材料科學基礎-第9化學工業(yè)

1、第9章 金屬材料的變形與再結晶1材料科學基礎29.1 金屬的應力應變曲線 P/A0=（應力） （l-l0）/l0=（應變）P作用在試樣上的載荷A0試樣的原始界面面積L0試樣的原始標距長度L試樣變形后標距長度 =E或=G為正應力，切應力； 為正應變，切應變EG分別為正彈性模量和切彈性模量彈性模量是表征材料中原子間結合力強弱的物理量34彈性變形：在應力低于彈性極限(e)時,和之間保持線性關系: =E其特點是外力去除后，變形可以完全恢復。退火低碳鋼應力-應變曲線5彈塑變形：當外力大于e后，除了彈性變形外，開始發(fā)生均勻塑性變形。這時若去掉外力，彈性變形部分恢復，但留下了永久變形，即塑性變形。退火低碳鋼

2、應力-應變曲線6斷裂：當外力達到b之后，試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形，產(chǎn)生縮頸，變形量迅速增大，最終發(fā)生斷裂。esbk退火低碳鋼應力-應變曲線79.2 金屬的塑性變形9.2.1.1 滑移（1）滑移線和滑移帶如果把經(jīng)過拋光的單晶體試樣進行塑性變形，則在顯微鏡下可以看到拋光表面上出現(xiàn)平行的黑線，稱為滑移帶（見下圖）；在電子顯微鏡下，滑移帶是一組更細的線組成，這更細的線條稱為滑移線。 在常溫和低溫下，單晶體的塑性變形主要是通過滑移的方式來進行的，此外，還有孿生和扭折滑移帶（銅）500滑移帶與滑移線（示意圖）8（2）滑移系 滑移總是沿著一定的晶面和該面上一定的晶向進行，這種晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移

3、方向；一個滑移面與其面上的一個滑移方向組成一個滑移系。一個滑移系就是滑移時的一種空間取向或一種可能性。因此，滑移系越多，金屬變形能力越大單晶體的滑移9（3）臨界分切應力 設試棒橫截面積為A；軸向拉力為P；滑移面法線與外力P之間的夾角為，滑移方向與外力P之間的夾角為P在滑移方向上切向分力P=Pcos滑移面面積故滑移系上的分切應力10Schmid用同種材料但不同取向的單晶試棒進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)盡管不同試棒的m值不同，但開始滑移時的分切應力都相同，等于某一確定值（k），即晶體開始滑移所需的分切應力 k就稱為臨界分切應力，它是一個材料常數(shù)。11（4）滑移時晶體的轉動 晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨

4、著取向的改變 自由滑移變形 受夾具限制時的變形 晶體在拉伸時的轉動12晶體在壓縮時的晶面轉動13（5）滑移的機理 實驗證明，滑移是位錯在切應力作用下運動的結果滑移線是位錯運動到晶體表面所產(chǎn)生的臺階。晶體通過刃型位錯移動造成滑移的示意圖149.2.1.2 孿生 所謂孿生變形，就是在切應力作用下,晶體的一部分沿一定晶面(孿晶面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分作均勻的切變所產(chǎn)生的變形。變形部分與未變形部分以孿晶面為準，構成鏡面對稱，這兩部分晶體合稱孿晶（雙晶）。 (a)滑移(b) 孿生15孿晶在顯微鏡下呈帶狀或透鏡狀，見下圖： 鋅中的變形孿晶200 鐵的變形孿晶（紐曼帶）16滑移和孿生的比較

5、 17189.2.2 多晶體的塑性變形 特點（1）晶粒取向的影響（亦稱取向差效應）變形有先有后各晶粒相對于外力軸的取向不同，位向有利的晶粒先變形，且不同晶粒變形量也不同。一般變形度達到20%，幾乎所有晶粒都可參加變形。各個晶粒的變形必須協(xié)調對一個晶粒來講不能自由地、均勻地滑移，它要受到相鄰晶粒的牽制，故晶粒之間要互相配合、協(xié)調。如果協(xié)調不好，將會導致塑性下降（晶界處開裂）。變形不均勻導致內應力不均勻 19（2）晶界對滑移的阻滯效應 晶界上原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，且晶界兩側的晶粒取向不同，因此，滑移要從一個晶粒直接延續(xù)到下一個晶粒是極其困難的，即室溫下晶界對滑移有阻滯效應，如下圖所示 經(jīng)拉

6、伸后晶界處呈竹節(jié)狀20（3）晶粒大小對變形抗力的影響 一般來說，晶界可使金屬強化，也可使金屬軟化，這主要依賴于溫度和變形速率。當溫度低于 ，且變形速率較大時，晶粒細化會使金屬強度升高；但當溫度高于上述界限及變形速率很慢時，晶界增多反而使金屬強度降低。故高溫合金一般希望獲得粗晶組織。細晶強化在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性和韌性，這是其他強化方法所不具備的。 219.2.3 合金的塑性變形 與強化（1）單相合金的塑性變形 合金元素在金屬基體中的存在形式有兩種，一是形成固熔體；二是形成第二相，與基體組成機械混合物。它們具有不同的變形特點。 固熔強化由于異類原子（熔質原子）的存在，使合金塑性變

7、形抗力大大提高，表現(xiàn)為強度、硬度增加，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固熔強化。固熔強化的實質是熔質原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。即熔質原子與位錯彈性交互作用的結果22固溶強化效果的影響因素溶質原子的濃度：濃度越高，一般其強化效果越好原子尺寸因素：溶質與溶劑原子尺寸相差越大，其強化效果越好，但通常原子尺寸相差較大時，溶質原子的溶解度降低溶質原子的類型：間隙型溶質原子的強化效果好于置換型，特別是體心立方晶體中的間隙原子相對價因素（電子因素）：溶質原子與基體金屬的價電子數(shù)目差越大，固溶強化效果越顯著23（2）多相合金的塑性變形 聚合型兩相合金的變形 彌散型合金的變形 當?shù)诙囝w粒非常細小，

8、彌散地分布在基體相中時，合金的變形抗力很大，強度將顯著提高。通常,當?shù)诙嗔Ｗ拥某叽邕_到某一臨界值時，強化作用最大；而尺寸過大或過小，合金的強度均有所下降。 如果第二相微粒是通過過飽和固熔體的時效處理而沉淀析出，則所產(chǎn)生的強化稱為沉淀強化或時效強化；如果這種微粒是靠冶金方法外加的，則稱為彌散強化。24第二相顆粒的強化機制有兩種：位錯繞過機制及位錯切過機制，其主要示意圖如下： 位錯繞過第二相粒子示意圖顆粒為不可變形25位錯切過粒子示意圖位錯切過粒子示意圖顆粒為可變形26小結：合金強化的途徑和方法 加工硬化（塑性變形強化） 細晶強化 固熔強化 第二相強化（彌散強化） 熱處理強化27289.4 回復

9、與再結晶 （1）組織變化t0t1為第1階段，稱為回復 ：顯微組織幾乎不發(fā)生變化，晶粒仍保持變形后的形態(tài)t1t2為第階段，稱為再結晶:變形晶粒通過形核和長大，變?yōu)樾碌牡容S晶粒（但不是相變）；t2t3為第階段，稱為晶粒長大:晶粒通過晶界移動，發(fā)生長大，直至達到一種相對穩(wěn)定的尺寸。 冷變形金屬組織隨加熱溫度及時間的變化示意圖 t0t1t2t3回復再結晶晶粒長大29（2）回復和再結晶的驅動力 儲存能: 冷塑變形時，外力所做的功尚有一部分儲存在變形金屬的內部，這部分能量叫儲存能 儲存能是變形金屬加熱是發(fā)生回復和再結晶的驅動力（3）性能變化 強度與硬度 電阻率 密度 內應力30（4）回 復 機 制 低溫回

10、復(0.10.3Tm)主要涉及點缺陷的運動?？瘴换蜷g隙原子移動到晶界或位錯處，空位與間隙原子相遇復合，使點缺陷密度大大下降。 中溫回復(0.30.5Tm)位錯可以在滑移面上滑移或交滑移，使異號位錯相遇相消，位錯密度下降，位錯纏結內部重新排列組合，使變形亞晶規(guī)整化。 高溫回復(0.5Tm)位錯除滑移外，還可攀移，實現(xiàn)多邊化，如下圖所示。319.3.2 再結晶1）定義 冷變形后的金屬加熱到一定溫度時，在原來的變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能發(fā)生了明顯的變化，并恢復到完全軟化的狀態(tài)，這個過程稱之為再結晶。 2）形核機制 晶界弓出形核機制 亞晶合并形核機制 亞晶蠶食形核機制 都是大角度晶界的

11、突然遷移32再結晶亞晶形核機制示意圖(b)亞晶合并形核(a)亞晶直接長大形核形變造成了大位向差的界面界面遷移再結晶晶核ABC間位相差很小A和B合并ABC合并,形成大位相差界面333）影響再結晶的因素 （1）退火溫度：加熱溫度越高，再結晶速度越快（2）預先變形程度：變形度越大，再結晶開始溫度越低；當變形量增大到一定程度后，再結晶開始溫度便趨于穩(wěn)定（3）微量熔質原子： 溶質或雜質原子與位錯，晶界存在交互作用，偏聚在位錯及晶界處，對位錯的運動及晶界的遷移起阻礙作用，因此不利于再結晶的形核與長大，阻礙再結晶，使再結晶溫度升高。343）影響再結晶的因素 （4）原始晶粒尺寸：其他條件相同情況下，晶粒越細，

12、變形抗力越大，冷變形后儲存能越多，再結晶溫度越低。相同變形度，晶粒越細，晶界總面積越大，可供形核場所越多，生核率也增大，故再結晶速度加快。（5）分散相粒子：既可能促進基體金屬的再結晶，也可能阻礙再結晶35影響再結晶后晶粒大小的主要因素有預先變形程度當變形度很小時(c)不發(fā)生再結晶，故晶粒大小不變；當=2%8%時，再結晶后的晶粒特別粗大，此時的變形度即所謂臨界變形度；當變形度大于臨界變形度時，隨變形度的增加，晶粒逐漸細化 。36影響再結晶后晶粒大小的主要因素有2. 原始晶粒尺寸變形度一定時，原始晶粒越細，再結晶后的晶粒也越細3. 退火溫度提高退火溫度，不僅使再結晶后的晶粒粗大，而且還影響臨界變形

13、度的大小4. 微量熔質原子和雜質一般都能起細化晶粒的作用379.3.3 再結晶后的晶粒長大 9.3.3.1晶粒的正常長大（即均勻長大）（1）定義：再結晶剛剛完成，得到細小的無畸變等軸晶粒，當升高溫度或延長保溫時間，晶粒仍可繼續(xù)長大，若均勻地連續(xù)生長叫正常長大。（2）長大方式：依靠大角度晶界的移動并吞食其他晶粒實現(xiàn)的。（3）長大的驅動力：晶粒長大的驅動力，從整體上看，是晶粒長大前后總的界面能差。從個別晶粒長大的微觀過程來說，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。38鋁晶粒長大的晶界遷移 1遷移前晶界位置 2遷移后晶界位置399.3.3.2 晶粒的反常長大（不均勻長大，或稱為二次再結晶）某

14、些金屬材料經(jīng)過嚴重變形之后，在較高溫度退火，會出現(xiàn)晶粒的反常長大，如下圖所示。這個過程就像在再結晶后，細小、均勻的等軸晶粒中又重新發(fā)生了形核和長大，故又稱之為“二次再結晶”。 晶粒異常長大過程 40（2）長大方式：來自總界面的降低。 （3）長大的驅動力：少數(shù)晶粒突發(fā)性地迅速地粗化，使晶粒間的尺寸差別顯著增大。不需重新形核。（4）二次再結晶有以下特征： 驅動力來自界面能或表面能的降低。 不需要重新形核，是以一次再結晶后的某些特殊晶粒作為基礎而長大。 只有在晶粒正常長大受阻情況下才產(chǎn)生二次再結晶。 也會產(chǎn)生擇優(yōu)取向的晶粒，稱之為再結晶織構。41429.4 金屬的熱變形、蠕變1）熱變形：晶體在再結晶溫度以上進行的變形2)熱加工對金屬的組織與性能的影響 改善鑄造狀態(tài)的組織缺陷，提高材料的致密性和力學性能。 熱變形形成流線，出現(xiàn)各向異性。流線指動態(tài)再結晶形成等軸晶粒而夾雜物(或第二相)仍沿變形方向呈流動狀的纖維組織。順流線方向比橫向具有更高的力學性能。 形成帶狀組織 控制熱加工工藝，以獲得細小的晶粒組織。 43在熱變形中，由于枝晶偏析、夾雜物、第二相等隨組織變形而伸長，沿變形方向分布，此種組織稱為流線。 低碳鋼熱加工后的流線 吊鉤中的流線分布（左）正確（右）不正確（左）正確（右）不正確 44蠕變定義：在一定溫度下，金屬受持續(xù)應力