動和遷移是高溫下的塑性形變方式之一，此時外加應(yīng)力往往低于該溫度下的屈服極限。試樣會發(fā)生隨時間不斷增加的緩慢的塑性變形(蠕變)，其微觀變形方式主要就是晶界滑動和遷移。如果試驗(yàn)溫度非常高，而外加應(yīng)力非常低，還可能出現(xiàn)由于點(diǎn)缺陷的定向擴(kuò)散而引起的塑性變形(亦稱擴(kuò)散蠕變)。在這種情況下，由于溫度極高，間隙原子和空位等點(diǎn)缺陷的遷移率很大，在外加應(yīng)力作用下它們將發(fā)生定向擴(kuò)散：間隙原子運(yùn)動到和拉應(yīng)力垂直的晶面之間，使晶體沿拉應(yīng)力方向膨脹，或者空位運(yùn)動到和壓應(yīng)力垂直的晶面上，使晶體沿壓應(yīng)力方向收縮。第三十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一不均勻

和單晶體相比，多晶體的范性形變更加不均勻。除了更多系統(tǒng)的多滑移外．由于晶界的約束作用，晶粒中心區(qū)的滑移量也大于邊緣區(qū)(即晶界附近的區(qū)域)。在晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動時中心區(qū)的轉(zhuǎn)角也大于邊緣區(qū)，因此多晶體變形后的組織中會出現(xiàn)更多、更明顯的滑移帶、形變帶和晶面彎曲，也會形成更多的晶體缺陷。

以上討論了多晶體塑性形變的三個基本特點(diǎn)。由于這些特點(diǎn)，特別是多滑移和變形的不均勻性，又派生出其它特點(diǎn)。包括：①產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；②出現(xiàn)加工硬化；③形成纖維組織(即雜質(zhì)和第二相擇優(yōu)分布)和擇優(yōu)取向(織構(gòu))。第三十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.1.3合金的塑性變形按合金組成相不同，主要可分為單相固溶體合金和多相合金，它們的塑性變形又各具有不同特點(diǎn)。1．單相固溶體合金的塑性變形

和純金屬相比最大的區(qū)別在于單相固溶體合金中存在溶質(zhì)原子。溶質(zhì)原子對合金塑性變形的影響主要表現(xiàn)在固溶強(qiáng)化，提高塑性變形阻力，此外，部分固溶體會出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)和應(yīng)變時效現(xiàn)象。第三十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一團(tuán)溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子的存在及其固溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之提高。

第三十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一

不同溶質(zhì)原子所引起的固溶強(qiáng)化效果存在很大差別。溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用也越大，特別是當(dāng)原子數(shù)分?jǐn)?shù)很低時的強(qiáng)化效應(yīng)更為顯著。溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大。間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強(qiáng)化效果。溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。第三十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一屈服現(xiàn)象圖為低碳鋼典型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，與一般拉伸曲線不同，出現(xiàn)了明顯的屈服點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)時，首先在試樣的應(yīng)力集中處開始塑性變形，并在試樣表面產(chǎn)生一個與拉伸軸約成45°交角的變形帶一呂德斯（Lüders）帶，與此同時，應(yīng)力降到下屈服點(diǎn)。隨后這種變形帶沿試樣長度方向不斷形成與擴(kuò)展，從而產(chǎn)生拉伸曲線平臺的屈服伸長。當(dāng)屈服擴(kuò)展到整個試樣標(biāo)距范圍時，屈服延伸階段就告結(jié)束。第三十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一應(yīng)變時效

當(dāng)退火狀態(tài)低碳鋼試樣拉伸到超過屈服點(diǎn)發(fā)生少量塑性變形后（曲線a）卸載，然后立即重新加載拉伸，則可見其拉伸曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)（曲線b），此時試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象。如果不采取上述方案，而是將預(yù)變形試樣在常溫下放置幾天或經(jīng)200℃左右短時加熱后再行拉伸，則屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力進(jìn)一步提高（曲線c），此現(xiàn)象通常稱為應(yīng)變時效。

第三十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一2．多相合金的塑性變形由于第二相的數(shù)量、尺寸、形狀和分布不同，基體相的結(jié)合狀況不一、第二相的形變特征與基體相的差異，使得多相合金的塑性變形更加復(fù)雜。根據(jù)第二相粒子的尺寸大小可將合金分成兩大類：若第二相粒子與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級，稱為聚合型兩相合金；若第二相粒子細(xì)小而彌散地分布在基體晶粒中，稱為彌散分布型兩相合金。第三十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一聚合型合金的塑性變形當(dāng)組成合金的兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級，且都為塑性相時，則合金的變形能力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)證明，這類合金在發(fā)生塑性變形時，滑移往往首先發(fā)生在較軟的相中，如果較強(qiáng)相數(shù)量較少時，則塑性變形基本上是在較弱的相中；只有當(dāng)?shù)诙酁檩^強(qiáng)相，且體積分?jǐn)?shù)大于30％時，才能起明顯的強(qiáng)化作用。第三十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一彌散分布型合金的塑性變形

當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。第二相粒子的強(qiáng)化作用是通過其對位錯運(yùn)動的阻礙作用而表現(xiàn)出來的。通?？蓪⒌诙嗔Ｗ臃譃椤安豢勺冃蔚摹焙汀翱勺冃蔚摹眱深?。（1）可變形微粒的強(qiáng)化作用當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榭勺冃挝⒘r，位錯將切過粒子使之隨同基體一起變形。在這種情況下，強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)，以及與基體的聯(lián)系，其強(qiáng)化機(jī)制甚為復(fù)雜。第三十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一（2）不可變形粒子的強(qiáng)化作用當(dāng)運(yùn)動位錯與其相遇時，將受到粒子阻擋，使位錯線繞著它發(fā)生彎曲。隨著外加應(yīng)力的增大，位錯線受阻部分的彎曲更劇，以致圍繞著粒子的位錯線在左右兩邊相遇，于是正負(fù)位錯彼此抵消，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)移動。顯然，位錯按這種方式移動時受到的阻力是很大的，而且每個留下的位錯環(huán)要作用于位錯源一反向應(yīng)力，故繼續(xù)變形時必須增大應(yīng)力以克服此反向應(yīng)力。該位錯繞過障礙物的機(jī)制通常稱為奧羅萬機(jī)制。

第四十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響纖維組織形成金屬發(fā)生塑性變形后，晶粒發(fā)生變形，沿形變方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時，晶粒變成細(xì)條狀(拉伸時)，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維組織。

第四十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大的塑性變形時，由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)，并相互纏結(jié)，形成不均勻的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。

第四十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響形變織構(gòu)產(chǎn)生

金屬塑性變形到很大程度時，各個晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉(zhuǎn)動，逐漸使多晶體中原來取向互不相同的各個晶粒在空間取向上呈現(xiàn)一定程度的規(guī)律性，這一現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)則稱為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)隨加工變形方式不同主要有兩種類型：拔絲時形成的織構(gòu)稱為絲織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一晶向大致與拔絲方向相平行；軋板時形成的織構(gòu)稱為板織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向分別趨于同軋面與軋向相平行。第四十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響殘余應(yīng)力塑性變形中外力所作的功除大部分轉(zhuǎn)化成熱之外，還有一小部分以畸變能的形式儲存在形變材料內(nèi)部。這部分能量叫做儲存能。按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，可將其分為三種：（1）第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力，它是由工件不同部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應(yīng)力平衡范圍包括整個工件。這類殘余應(yīng)力所對應(yīng)的畸變能不大，僅占總儲存能的0.1％左右。（2）第二類內(nèi)應(yīng)力，又稱微觀殘余應(yīng)力，它是由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻性產(chǎn)生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當(dāng)。這種內(nèi)應(yīng)力有時可達(dá)到很大的數(shù)值，甚至可能造成顯微裂紋并導(dǎo)致工件破壞。（3）第三類內(nèi)應(yīng)力，又稱點(diǎn)陣畸變。其作用范圍是幾十至幾百納米，它是由于工件在塑性變形中形成的大量點(diǎn)陣缺陷。變形金屬中儲存能的絕大部分（80％~90％）用于形成點(diǎn)陣畸變。這部分能量提高了變形晶體的能量，并導(dǎo)致塑性變形金屬在加熱時的回復(fù)及再結(jié)晶過程。第四十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響各向異性

由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向的。具有形變織構(gòu)的金屬，在隨后的再結(jié)晶退火過程中極易形戰(zhàn)再結(jié)晶織構(gòu)。用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。第四十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響理化性能的變化

經(jīng)塑性變形后的金屬材料，由于點(diǎn)陣畸變，空位和位錯等結(jié)構(gòu)缺陷的增加，使其物理性能和化學(xué)性能也發(fā)生一定的變化。如塑性變形通常可使金屬的電阻率增高，增加的程度與形變量成正比。另外，塑性變形后，金屬的電阻溫度系數(shù)下降，磁導(dǎo)率下降，熱導(dǎo)率也有所降低，鐵磁材料的磁滯損耗及矯頑力增大。

第四十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響加工硬化

金屬發(fā)生塑性變形，隨變形度的增大。金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強(qiáng)化。產(chǎn)生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時，位錯密度增加，位錯間的交互作用增強(qiáng)，相互纏結(jié)，造成位錯運(yùn)動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面由于亞晶界的增多，使強(qiáng)度得以提高。第四十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一討論：加工硬化的影響因素變形溫度

一般，溫度越高，屈服極限越低，硬化速率也越小。具體的影響還和金屬種類有關(guān)。例如．對FCC晶體，溫度主要影響硬化速率，對屈服極限影響不大。對BCC晶體，情況恰好相反．屈服極限隨著溫度降低而急劇增加，硬化速率則與溫度關(guān)系不太大。對hcp晶體，溫度升高則屈服極限顯著降低。變形速度

原子熱運(yùn)動(或稱熱激活)會促進(jìn)塑性變形，而熱運(yùn)動不但和溫度有關(guān)，而且和變形速度有關(guān)。因此，增加變形速度就相當(dāng)于降低溫度，因?yàn)槎叨家种沽嗽拥臒徇\(yùn)動。第四十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一討論：加工硬化的影響因素晶粒度

晶粒越細(xì)，屈服極限及硬度越高。此外，晶粒度對拉伸曲線也有影響。FCC晶體在變形量不太大時，晶粒越硬化越快，曲線也越陡。在大變形量時晶粒度影響就不大了，因?yàn)榇藭r即使是大晶粒的試樣也發(fā)生顯著的多滑移，硬化也很嚴(yán)重。對HCP晶體來說．由于硬化的主要原因是晶界阻礙滑移，故晶粒越細(xì)．硬化越快硬化曲線隨著晶粒度減小而急劇上升(變陡)。BCC晶體硬化曲線的形狀主要取決于間隙式雜質(zhì)元素。合金元素

合金元素的效果取決于它的數(shù)量、形態(tài)和分布。一般來說彌散分布的細(xì)小沉淀相的強(qiáng)化效果最大，固溶強(qiáng)化次之．形成粗大的沉淀相時，強(qiáng)化效果最差。第四十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一討論：加工硬化在生產(chǎn)實(shí)際中的意義不利方面1)由于金屬在加工過程中塑性變形抗力不斷增加。使金屬的冷加工需要消耗更多的功率；2)由于應(yīng)變硬化使金屬變脆，因而在冷加工過程中需要進(jìn)行多次中間退火，使金屬軟化,能夠繼續(xù)加工而不致裂開；3)有的金屬(如錸)盡管某些使用性能很好，但由于難解決加工問題，其應(yīng)用受到很大限制。第五十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一討論：加工硬化在生產(chǎn)實(shí)際中的意義有利方面1)有些加工方法要求金屬必須有一定的加工硬化。例如，在用金屬板材沖壓成杯子時，起初板的塑性變形只發(fā)生在?？谔帲挥邪宀陌l(fā)生硬化，進(jìn)一步的塑性變形才會相繼在其它部位發(fā)生，最后沖壓成杯。金屬的拉伸過程(如拉絲)也要求金屬線材在?？谔幠苎杆儆不?。2)可以通過冷加工控制產(chǎn)品的最后性能。例如，某些不銹鋼冷軋后的強(qiáng)度可提高一倍以上。冷拉的鋼絲繩強(qiáng)度高，表面光潔。工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅導(dǎo)線，由于要求導(dǎo)電性好，不允許加合金元素，加工硬化是提高其強(qiáng)度的唯一辦法。3)有些零部件在工作條件表面會不斷硬化，以達(dá)到表面耐沖擊、耐磨損的要求。例如，鐵路的道岔由于經(jīng)常受列火車輪的沖擊和磨損，必須具有很高的沖擊韌性和表面硬度。近年來有人采用爆炸硬化的辦法對道岔進(jìn)行預(yù)處理，這樣可使表面硬度提高兩倍。不過由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，爆炸變形方法主要還是用于宇航工業(yè)，在普通工業(yè)中應(yīng)用尚少。第五十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.3回復(fù)和再結(jié)晶

經(jīng)塑性變形的材料具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢。當(dāng)冷變形金屬加熱時會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等過程。了解這些過程的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，對于改善和控制金屬材料的組織和性能具有重要的意義。第五十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.3.1冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化

冷變形后材料經(jīng)重新加熱進(jìn)行退火之后，其組織和性能會發(fā)生變化。觀察在不同加熱溫度下變化的特點(diǎn)可將退火過程分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段?；貜?fù)是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長大。第五十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一第五十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.3.2回復(fù)

回復(fù)是冷變形金屬在退火時發(fā)生組織性能變化的早期階段。回復(fù)過程的特征：原子擴(kuò)散能不很大，只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復(fù)合消失而大大減少，而晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。

回復(fù)過程使變形引起的宏觀一類應(yīng)力全部消除，微觀二類應(yīng)力大部消除；

回復(fù)過程中一般力學(xué)性能變化不大，強(qiáng)度、硬度僅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有較大變化，電阻率顯著降低，密度增大。變形儲能在回復(fù)階段部分釋放?；貜?fù)時釋放儲能在總儲能中所占比例不等，某些研究指出，在高純金屬中僅占3%，但在某些合金中可至25%，甚至高達(dá)70%。第五十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一回復(fù)過程機(jī)制

回復(fù)過程所發(fā)生的變化與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，因而回復(fù)可區(qū)分為低溫回復(fù)、中溫回復(fù)和高溫回復(fù)三段。(1)低溫回復(fù)

這個階段回復(fù)主要與空位變化有關(guān)。由于空位的消失引起某些物理性能顯著的變化．電阻率降低．密度增大，而對力學(xué)性能則不發(fā)生影響。(2)中溫回復(fù)

中溫回復(fù)涉及異號位錯的對消和位錯密度的變化。同一滑移面上的異號位錯在熱激活怍用下，相互吸引、會聚而消失，不在同一滑移面上的異號刃型位錯則通過空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失。由于位錯密度的變化將對力學(xué)性能有所影響。(3)高溫回復(fù)

高溫回復(fù)的主要機(jī)制是多邊形化。因原始變形狀態(tài)位錯組態(tài)不同，有兩類多邊形化。第一類叫穩(wěn)定多邊形化，第二類為再結(jié)晶前多邊形化。（圖5-48）第五十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一回復(fù)的應(yīng)用

回復(fù)主要用于去應(yīng)力，去除冷變形工件中的應(yīng)力，防止變形和開裂。如深沖黃銅彈殼，在殘余應(yīng)力和外界腐蝕性氣氛的聯(lián)合作用下，會發(fā)生應(yīng)力腐蝕、沿晶間開裂，冷沖后于260℃退火消除應(yīng)力，可防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。從圖可以看出，經(jīng)這樣退火后，內(nèi)應(yīng)力可大部分消除，而強(qiáng)度、硬度基本不變。此外，用冷拉鋼絲卷制彈簧，在卷成之后，要在250℃～300℃退火，以降低內(nèi)應(yīng)力并使其定形。鑄件、焊件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生應(yīng)力，也利用回復(fù)進(jìn)行去應(yīng)力退火。第五十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.3.3再結(jié)晶

變形后的金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴(kuò)散能力增大，被拉長(或壓扁)、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶。這個過程稱為再結(jié)晶。特征：變形金屬再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除；內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平；再結(jié)晶生成的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。第五十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶過程

再結(jié)晶是一種形核和長大過程，即通過在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無畸變再結(jié)晶晶核，并通過逐漸長大形成等軸晶粒，從而取代全部變形組織的過程。形核

（1）晶界弓出形核變形程度較?。ㄒ话阈∮?0％）的金屬，其再結(jié)晶核心多以晶界弓出方式形成。第五十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一（2）亞晶轉(zhuǎn)動、聚合機(jī)制形變量較大或材料層錯能較高時．通過再結(jié)晶前多邊形化，形成較小的亞晶，亞晶界曲率不大，不易遷移，但某些亞晶界中位錯可通過攀移和交滑移而遷出，使亞晶界消失，相鄰亞晶轉(zhuǎn)動，位向接近而聚合成為更大的亞晶，達(dá)到形核的臨界尺寸時，即成為再結(jié)晶核心，亞晶轉(zhuǎn)動聚合形核機(jī)制如圖所示。第六十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一（3）亞晶遷移機(jī)制當(dāng)形變量很大，或材料層錯能較低時，再結(jié)晶核心也是在再結(jié)晶前多邊形化所產(chǎn)生的無應(yīng)變較大亞晶的基礎(chǔ)上形成的。由于變形大，位錯密度高，亞晶界曲率大，易于遷移。亞晶遷移中清除并吸收其掃過區(qū)相鄰亞晶的位錯，使亞晶界獲得更多位錯，與相鄰亞晶取向差增大變?yōu)榇蠼蔷Ы?，?dāng)大角界面達(dá)到臨界曲率半徑，便成為穩(wěn)定再結(jié)晶核心。

第六十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一

2、3兩機(jī)制都是依靠亞晶粒的粗化來發(fā)展為再結(jié)晶核心的。亞晶粒本身是在劇烈應(yīng)變的基體只通過多邊化形成的，幾乎無位錯的低能量地區(qū)，它通過消耗周圍的高能量區(qū)長大成為再結(jié)晶的有效核心，因此，隨著形變度的增大會產(chǎn)生更多的亞晶而有利于再結(jié)晶形核。這就可解釋再結(jié)晶后的晶粒為什么會隨著變形度的增大而變細(xì)的問題。第六十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶形核率

再結(jié)晶形核率指單位時間、單位體積形成的再結(jié)晶核心數(shù)目。影響因素：1)變形程度預(yù)先變形量愈大，形核率愈大。2)材料純度材料純度低，雜質(zhì)原子多，對形核率有兩方面影響，一方面阻礙變形，使變形儲能增大，增加形核率；另一方面因雜質(zhì)原子在界面處偏聚，阻礙形核時的界面遷移并且雜質(zhì)釘扎位錯，阻礙位錯攀移和亞晶的長大，使再結(jié)晶核心不容易形成。而降低形核率。3)晶粒大小晶粒細(xì)小，增大變形阻力，相同變形量下，位錯塞積、畸變區(qū)增多，儲能增高；晶界面積大，生核區(qū)域多，這兩個因素均使形核率增大。4)溫度再結(jié)晶溫度升高，位錯攀移容易，亞晶界容遷移長大，亞晶也容易轉(zhuǎn)動、聚合，發(fā)展成為再結(jié)晶核心，從而使形核率增大，第六十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一長大再結(jié)晶核心形成后，在變形基體中長大，實(shí)質(zhì)是具有臨界曲率半徑的大角界面(晶界或亞晶界)向變形基體遷移，消耗變形基體，直至再結(jié)晶晶粒相碰，變形基體全部消失。第六十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶溫度及其影響因素

變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度，它可用金相法或硬度法測定，即以顯微鏡中出現(xiàn)第一顆新晶粒時的溫度或以硬度下降50％所對應(yīng)的溫度，定為再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶溫度并不是一個物理常數(shù)，它不僅隨材料而改變，同一材料其冷變形程度、原始晶粒度等因素也影響著再結(jié)晶溫度。第六十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶溫度及其影響因素變形程度的影響隨著冷變形程度的增加，儲能也增多，再結(jié)晶的驅(qū)動力就越大，因此再結(jié)晶溫度越低，同時等溫退火時的再結(jié)晶速度也越快。對工業(yè)純金屬，經(jīng)強(qiáng)烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度TR/K約等于其熔點(diǎn)Tm／K的0.35~04。原始晶粒尺寸在其他條件相同的情況下，金屬的原始晶粒越細(xì)小，則變形的抗力越大，冷變形后儲存的能量較高，再結(jié)晶溫度則較低。第六十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶溫度及其影響因素微量溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子的存在對金屬的再結(jié)晶有很大的影響。微量溶質(zhì)原子存在顯著提高再結(jié)晶溫度的原因可能是溶質(zhì)原子與位錯及晶界間存在著交互作用，使溶質(zhì)原子傾向于在位錯及晶界處偏聚，對位錯的滑移與攀移和晶界的遷移起著阻礙作用，從而不利于再結(jié)晶的形核和核的長大，阻礙再結(jié)晶過程。第二相粒子第二相粒子的存在既可能促進(jìn)基體金屬的再結(jié)晶，也可能阻礙再結(jié)晶。第六十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶退火工藝參數(shù)加熱速度、加熱溫度與保溫時間等退火工藝參數(shù)，對變形金屬的再結(jié)晶有著不同程度的影響。若加熱速度過于緩慢時，再結(jié)晶溫度上升。變形程度和退火保溫時間一定時，退火溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快。第六十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一影響再結(jié)晶后的晶粒大小的因素a．變形度的影響當(dāng)變形程度很小時，造成的儲存能不足以驅(qū)動再結(jié)晶，所以晶粒大小沒有變化。當(dāng)變形程度增大到一定數(shù)值后，此時的畸變能已足以引起再結(jié)晶，但由于變形程度不大，因此得到特別粗大的晶粒。通常，把對應(yīng)于再結(jié)晶后得到特別粗大晶粒的變形程度稱為“臨界變形度”，當(dāng)變形量大于臨界變形量之后，變形度愈大，晶粒愈細(xì)化。b．退火溫度的影響提高退火溫度可使再結(jié)晶晶粒的長大速度加快。第六十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一再結(jié)晶全圖

為了綜合地表達(dá)加熱溫度和預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響，可將其建成一立體的所謂“再結(jié)晶全圖”，如圖所示，它對于制定塑性加工和再結(jié)晶退火工藝具有重要意義。第七十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期一5.3.4晶粒長大

再結(jié)晶結(jié)束后，材料通常得到細(xì)小等軸晶粒，繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時間，將引起晶粒明顯長大，使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能顯著降低。一般情況下晶粒長大是應(yīng)當(dāng)避免的現(xiàn)象。對晶粒長大而言，晶界移動的驅(qū)動力通常來自總的界面能的降低。晶粒長大按其特點(diǎn)可分為兩類：正常晶粒長大與異常晶粒長大（二次再結(jié)晶），前者表現(xiàn)為大多數(shù)晶粒幾乎同時逐漸均勻長大；而后者則為少數(shù)晶粒突發(fā)性的不均勻長大。