第7章材料的變形和再結(jié)晶

張峻巍材料科學(xué)基礎(chǔ)2/2/20231第7章材料的變形和再結(jié)晶2/2/20232主要內(nèi)容7.1彈性變形7.2晶體的塑性變形7.3回復(fù)和再結(jié)晶7.4金屬的熱加工2/2/20233材料的變形

材料受力后要發(fā)生變形，外力較小時(shí)產(chǎn)生彈性變形，外力較大時(shí)產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)外力過大時(shí)就會發(fā)生斷裂。不同材料變形時(shí)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試樣形貌不同。如：普碳鋼（塑性材料的典型代表）和灰鑄鐵（脆性材料的典型代表）。變形可分為三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形、斷裂。2/2/20234拉伸實(shí)驗(yàn)2/2/20235低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線σe：彈性極限σb：抗拉強(qiáng)度σs：屈服強(qiáng)度GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法2/2/20236彈性極限σe彈性極限—試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。拉伸性能2/2/20237彈性模量E單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值。

彈性模量代表著原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。拉伸性能2/2/20238金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合力與結(jié)合能原子間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中的原子趨于規(guī)則排列的重要原因。2/2/20239彈性模量E單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值。E共價(jià)鍵＞E金屬鍵和離子鍵＞E分子鍵工程上，彈性模量是剛度的度量。如鋼的E只是鋁的3倍，則鋼的彈性變形只是鋁的1/3。拉伸性能2/2/202310拉伸性能屈服強(qiáng)度s：對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺的材料，塑性變形硬化不連續(xù)，屈服平臺所對應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度，記為ss=Ps/A0對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時(shí)將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力，記為σ0.2。s=σ0.2=P0.2/A0對微量塑性變形的抗力2/2/202311拉伸性能

抗拉強(qiáng)度b：定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前稱為強(qiáng)度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應(yīng)于b點(diǎn)的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強(qiáng)度之值，記為bσb=Pmax／A0

2/2/202312延伸率：材料的塑性常用延伸率表示。測定方法如下：拉伸試驗(yàn)前測定試件的標(biāo)距L0，拉伸斷裂后測得標(biāo)距為Lk，然而按下式算出延伸率拉伸性能2/2/202313斷面收縮率ψ：斷面收縮率ψ是評定材料塑性的主要指標(biāo)。拉伸性能2/2/202314低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線工程應(yīng)力――載荷除以試件的原始截面積即得工程應(yīng)力σ，σ=P／A0工程應(yīng)變――伸長量除以原始標(biāo)距長度即得工程應(yīng)變ε，ε=Δl／l02/2/202315按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形,只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會發(fā)生不可逆塑性變形。高塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且塑性變形量大。低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長，不發(fā)生頸縮，且塑性變形量較小。材料分類2/2/202316aO1O2f1(f)aE=tgaD(ss下)(se)BC(ss上)A(sp)E(sb)gs(MPa)200400e0.10.2OEy=tga低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)2/2/202317sbyseOsbL灰鑄鐵的拉伸曲線灰鑄鐵的壓縮曲線aa=45o~55o剪應(yīng)力引起斷裂灰鑄鐵的拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)2/2/202318塑性材料和脆性材料力學(xué)性能比較塑性材料脆性材料斷裂前有很大塑性變形斷裂前變形很小抗壓能力與抗拉能力相近抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力延伸率δ>5%延伸率δ<5%可承受沖擊載荷，適合于鍛壓和冷加工適合于做基礎(chǔ)構(gòu)件或外殼材料的塑性和脆性會因?yàn)橹圃旆椒üに嚄l件的改變而改變2/2/2023194.1彈性變形1.彈性變形特征

(1)變形是可逆的；(2)應(yīng)力與應(yīng)變保持單值線性函數(shù)關(guān)系，服從Hooke定律：

σ＝Eε，τ＝Gγ。(3)彈性變形量隨材料的不同而異。多數(shù)金屬材料彈性變形量小，而橡膠類高分子材料的彈性變形量大。2/2/202320

工程上應(yīng)用的材料為多晶體，內(nèi)部存在各種類型的缺陷，彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等現(xiàn)象，稱為彈性的不完整性，包括包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后等。2.彈性的不完整性2/2/202321(1)

包申格效應(yīng)

材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，然后同向加載則σe升高，反向加載則σe降低的現(xiàn)象,稱為包申格效應(yīng)。退火軋制黃銅在不同載荷下彈性極限的變化?？梢姡築、C為同向加載，σe↑；C、D為反向加載，σe↓。2/2/202322理想晶體（2）彈性后效2/2/202323

這種在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效。實(shí)際金屬2/2/202324(3)

彈性滯后

由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在σ－ε曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱為彈性滯后。彈性滯后表明：加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱為內(nèi)耗（internalfriction），大?。綇椥詼蟓h(huán)面積。2/2/202325(3)

彈性滯后

由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在σ－ε曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱為彈性滯后。

彈性滯后表明：加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱為內(nèi)耗（internalfriction），大?。綇椥詼蟓h(huán)面積。實(shí)際應(yīng)用的金屬材料有的要求高內(nèi)耗，有的要求低內(nèi)耗，如制作鐘、樂器的材料，要求低內(nèi)耗，消振能力低，聲音好聽；制作機(jī)座、汽輪機(jī)葉片的材料，要求高內(nèi)耗，以消除振動。2/2/202326編鐘2/2/202327潛艇2/2/202328塑性成形的基本生產(chǎn)方式1．軋制；2．?dāng)D壓；3．拉拔；4．自由鍛造；5．模型鍛造；6．板料沖壓上砥鐵下砥鐵坯料7.2晶體的塑性變形

2/2/2023297.2晶體的塑性變形

7.2.1單晶體的塑性變形常溫或低溫下，單晶體塑性變形（plasticdeformation）方式：1.滑移（slip）2.孿生（twining）3.扭折（link）擴(kuò)散性變形及晶界滑動和移動等方式主要見于高溫形變。

2/2/2023307.2.1單晶體的塑性變形

1.滑移

在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿著一定晶面（滑移面）和一定晶向（滑移方向）相對另一部分發(fā)生相對位移的現(xiàn)象。完整晶體ττ滑移2/2/202331滑移的特點(diǎn)：(1)滑移后，晶體的點(diǎn)陣類型不變；(2)晶體內(nèi)部各部分位向不變；(3)滑移量是滑移方向上原子間距的整數(shù)倍；(4)滑移后，在晶體表面出現(xiàn)一系列臺階。滑移線（小臺階）

滑移量

滑移塊

滑移帶（一組小臺階）

a.滑移線和滑移帶2/2/202332滑移帶形成示意圖2/2/202333滑移線和滑移帶一個(gè)表面經(jīng)過拋光的金屬單晶體拉伸時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，在表面會出現(xiàn)一些與應(yīng)力軸成一定角度的相互平行的線。在高倍的電子顯微鏡下觀察，這些平行線是一些較大的臺階。一個(gè)較大的臺階中又是由許多小臺階組成的。幾個(gè)相鄰的小臺階組成了一個(gè)滑移帶（slipband）。在滑移帶內(nèi)，一個(gè)滑移臺階就是一條滑移線（slipline），每條滑移線間的距離約為100個(gè)原子間距，而滑移帶間的距離大約為10000個(gè)原子間距。臺階的高度約為1000個(gè)原子間距?；频拿娣Q為滑移面，滑動的方向稱為滑移向。當(dāng)滑移的晶面逸出晶體表面時(shí)，在滑移晶面與晶體表面的相交處就形成了滑移臺階。2/2/202334滑移帶形成示意圖2/2/202335b.滑移系滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面(slipplane)

，通常為晶體的最密排晶面；滑移滑動的方向稱為滑移方向(slipdirection)

，通常也為晶體的最密排方向；一種滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)可以滑移的方式稱為“滑移系”(slipsystem)

。2/2/202336滑移系

一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來稱為一個(gè)滑移系?？捎脅hkl}<uvw>來表示。[11]

[11]

(110)[01]

[10]

(111)

BCC{110}×6<111>×2滑移系數(shù)＝6×2＝12

FCC{111}×4<110>×3滑移系數(shù)＝4×3＝12[10]2/2/202337典型晶格的滑移系

可知：構(gòu)成滑移系必須滿足兩條:1)必須是密排面和密排方向；2)向一定在面上。2/2/202338立方晶系的{110}晶面族2/2/202339

實(shí)驗(yàn)表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC與FCC的滑移系數(shù)相同，但滑移方向?qū)λ苄宰冃蔚淖饔帽然泼娲?，所以FCC的塑性比BCC的塑性好。

金屬塑性：Cu（FCC）＞α-Fe（BCC）＞Zn（HCP）。2/2/202340c.滑移的臨界分切應(yīng)力

不是有切應(yīng)力作用就能產(chǎn)生滑移，只有在滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，才能發(fā)生滑移。能引起滑移的最小分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力，用τk表示。以單晶體拉伸為例，求τk＝？計(jì)算分切應(yīng)力分析圖

設(shè)單晶體中只有一組滑移面,試樣橫截面積為A,軸心拉力為F,滑移面的法線與F夾角為φ,滑移方向與F的夾角為λ,滑移面面積Aˊ＝A/cosφ.2/2/202341外力在滑移面上沿滑移方向的切向分力為：

Fτ＝Fcosλ外力在滑移方向上的分切應(yīng)力：

τ=Fτ/Aˊ=Fcosλ/(A/cosφ)=Fcosλcosφ/A

F/A＝σ，當(dāng)滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到其臨界分切應(yīng)力值而開始滑移時(shí)，σ＝σS，此時(shí)τ＝τk，所以

τk＝σScosλcosφ

cosλcosφ稱為取向因子或施密特因子。2/2/202342圖5.9屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系2/2/202343單向拉伸：

當(dāng)外力與滑移面平行（φ=90°）或垂直（λ=90°）時(shí)，取向因子最小，σS為無限大，不可能產(chǎn)生滑移，此時(shí)的位向稱為硬取向；當(dāng)滑移方向位于外力與滑移面法線所組成的平面，且φ=45°時(shí)，取向因子最大，σS最小，容易滑移，此時(shí)的位向稱為軟取向。2/2/202344

由于晶體的轉(zhuǎn)動，使原來有利于滑移的晶面滑移到一定程度后，變成不利于滑移的晶面；而原來不利于滑移的晶面，則可能轉(zhuǎn)到有利于滑移的方向上，參與滑移。所以，滑移可在不同的滑移系上交替進(jìn)行，其結(jié)果造成晶體的均勻變形。

d.滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動：

單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對位移外，還伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動，見圖7.9和圖7.11。

拉伸時(shí)，晶體轉(zhuǎn)動力求使滑移系轉(zhuǎn)到與力軸平行的方向；壓縮時(shí)，晶體轉(zhuǎn)動力求使滑移系轉(zhuǎn)到與力軸垂直的方向。2/2/2023452/2/2023462/2/202347

由于晶體的轉(zhuǎn)動，使原來有利于滑移的晶面滑移到一定程度后，變成不利于滑移的晶面；而原來不利于滑移的晶面，則可能轉(zhuǎn)到有利于滑移的方向上，參與滑移。所以，滑移可在不同的滑移系上交替進(jìn)行，其結(jié)果造成晶體的均勻變形。

d.滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動：

單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對位移外，還伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動，見圖5.10和圖5.12。

拉伸時(shí)，晶體轉(zhuǎn)動力求使滑移系轉(zhuǎn)到與力軸平行的方向；壓縮時(shí)，晶體轉(zhuǎn)動力求使滑移系轉(zhuǎn)到與力軸垂直的方向。2/2/202348多滑移：在多個(gè)（>2）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。交滑移:晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。

螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程；

螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。e.多滑移2/2/202349

滑移的表面痕跡:

單滑移：單一方向的滑移帶；

多滑移：相互交叉的滑移帶；

交滑移：波紋狀的滑移帶。2/2/202350f.滑移的位錯(cuò)機(jī)制

晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是借助位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動來逐步進(jìn)行的。當(dāng)移動到晶體外表面時(shí)，晶體沿其滑移面產(chǎn)生了位移量為一個(gè)b的滑移。2/2/2023512/2/202352金屬計(jì)算值(MN/m2)實(shí)測值(MN/m2)計(jì)算值與實(shí)測值之比銅銀金鎳鎂鋅64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100晶體的滑移是通過位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對移動。

滑移的實(shí)現(xiàn)→借助于位錯(cuò)運(yùn)動。（剛性滑移模型計(jì)算出的臨界切應(yīng)力值＞＞實(shí)測值）自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！2/2/202353

τ

αα

ττ

τ完整晶體

2.孿生

在切應(yīng)力作用下,晶體的一部分以一定的晶面(孿生面)為對稱面和一定的晶向(孿生方向)與另一部分發(fā)生相對切變的現(xiàn)象。孿生2/2/2023541)點(diǎn)陣類型不變但晶體位向發(fā)生變化，呈鏡面對稱；2)孿生是一種均勻切變，每層原子面的位移量與該原子面到孿生面的距離成正比，其相鄰原子面的相對位移量相等，且小于一個(gè)原子間距，即孿生時(shí)切變量是原子間距的分?jǐn)?shù)倍；3)孿生變形速度很快，接近聲速。孿生的特點(diǎn)：2/2/202355晶體位向位移量切應(yīng)力塑變量變形速度滑移不變整數(shù)倍小大慢孿生改變分?jǐn)?shù)倍大小快滑移與孿生的區(qū)別：

2/2/202356滑移與孿生的區(qū)別

滑移孿生相同點(diǎn)1均勻切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；不改變結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動的結(jié)果2/2/2023573.扭折

對那些既不能進(jìn)行滑移也不能進(jìn)行孿生的地方，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(shí)晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，見圖5.20。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。扭折后，晶體取向與原取向不再相同，有可能使該區(qū)域內(nèi)的滑移系處于有利取向，而發(fā)生滑移。

2/2/2023582/2/202359多晶體實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體”。2/2/2023604.2.2多晶體的塑性變形2/2/2023612.晶粒在變形中的作用多晶體的屈服強(qiáng)度σS與晶粒平均直徑d的關(guān)系可用著名的霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式表示：σs＝σo＋Kd-1/2式中，σo反映晶內(nèi)對變形的阻力，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度；K反映晶界對變形影響系數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.晶界在變形中的作用

主要作用是提高變形抗力。4.2.2多晶體的塑性變形2/2/202362由此可知：σS∝d-1/2

即d↓，σS↑，細(xì)晶強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)表明：晶粒越細(xì)，不僅強(qiáng)度高，而且塑韌性也好。強(qiáng)度高，是因?yàn)榫Я＜?xì)，單位面積上的晶粒數(shù)多，晶界的總面積大，每個(gè)晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)多，對塑性變形的抗力大；塑韌性好，是因?yàn)榫Я＜?xì)，單位體積中的晶粒數(shù)越多，變形可在更多的晶粒中發(fā)生，且比較均勻，減少了應(yīng)力集中，使金屬發(fā)生很大的塑性變形也不斷裂。2/2/202363

霍爾－佩奇公式適應(yīng)性

①亞晶粒大小或者是兩相片狀組織的層片間距對屈服強(qiáng)度的影響；②塑性材料的流變應(yīng)力與晶粒大小之間的關(guān)系；③脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小之間的關(guān)系；④金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度與其晶粒大小之間的關(guān)系。2/2/202364晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。

2/2/202365晶界對變形的阻礙作用（3）晶粒大小與性能的關(guān)系a晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：霍爾－配奇公式)s=0+kd-1/2原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，變形均勻性提高,由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機(jī)會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。b晶粒越細(xì)，塑韌性提高細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。2/2/202366

多晶體是由單晶體組成的，在同樣的外力作用下，不同晶?；葡瞪系那袘?yīng)力不一樣，處于軟取向的首先開始滑移，如：A晶粒，它周圍的晶粒B、C處于硬取向，未發(fā)生塑性變形，只能以彈性變形來協(xié)調(diào)已變形晶粒A，因而限制了A晶粒的繼續(xù)發(fā)展；

3.多晶體的塑性變形過程

2/2/202367

當(dāng)外力進(jìn)一步增加時(shí)，位錯(cuò)在A晶粒晶界附近堆積，這樣就產(chǎn)生了應(yīng)力集中，達(dá)到一定程度時(shí)，變形就會越過晶界，傳到它附近的晶粒B、C中，A晶粒也可能發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到硬取向，不再繼續(xù)變形，另一批B、C晶粒開始發(fā)生變形。2/2/202368總之，多晶體塑性變形總是一批一批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴(kuò)大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形。特點(diǎn)：

①各晶粒變形具有不同時(shí)性；②各晶粒變形具有相互協(xié)調(diào)性。2/2/202369晶粒之間變形的傳播位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯(cuò)源開動相鄰晶粒變形塑變

晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨(dú)立滑移系5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）

2/2/2023701.單相固溶體合金的塑性變形溶質(zhì)原子對合金塑性變形的影響主要表現(xiàn)在固溶強(qiáng)化作用上。

固溶強(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提高。7.2.3合金的塑性變形合金是在純金屬的基礎(chǔ)上又加入其它元素,使相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，也改變了基體金屬的變形抗力，使強(qiáng)度、硬度提高，塑韌性降低。2/2/202371固溶體鐵和碳的相互作用表現(xiàn)為兩方面（1）固溶體：就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。形成固溶體形成化合物（2）固溶體的分類：置換固溶體間隙固溶體2/2/202372置換固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時(shí)溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格中的一部分原子，就形成了置換固溶體。

如：Fe與Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置換固溶體置換固溶體間隙固溶體溶劑原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子AB2/2/202373間隙固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置上，則形成間隙固溶體。

例如：Fe與C，N，O，H形成間隙固溶體置換固溶體間隙固溶體溶劑原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子AB2/2/202374固溶強(qiáng)化定義：采用添加溶質(zhì)元素使固溶體強(qiáng)度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，即固溶強(qiáng)化是通過改變金屬的化學(xué)成分來提高強(qiáng)度的方法。機(jī)理：運(yùn)動的位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用的結(jié)果。效果：提高強(qiáng)度、降低塑韌性。2/2/2023752.多相合金的塑性變形多相合金與單相固溶體合金的不同之處是除基體相外，還有第二相存在，第二相的數(shù)量、尺寸、形狀和分布不同，使多相合金的塑性變形更加復(fù)雜。(1)脆的第二相呈不連續(xù)的網(wǎng)狀分布在晶界上，使塑韌性大大降低。(2)第二相在晶粒內(nèi)部呈片層狀分布，使其強(qiáng)度、硬度比基體金屬要高得多，使塑韌性下降。2/2/202376(3)第二相在晶粒內(nèi)呈彌散點(diǎn)狀分布,使硬度和強(qiáng)度大大提高,對塑韌性影響不大.這是最有利的分布,這種由于第二相呈點(diǎn)狀彌散分布在基體內(nèi),使其強(qiáng)度、硬度明顯升高的現(xiàn)象叫彌散強(qiáng)化。第二相粒子的強(qiáng)化作用是通過其對位錯(cuò)運(yùn)動的阻礙作用而表現(xiàn)出來的。2/2/202377第二相粒子分為：不可變形粒子和可變形粒子。不可變形粒子的強(qiáng)化作用見圖5.34所示。圖5.34位錯(cuò)繞過第二相粒子示意圖粒子越多，間距越小，強(qiáng)化作用越明顯。2/2/202378可變形粒子的強(qiáng)化作用見圖5.35所示。圖5.35位錯(cuò)切過粒子的示意圖

強(qiáng)化作用如下：1）位錯(cuò)切過粒子時(shí)，出現(xiàn)新的表面，界面能升高；2）位錯(cuò)切過粒子時(shí)，產(chǎn)生反相疇界，引起能量升高；3）位錯(cuò)切過粒子時(shí)，引起原子錯(cuò)排，需要額外作功；4）位錯(cuò)切過粒子時(shí)，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動；5）位錯(cuò)切過粒子時(shí)，產(chǎn)生割階，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動。2/2/202379沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化的機(jī)制是位錯(cuò)和顆粒之間的相互作用。在外力作用下，運(yùn)動位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動方式有兩種，(1)對提高強(qiáng)度有積極作用的繞過過程；(2)對提高強(qiáng)度作用較小的切割/剪切過程。它們都會增加運(yùn)動阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。

繞過機(jī)制切割機(jī)制2/2/2023807.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響1.顯微組織的變化隨著變形量的增加，原來的等軸晶粒將逐漸沿其變形方向伸長，出現(xiàn)各向異性。2/2/2023812.亞結(jié)構(gòu)的變化經(jīng)一定量的塑性變形后,晶體中的位錯(cuò)線通過運(yùn)動與交互作用,形成位錯(cuò)纏結(jié)（見圖5.36b），進(jìn)一步增加變形量時(shí),大量位錯(cuò)發(fā)生聚集,并由纏結(jié)的位錯(cuò)組成胞狀亞結(jié)構(gòu)（見圖5.36d），隨著變形量的增加,變形胞的數(shù)量增多,尺寸減小。形變↑→位錯(cuò)密度↑（１０６→

１０１１-１２）→位錯(cuò)纏結(jié)→胞壁→亞晶2/2/2023823.性能的變化產(chǎn)生加工硬化即金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：變形量不大時(shí)，晶界附近產(chǎn)生位錯(cuò)堆積；隨變形量增加，位錯(cuò)之間產(chǎn)生交互作用，出現(xiàn)纏結(jié)現(xiàn)象，使晶粒破碎成為亞晶粒；變形越大，晶粒越碎，亞晶界增多，位錯(cuò)密度增大，變形抗力增大，表現(xiàn)出：強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性降低，即產(chǎn)生了加工硬化。

加工硬化是強(qiáng)化材料的一種主要手段。如拖拉機(jī)的履帶，鐵路的道叉等都是利用加工硬化來提高硬度及耐磨性的。但有時(shí)也會使進(jìn)一步加工帶來困難。如鋼板冷軋、鋼絲冷拔等過程中，需安排中間退火工藝，消除加工硬化。

2/2/202383滑移是塑性變形的主要方式，材料中位錯(cuò)密度對材料的強(qiáng)度的影響

完全無位錯(cuò)存在時(shí)，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運(yùn)動的位錯(cuò)，材料表現(xiàn)極高的強(qiáng)度。例如銅，理論計(jì)算的臨界切應(yīng)力約為1500MPa，而實(shí)際測出的僅為0.98MPa。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實(shí)現(xiàn)(晶須),用于研究型的復(fù)合材料中。位錯(cuò)強(qiáng)化2/2/202384

其它性能也有變化，如電阻率增高，電阻溫度系數(shù)下降，磁導(dǎo)率下降，化學(xué)活性提高，腐蝕速度加快(為什么？)等。

3.性能的變化2/2/2023854.形變織構(gòu)

由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構(gòu)。

有兩種類型：

拔絲時(shí)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趨于平行于拉拔方向。

軋板時(shí)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平行軋制面和軋制方向。2/2/2023864.形變織構(gòu)

形成織構(gòu)引起各向異性?？棙?gòu)有有利的一面，也有有害的一面。如生產(chǎn)上可利用織構(gòu)提高硅鋼片某一方向的導(dǎo)磁率（硅鋼片<100>，方向最易磁化，織構(gòu)可減少鐵損。電機(jī)、變壓器鐵芯）；

在沖壓薄板件時(shí)，它會帶來不均勻的塑性變形，而產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，這是不希望產(chǎn)生的。2/2/202387

5.殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，在工件中處于自相平衡狀態(tài)，其產(chǎn)生是由于工件內(nèi)部各區(qū)域變形不均勻及相互間的牽制作用所致。（1）宏觀殘余應(yīng)力：是工件不同部分的宏觀變形不均引起的。（2）微觀殘余應(yīng)力：是晶粒或亞晶粒之間的變形不均產(chǎn)生的。（3）點(diǎn)陣畸變：是工件在塑性變形中形成的大量點(diǎn)陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯(cuò)等）引起的。內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，使材料變脆，耐蝕性降低。2/2/2023887.3回復(fù)和再結(jié)晶金屬和合金經(jīng)塑性變形后，由于空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷密度的增加，以及畸變能（晶體缺陷所儲存的能量）的升高將使其處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢，但在室溫下，因溫度低，原子活動能力小，恢復(fù)很慢，一旦受熱，溫度較高時(shí)，原子擴(kuò)散能力提高，組織、性能會發(fā)生一系列變化。2/2/202389金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)和性能均發(fā)生了很大的變化。金屬的這種組織在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)，如果對其進(jìn)行加熱，變形金屬就能由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而會引起一系列的組織結(jié)構(gòu)和性能的變化。這一變化過程隨加熱溫度的升高可表現(xiàn)為三個(gè)階段：回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大

7.3.1冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化2/2/202390三個(gè)階段回復(fù)：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。在此階段，組織：由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，晶粒的形狀和大小與變形態(tài)相同，仍為纖維狀或扁平狀。性能：強(qiáng)度與硬度變化很小，內(nèi)應(yīng)力、電阻明顯下降。（回復(fù)是指冷塑性變形的金屬在（較低溫度下進(jìn)行）加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即在再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。）2/2/202391再結(jié)晶：指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程。在此階段，組織：首先在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到變形組織完全改組為新的、無畸變的細(xì)等軸晶粒為止。性能：強(qiáng)度與硬度明顯下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢復(fù)到變形前的程度。

晶粒長大：指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長大。在此階段，在晶界表面能的驅(qū)動下，新晶粒相互吞食而長大，最后得到較穩(wěn)定尺寸的晶粒。

2/2/202392顯微組織的變化回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化。再結(jié)晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o畸變的等軸晶粒。晶粒長大階段：晶界移動，晶粒粗化，達(dá)到相對穩(wěn)定的形狀和尺寸。2/2/202393性能變化回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度變化不大，電阻明顯下降。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高；密度急劇升高。晶粒長大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高；粗化嚴(yán)重時(shí)下降。2/2/2023947.3.2回復(fù)機(jī)制1.低溫回復(fù)：主要與點(diǎn)缺陷的遷移有關(guān)。2.中溫回復(fù)：主要與位錯(cuò)的滑移有關(guān)。3.高溫回復(fù)：刃型位錯(cuò)產(chǎn)生攀移。攀移：①使滑移面上不規(guī)則的位錯(cuò)重新分布，垂直排列成墻，降低了位錯(cuò)的彈性畸變能；②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯(cuò)墻，產(chǎn)生亞晶，即多邊化結(jié)構(gòu)。多邊化的產(chǎn)生條件：①塑性變形使晶體點(diǎn)陣發(fā)生彎曲；②在滑移面上有塞積的同號刃型位錯(cuò)；③需要加熱到較高的溫度，使位錯(cuò)能產(chǎn)生攀移運(yùn)動。2/2/202395回復(fù)中刃型位錯(cuò)的攀移及滑移攀移：刃型位錯(cuò)沿垂直于滑移面的方向運(yùn)動，使位錯(cuò)線脫離原來的滑移面。沿攀移后所在的滑移面滑移，使在同一滑移面并排的同號位錯(cuò)處于不同滑移面豎直排列，以降低總的畸變能。2/2/202396多邊化多邊化：刃型位錯(cuò)通過攀移和滑移構(gòu)成豎直排列，形成位錯(cuò)墻（小角度亞晶界）的過程。2/2/202397

從回復(fù)機(jī)制可以理解：

回復(fù)過程中電阻率的明顯下降主要是由于過量空位的減少和位錯(cuò)應(yīng)變能的降低；

內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體內(nèi)彈性應(yīng)變的基本消除；

硬度及強(qiáng)度下降不多是由于位錯(cuò)密度下降不多，亞晶還較細(xì)小。

2/2/202398

7.3.3再結(jié)晶1.再結(jié)晶過程

冷變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化并恢復(fù)到變形前的狀況，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。

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。

2/2/202399再結(jié)晶過程示意圖無畸變的晶粒取代變形晶粒的過程。2/2/2023100形核有三種機(jī)制：晶界弓出形核機(jī)制：對變形度較小的金屬，多以這種方式形核。2/2/2023101形核有三種機(jī)制：亞晶合并機(jī)制：在變形程度較大且具有高層錯(cuò)能的金屬中，多以這種機(jī)制形核。2/2/2023102形核有三種機(jī)制：亞晶遷移機(jī)制：在變形度很大的低層錯(cuò)能金屬中，多以這種機(jī)制形核。2/2/2023103長大：晶核形成之后，借界面的移動而向周圍畸變區(qū)域長大，直到全部形成無畸變的等軸晶粒為止，再結(jié)晶即告完成。界面遷移的推動力是無畸變的新晶粒與周圍畸變的母體之間的應(yīng)變能差。

2/2/20231042.再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度: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。對純金屬：T再＝0.4T熔（K）K＝℃＋273

一般再結(jié)晶退火溫度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化現(xiàn)象。如：Fe：T熔＝1538℃T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃2/2/2023105T再

變形度％

影響再結(jié)晶溫度的因素有：1.變形程度：隨冷變形程度增加，儲能增多，再結(jié)晶的驅(qū)動力增大，再結(jié)晶容易發(fā)生，再結(jié)晶溫度低。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度，T再趨于一定值。2/2/20231062.原始晶粒尺寸：原始晶粒越細(xì)小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越細(xì)小，變形抗力越大，變形儲能高，再結(jié)晶驅(qū)動力越大，容易發(fā)生再結(jié)晶，使T再降低。3.微量溶質(zhì)原子：微量溶質(zhì)原子可顯著提高T再，原因是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)和晶界間存在著交互作用，使溶質(zhì)原子在位錯(cuò)及晶界處偏聚，對位錯(cuò)的滑移與攀移和晶界的遷移起阻礙作用，不利于再結(jié)晶的形核和長大，阻礙再結(jié)晶過程，因而使T再提高。

2/2/20231074.第二相粒子：既可提高T再，也可降低T再。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映叽绾烷g距都較大時(shí)，變形中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，提高變形儲能，提高再結(jié)晶驅(qū)動力，易發(fā)生再結(jié)晶，使T再降低；當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映叽绾烷g距都很小時(shí)，阻礙位錯(cuò)重排構(gòu)成亞晶界，阻礙晶界遷移，阻礙了再結(jié)晶，使T再提高。5.再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：加熱速度過慢或極快，均使T再升高（過慢有足夠的時(shí)間回復(fù)，點(diǎn)陣畸變度降低，儲能減小，使再結(jié)晶驅(qū)動力減小，T再升高；極快因各溫度下停留時(shí)間過短而來不及形核與長大，使T再升高）。保溫時(shí)間越長，T再越低。2/2/20231083.再結(jié)晶后的晶粒大小再結(jié)晶后的晶粒大小d取決于形核率N和長大速率G，它們之間有下列關(guān)系：

d=C(G/N)1/4

C為系數(shù)可見：N↑，G↓，d↓。即凡影響N、G的因素，均影響再結(jié)晶后的晶粒大小。

2/2/2023109（1）變形度：①當(dāng)變形程度很小時(shí)，晶粒大小沒有變化，因?yàn)樽冃瘟窟^小，造成的儲存能不足以驅(qū)動再結(jié)晶。②當(dāng)變形量達(dá)到一定值時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大，把這個(gè)變形量稱為“臨界變形量”，一般金屬的臨界變形量為2～10％。因?yàn)榻饘僭谂R界變形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此時(shí)，晶粒不均勻程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。③當(dāng)變形量大于臨界變形量之后，再結(jié)晶后晶粒細(xì)化，且變形量越大，晶粒越細(xì)化。因?yàn)樽冃瘟吭酱?，?qū)動形核和長大的儲存能不斷增加大，且形核率增大較快，使G/N變小，因此細(xì)化。影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素:

2/2/20231102/2/2023111（2）退火溫度：提高退火溫度，使再結(jié)晶速度加快，晶粒長大。（3）原始晶粒：越小，越均勻，則變形后晶粒破碎程度越均勻，再結(jié)晶后的晶粒越細(xì)。（4）合金元素和不熔雜質(zhì)：越多，會阻礙再結(jié)晶晶粒長大，則再結(jié)晶晶粒越細(xì)小。（5）加熱速度：越快，再結(jié)晶溫度越高，推遲再結(jié)晶形核和長大過程，所以再結(jié)晶晶粒細(xì)小。2/2/20231127.3.4晶粒長大

再結(jié)晶后，再繼續(xù)保溫或升溫，會使晶粒進(jìn)一步長大。1.正常晶粒長大：表現(xiàn)為大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)逐漸均勻長大。是靠晶界遷移，相互吞食而進(jìn)行的，它使界面能減小，是一個(gè)自發(fā)過程。2.異常晶粒長大：表現(xiàn)為少數(shù)晶粒突發(fā)性的不均勻長大。是出現(xiàn)少數(shù)較大的晶粒優(yōu)先快速成長，逐步吞食掉其周圍的大量小晶粒，最后形成非常粗大的組織，使力學(xué)性能大大降低，稱為二次再結(jié)晶。其驅(qū)動力來自界面能的降低。2/2/20231137.4金屬的熱加工4.4.1冷熱加工的劃分

小于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工；大于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。例如：（1）鎢（W）在1100℃加工，錫（Sn）在室溫下加工變形，各為何種加工？（鎢的熔點(diǎn)為3410℃，錫的熔點(diǎn)為232℃）經(jīng)計(jì)算：T鎢再＝1200℃，T錫再＝－71℃所以，鎢為冷加工，錫為熱加工。2/2/2023114（2）在室溫下對鉛板進(jìn)行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時(shí)間再行彎折，鉛板又向最初一樣柔軟，這是什么原因？（鉛的熔點(diǎn)為327.5℃）經(jīng)計(jì)算：T鉛再＝－33℃所以，室溫下彎折屬于熱加工，消除了加工硬化。2/2/20231157.4.2動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶熱加工中回復(fù)與再結(jié)晶分為兩類：一類在變形終止或中斷后，保溫或冷卻過程中進(jìn)行，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶（前面討論的屬于此類）。另一類是與變形同時(shí)發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶過程，稱為動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶。2/2/20231162.動態(tài)再結(jié)晶

動態(tài)再結(jié)晶也是形核和核長大過程。動態(tài)再結(jié)晶后得到等軸晶粒組織，晶粒內(nèi)部由于繼續(xù)承受變形，有較高的位錯(cuò)密度和位錯(cuò)纏結(jié)存在，這種組織比靜態(tài)再結(jié)晶組織有較高的強(qiáng)度和硬度。1.動態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù)引起的軟化過程是通過刃位錯(cuò)的攀移、螺位錯(cuò)的交滑移、異號位錯(cuò)對消，使位錯(cuò)密度降低的結(jié)果。動態(tài)回復(fù)過程中，變形晶粒不發(fā)生再結(jié)晶，仍保持沿變形方向伸長，呈纖維狀。2/2/20231177.4.3熱加工對金屬組織及性能的影響1.改善鑄態(tài)金屬及合金的組織及性能①熱加工可使氣孔、疏松焊合，提高致密度；②熱加工可消除或減輕鑄錠組織、成分不均勻性；③熱加工可使粗大組織破碎并均勻分布，細(xì)化晶粒。所以熱加工可提高力學(xué)性能。

2/2/20231182.形成“流線”，出現(xiàn)各向異性夾雜物一般沿晶界分布，熱加工時(shí)，晶粒變形，夾雜物也變形，晶粒發(fā)生再結(jié)晶形成等軸晶粒，而夾雜仍沿變形方向呈纖維狀分布，這種夾雜的分布叫“流線”。出現(xiàn)流線使性能出現(xiàn)明顯的各向異性，因此熱加工時(shí)應(yīng)力求使工件具有合理的流線分布。2/2/20231193．形成“帶狀組織”熱加工不當(dāng)，亞共析鋼中的F與P會呈層狀分布，在層與層之間還有一些被拉長的夾雜物，這種層狀分布的組織成為“帶狀組織”。防止方法：①不在兩相區(qū)變形；②減少夾雜元素含量。2/2/2023120小結(jié)1.概念包申格效應(yīng)，彈性滯后，內(nèi)耗，軟位向，硬位向，滑移，滑移系，臨界分切應(yīng)力，孿生，固溶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化，加工硬化，變形織構(gòu)，再結(jié)晶，二次再結(jié)晶，冷加工，熱加工。2.彈性變形：特點(diǎn)