金屬學(xué)及熱處理金屬的塑性變形和再結(jié)晶研究

1、會(huì)計(jì)學(xué)1金屬學(xué)及熱處理金屬的塑性變形和再結(jié)金屬學(xué)及熱處理金屬的塑性變形和再結(jié)晶研究晶研究金屬材料金屬材料高溫塑性變形高溫塑性變形室溫塑性變形室溫塑性變形形狀變化形狀變化組織性能變化組織性能變化加加熱熱回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大金屬的變形特性；金屬的變形特性；單晶體的塑性變形；單晶體的塑性變形；多晶體的塑性變形；多晶體的塑性變形；塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響；塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響；冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶；冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶；金屬的熱加工；金屬的熱加工；超塑性。超塑性。5.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1 金屬的變形特性 金屬的彈性變形： 彈性變形應(yīng)力去

2、除后，原來(lái)的形狀和尺寸完全恢復(fù)。 金屬的彈性變形量一般不超過(guò)1。 彈性極限(e)：殘余變形達(dá)到0.005%時(shí)的應(yīng)力值。 彈性模量：彈性階段直線斜率，抵抗彈性變形能力。低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1 金屬的變形特性 s表示金屬開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力屈服極限。 金屬的彈性變形量一般不超過(guò)1。 0.2表示金屬的殘余應(yīng)變達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力 條件屈服極限。低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1 金屬的變形特性 試樣斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量L(Lk-L0)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0的百分比稱為延伸率： (Lk-

3、L0)/ L0 100% 試樣的原始截面面積F0和斷裂時(shí)的截面面積Fk之差與原始截面面積F0的百分比稱為斷面收縮率： (F0- Fk)/F0100%低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1.2 金屬的彈性變形金屬的彈性變形5.1 金屬的變形特性金屬?gòu)椥宰冃蔚膶?shí)質(zhì)是金屬的晶格結(jié)構(gòu)在外力作用金屬?gòu)椥宰冃蔚膶?shí)質(zhì)是金屬的晶格結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的彈性畸變。所加外力小于原子間結(jié)合力，下產(chǎn)生的彈性畸變。所加外力小于原子間結(jié)合力，外力去除后，變形完全恢復(fù)。在彈性變形階段應(yīng)力外力去除后，變形完全恢復(fù)。在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即：與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即：E, , E= =/E為為彈性模量彈性

4、模量， 為彈性應(yīng)力，為彈性應(yīng)力， 為彈性應(yīng)變。為彈性應(yīng)變。金屬金屬的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，它取決于原子間結(jié)合力大小。它取決于原子間結(jié)合力大小。Mg:45GPa; Al:70GPa; Ti:116GPa; Fe: 211GPa; Mg:45GPa; Al:70GPa; Ti:116GPa; Fe: 211GPa; Pb:18GPa; W:411GPaPb:18GPa; W:411GPa5.2 單晶體的塑性變形當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，金屬將發(fā)生塑性變形。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，金屬將發(fā)生塑性變形。多晶體的變形與組成它的各個(gè)晶粒的變形行為有關(guān)。多晶

5、體的變形與組成它的各個(gè)晶粒的變形行為有關(guān)。在常溫和低溫下，金屬塑性變形主要是通過(guò)滑移方式在常溫和低溫下，金屬塑性變形主要是通過(guò)滑移方式 進(jìn)行的，還有孿生等其它方式。進(jìn)行的，還有孿生等其它方式。5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形晶體的塑性變形是晶體的晶體的塑性變形是晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一部分相對(duì)于另一部分沿著某些晶面和晶向發(fā)生相著某些晶面和晶向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果，這種變形對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果，這種變形方式稱為方式稱為滑移?；?。經(jīng)塑性變形單晶體表面拋光后在金相顯微鏡下可以觀察到許多相互平行的線條，這些線條稱為滑移帶。銅中的滑移帶銅中的滑移帶5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形每

6、條滑移帶是由一族相互每條滑移帶是由一族相互平行的細(xì)線即滑移線組成，平行的細(xì)線即滑移線組成，而這些滑移線是經(jīng)塑性變而這些滑移線是經(jīng)塑性變形后在試樣表面產(chǎn)生的一形后在試樣表面產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)小臺(tái)階。個(gè)個(gè)小臺(tái)階。金屬經(jīng)塑性變形后，晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，滑移帶兩側(cè)的晶體取向也未發(fā)生變化?；茙еg或滑移線之間的晶體片層未發(fā)生變形?；凭€和滑移帶示意圖滑移線和滑移帶示意圖5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形金屬中的滑移是金屬中的滑移是沿著一定的晶面沿著一定的晶面和晶面上一定的和晶面上一定的晶向進(jìn)行的。晶向進(jìn)行的。這些晶面稱為滑移面，晶向稱為滑移方向。滑移面通常是金屬晶體中的密排面，而滑移方面則是最密排

7、方向。一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來(lái)組成一個(gè)滑移系。不同晶體有不同的滑移系。滑移系越多，滑移可能采取的空間取向越多，金屬的塑性越好。5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形金屬的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。當(dāng)外力在某一滑移金屬的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值時(shí)，這一滑移系開動(dòng)，系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值時(shí)，這一滑移系開動(dòng)，晶體開始滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的晶體開始滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力。外力F在滑移方向上的分力為：Fcos滑移面的面積為：A/cos外力F在滑移方向上的分切應(yīng)力為： = (Fcos)/(A/

8、cos)=(F/A)coscoscoscossk屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s=F/A5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形臨界分切應(yīng)力K的大小取決于金屬的本質(zhì)，與外力大小和方向無(wú)關(guān)。單晶體的屈服強(qiáng)度除與K有關(guān)外，還與取向因子coscos有關(guān)。當(dāng)和都為45時(shí)，取向因子具有最大值， s具有最低值，軟取向。coscossks=k / (coscos)當(dāng)外力與滑移面平行或垂直時(shí)，取向因子為零， s無(wú)窮大，晶體不能滑移，直至斷裂，硬取向。5.2.1 滑移滑移5.2 單晶體的塑性變形如果金屬的塑性變形過(guò)程中只有一個(gè)滑移系開動(dòng)，稱為單系滑移。對(duì)于滑移系較多的晶體，取向最有利的滑移系首先開動(dòng)，帶動(dòng)其它滑移系開動(dòng)，

9、導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)滑移系同時(shí)或交替開動(dòng)。如果外力方向合適，滑移也可以在多個(gè)滑移系上同時(shí)開始。這種在兩個(gè)或多個(gè)滑移系上進(jìn)行的滑移稱為多系滑移，或多滑移。多滑移時(shí)產(chǎn)生的滑移帶常呈交叉狀。5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形在切應(yīng)力作用下，沒(méi)有任何缺陷的理想晶體的上下兩部分沿滑移面作整體剛性滑移所需要的臨界切應(yīng)力很大，實(shí)際值很小。銅的理論計(jì)算臨界分切應(yīng)力為1500MPa，而實(shí)測(cè)值僅為0.98MPa，相差一千多倍。實(shí)際晶體中存在位錯(cuò)，晶體的滑移是通過(guò)位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下沿著滑移面逐步移動(dòng)的結(jié)果。（1）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的

10、位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形當(dāng)一條位錯(cuò)線移到晶體表面時(shí)，便在晶體表面留下一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階，其大小等于柏氏矢量。如果有大量位錯(cuò)重復(fù)按此方式滑移過(guò)晶體，就會(huì)在晶體表面形成滑移線。（1）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移滑移的位錯(cuò)機(jī)制螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形晶體滑移時(shí)不是滑移面上原子整體運(yùn)動(dòng)，而是位錯(cuò)中心原子逐一遞進(jìn)，由一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平衡位置。（1）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移刃型位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)從PQ到PQ移動(dòng)了一個(gè)原子間距，但只需位錯(cuò)中心附件的少數(shù)原子作遠(yuǎn)小于一個(gè)

11、原子間距的彈性偏移，因此這樣的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要的切應(yīng)力很小。這就是實(shí)際滑移的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值的原因。5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形晶體的塑性變形要產(chǎn)生大量滑移帶，而一個(gè)滑移帶需要上千個(gè)位錯(cuò)掃過(guò)滑移面并移出晶體表面。然而，晶體塑性變形后位錯(cuò)不但沒(méi)有減小，反而增多。晶體塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)在低應(yīng)力作用下可以源源不斷地產(chǎn)生，其中的一種機(jī)制就是弗蘭克瑞德(Frank-Read)位錯(cuò)增殖機(jī)制（2）位錯(cuò)的增值）位錯(cuò)的增值5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形位錯(cuò)在三維空間中相互交結(jié)，在位錯(cuò)線上形成固定結(jié)點(diǎn)(DD)。位錯(cuò)線在外力作用下要向前運(yùn)動(dòng)

12、，而D和D兩結(jié)點(diǎn)不動(dòng)，使直線變?yōu)榍€。位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向與本身（2）位錯(cuò)的增值）位錯(cuò)的增值弗蘭克瑞德位錯(cuò)源弗蘭克瑞德位錯(cuò)源垂直，各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)線速度相等，角速度不同。與結(jié)點(diǎn)越近，角速度越大，便形成了一個(gè)回轉(zhuǎn)蜷線。m和n點(diǎn)異號(hào)螺型位錯(cuò)相遇并銷毀，形成新的線段和周圍位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)繼續(xù)滑移并移出晶體后形成一個(gè)原子間距的位移，新的線段位錯(cuò)重復(fù)繼續(xù)不斷地產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)。5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形位錯(cuò)AB和CD，滑移面Pa和Pb，柏氏矢量b1和b2。AB自左向右運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生b1距離的位移，與CD交割后，CD變成CmnD，mn也是刃型位錯(cuò)，但滑移面不同，因此稱之為割階。（3）位錯(cuò)的交割

13、與塞積）位錯(cuò)的交割與塞積兩個(gè)相互垂直的刃型位錯(cuò)的交割兩個(gè)相互垂直的刃型位錯(cuò)的交割有些割階難以運(yùn)動(dòng)，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙，造成位錯(cuò)纏結(jié)，導(dǎo)致加工硬化。5.2.2 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制5.2 單晶體的塑性變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如果遇到障礙物的阻礙，如其它位錯(cuò)、硬質(zhì)點(diǎn)、晶界等，領(lǐng)先的位錯(cuò)受阻于障礙物，后續(xù)位錯(cuò)被阻塞，形成位錯(cuò)塞積群，造成應(yīng)力集中。（3）位錯(cuò)的交割與塞積）位錯(cuò)的交割與塞積位錯(cuò)塞積示意圖位錯(cuò)塞積示意圖5.2.3 孿生孿生5.2 單晶體的塑性變形不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的孿生面和孿生方向。孿生區(qū)內(nèi)相鄰晶面沿孿生方向相對(duì)移動(dòng)相同距離，孿生后晶體的切變部分與未變形部分以孿生面為分界面形成了鏡面對(duì)

14、稱的位向關(guān)系，孿生區(qū)的晶體取向發(fā)生了改變。面心立方晶體孿生變形過(guò)程示意圖面心立方晶體孿生變形過(guò)程示意圖孿生是另一種塑性變形機(jī)制，是均勻切變過(guò)程。切變面為孿生面，切變方向?yàn)閷\生方向。5.2.3 孿生孿生5.2 單晶體的塑性變形與滑移相比，孿生本身對(duì)晶體塑性變形貢獻(xiàn)不大。孿生改變了晶體的位向，可使某些原來(lái)處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變到有利滑移的取向，激發(fā)進(jìn)一步滑移變形。鋼中的變形孿晶鋼中的變形孿晶孿生也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，但所需臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移，只有在很難進(jìn)行時(shí)，才發(fā)生孿生變形。密排六方晶體滑移系少，易發(fā)生孿生變形。孿生變形速度很快。單晶體的塑性變形： 滑移：滑移線，滑移帶，滑移面，滑移方向，

15、滑移系， 滑移的臨界分切應(yīng)力，單系滑移，多系滑移 滑移的位錯(cuò)機(jī)制：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、增殖、交割、塞積 孿生：孿生過(guò)程，孿生機(jī)制，孿生特點(diǎn)小結(jié)小結(jié)金屬的變形特性： 彈性變形塑性變形斷裂 彈性極限，彈性模量，屈服極限，抗拉極限強(qiáng)度 延伸率，斷面收縮率5.3.1 多晶體塑性變形的特點(diǎn)多晶體塑性變形的特點(diǎn)5.3 多晶體的塑性變形位錯(cuò)塞積造成應(yīng)力集中，與不斷提高的外力疊加，使相鄰晶粒某些滑移系開動(dòng)，塑性變形從一個(gè)晶粒傳遞到另一個(gè)晶粒，一批晶粒如此傳遞，產(chǎn)生宏觀塑性變形。位錯(cuò)塞積示意圖位錯(cuò)塞積示意圖多晶體中各晶粒取向不同，在外力作用下，處于有利位向的晶粒首先滑移，位錯(cuò)源開動(dòng)。周圍晶粒位向不利，位錯(cuò)不能穿過(guò)晶界，

16、受阻形成塞積。5.3.1 多晶體塑性變形的特點(diǎn)多晶體塑性變形的特點(diǎn)5.3 多晶體的塑性變形多晶體各晶粒取向不同及晶界存在，使各晶粒間變形不均勻。在一個(gè)晶粒中，內(nèi)部變形大，晶界及附近變相小。雙晶粒試樣拉伸變形雙晶粒試樣拉伸變形多晶體每個(gè)晶粒都處于其它晶粒包圍之中，每個(gè)晶粒的變形必須有相鄰晶粒的相互協(xié)調(diào)，保持晶粒之間的連續(xù)性。要求相鄰晶粒不只在取向有利的滑移系中進(jìn)行滑移，非有利滑移系也要開動(dòng)。多晶體的塑性變形一般需要每個(gè)晶粒至少5個(gè)獨(dú)立滑移系開動(dòng)來(lái)保證各晶粒間變形協(xié)調(diào)。密排六方晶體滑移系少，塑性差。5.3.2 晶粒大小對(duì)塑性變形的影響晶粒大小對(duì)塑性變形的影響5.3 多晶體的塑性變形這就是著名的霍爾

17、佩奇（Hall-Petch）公式，式中：0與K均為常數(shù)。0表示晶內(nèi)對(duì)變形的阻力，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度；K表示晶界對(duì)強(qiáng)度的影響程度，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。常溫下鋼的屈服強(qiáng)度（0）與晶粒直徑（d）平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系：21Kdos5.3.2 晶粒大小對(duì)塑性變形的影響晶粒大小對(duì)塑性變形的影響5.3 多晶體的塑性變形這就是霍爾佩奇（Hall-Petch）公式的物理本質(zhì)。多晶體中一個(gè)晶粒發(fā)生變形，在晶界附近產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，引起應(yīng)力集中。應(yīng)力集中大小與塞積位錯(cuò)數(shù)目有關(guān)。晶粒越小，位錯(cuò)塞積距離越小，應(yīng)力集中越小，引發(fā)相鄰晶粒變形的機(jī)會(huì)越小，需要外力越大，表現(xiàn)出強(qiáng)度越高。位錯(cuò)塞積示意圖位錯(cuò)塞積示意圖5.3.2 晶

18、粒大小對(duì)塑性變形的影響晶粒大小對(duì)塑性變形的影響5.3 多晶體的塑性變形多晶體晶粒細(xì)小均勻時(shí)，一定體積內(nèi)晶粒數(shù)目多。形相同變形量下，變形分散在較多晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，引起應(yīng)力集中小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量，可以得到較大的延伸率。因此，晶粒小小，不僅室溫強(qiáng)度高，而且具有較好的塑性。晶粒越細(xì)，晶界曲折，不利于裂紋擴(kuò)展，斷裂吸收的能量高，因此表現(xiàn)出良好的韌性。在工業(yè)生產(chǎn)中，要設(shè)法獲得細(xì)小均勻的晶粒組織，具有較高的綜合性能。5.4.1 塑性變形對(duì)金屬組織的影響塑性變形對(duì)金屬組織的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響金屬經(jīng)冷塑性變形后，原來(lái)的等軸晶粒沿變形方向進(jìn)行拉長(zhǎng)。當(dāng)變形量很大時(shí)，

19、晶界難以分辨，呈現(xiàn)一片如纖維狀的條紋，稱之為纖維組織。金屬中的塑性?shī)A雜物沿變形方向被拉長(zhǎng)；脆性?shī)A雜破碎，沿變形方向呈鏈狀分布。纖維組織使金屬的性能具有方向性，縱向的強(qiáng)度和塑性高于橫向?；谱冃萎a(chǎn)生滑移帶，孿生變形產(chǎn)生孿晶?；谱冃萎a(chǎn)生滑移帶，孿生變形產(chǎn)生孿晶。（1）顯微組織的變化）顯微組織的變化5.4.1 塑性變形對(duì)金屬組織的影響塑性變形對(duì)金屬組織的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響金屬的一個(gè)晶粒中一般存在很多亞晶粒。塑性變形后，亞晶粒進(jìn)一步細(xì)化成為胞塊，稱為變形亞晶。胞塊之間位向差不超過(guò)2。胞壁由大量堆積位錯(cuò)構(gòu)成，胞內(nèi)位錯(cuò)密度較低。變形量越大，胞塊越多，尺寸越小，并沿變形方向被拉長(zhǎng)。金

20、屬塑性變形時(shí)位錯(cuò)不斷增殖，位錯(cuò)密度大幅提高。變形亞晶阻礙位錯(cuò)滑移，提高變形抗力，加工硬化。（2）亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化）亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化5.4.1 塑性變形對(duì)金屬組織的影響塑性變形對(duì)金屬組織的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響金屬塑性變形過(guò)程中，各晶粒的滑移面和滑移方向逐漸向外力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，各晶粒的取向會(huì)大致趨于一致，這一現(xiàn)象稱為晶粒的擇優(yōu)取向。變形金屬中的這種組織狀態(tài)稱為變形織構(gòu)。拉拔變形產(chǎn)生的織構(gòu)是各個(gè)晶粒的某一晶向大致與拉拔方向平行，稱之為絲織構(gòu)。軋制變形產(chǎn)生的織構(gòu)是各個(gè)晶粒的某一晶面與軋制平面平行，而某一晶向與軋制的主變形方向平行，稱之為板織構(gòu)。（3）變形織構(gòu)）變形織構(gòu)5.4.1

21、 塑性變形對(duì)金屬組織的影響塑性變形對(duì)金屬組織的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響由于金屬塑性變形的不均勻性和產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，變形后在金屬內(nèi)部留下殘余內(nèi)應(yīng)力和點(diǎn)陣畸變。宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：工件各部分宏觀變形不均勻而引起的，其平衡范圍是工件的整個(gè)體積。微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：由于各晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻而產(chǎn)生的，其平衡范圍為幾個(gè)(亞)晶粒。點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）：塑性變形產(chǎn)生的缺陷使點(diǎn)陣中一部分原子偏離其平衡位置，造成晶格畸變。（4）殘余應(yīng)力）殘余應(yīng)力5.4.2 塑性變形對(duì)金屬性能的影響塑性變形對(duì)金屬性能的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響隨著塑性變形程度的增加，金屬的

22、強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性下降，這一現(xiàn)象稱為加工硬化。隨著塑性變形的進(jìn)行，位錯(cuò)相互交割，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，形成位錯(cuò)纏結(jié)，位錯(cuò)密度提高，位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)受阻，引起變形抗力增加，提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。冷軋鋼板，冷拔鋼絲，限制頸縮。連續(xù)多道次變形過(guò)程可采用中間退火消除加工硬化。（1）對(duì)金屬機(jī)械性能的影響）對(duì)金屬機(jī)械性能的影響5.4.2 塑性變形對(duì)金屬性能的影響塑性變形對(duì)金屬性能的影響5.4 塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響塑性變形使金屬的電阻率增加，電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)下降，導(dǎo)磁率和磁飽和系數(shù)下降，磁滯和矯頑力增加。塑性變形提高金屬的內(nèi)能，使化學(xué)活性提高，腐蝕速度加快。塑性變形后，由于金屬中的晶體

23、缺陷（位錯(cuò)及空位）增加，原子擴(kuò)散速度增加。（2）對(duì)金屬物理和化學(xué)性能的影響）對(duì)金屬物理和化學(xué)性能的影響5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶金屬塑性變形消耗的能量大部分轉(zhuǎn)變成熱而散失，小部分以晶體缺陷引起的晶格缺陷和變形不均勻所引起的彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存于金屬內(nèi)部，稱為儲(chǔ)存能。儲(chǔ)存能使塑性變形后的金屬自由能升高，熱力學(xué)不穩(wěn)定，有自發(fā)恢復(fù)到自由能較低的穩(wěn)定態(tài)趨勢(shì)。但在室溫下原子不易擴(kuò)散，恢復(fù)極為緩慢。加熱升溫，金屬原子擴(kuò)散能力提高，冷變形金屬向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，變化分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。向穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)變將引起組織與性能變化，轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存能。5.5.1 回復(fù)回復(fù)5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)

24、晶經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織改變前產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過(guò)程稱為回復(fù)?；貜?fù)過(guò)程纖維狀晶粒組織保持不變，金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性變化不大，電阻率減小，抗腐蝕能力提高，第一類內(nèi)應(yīng)力基本消除。加熱溫度較低時(shí)，空位移至晶界或位錯(cuò)處而消失，空位與間隙原子結(jié)合而消失，空位之間聚合而形成空位對(duì)或空位群，點(diǎn)缺陷密度大幅度下降。5.5.1 回復(fù)回復(fù)5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶加熱溫度較高時(shí)，位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)，異號(hào)位錯(cuò)吸引抵消，使位錯(cuò)密度降低。溫度更高時(shí)，刃型位錯(cuò)攀移，沿垂直于滑移面方向排列成位錯(cuò)墻，構(gòu)成小角亞晶界，形成完整的亞晶塊，稱為回復(fù)亞晶。這一過(guò)程稱為多邊形化。刃型位錯(cuò)攀移和滑移示意圖

25、刃型位錯(cuò)攀移和滑移示意圖多邊形化前后位錯(cuò)排列情況多邊形化前后位錯(cuò)排列情況5.5.1 回復(fù)回復(fù)5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶多邊形化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)從高能態(tài)的混亂排列向低能態(tài)的規(guī)則排列移動(dòng)的過(guò)程。生產(chǎn)上的去應(yīng)力退火就是利用回復(fù)過(guò)程使冷加工金屬在基本保持加工硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，并能改善耐蝕性，降低電阻率。對(duì)鑄件和焊接件加工后及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火，可以防止變形和開裂，這也是通過(guò)回復(fù)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。塑性變形對(duì)組織性能的影響： 組織結(jié)構(gòu)：纖維組織，變形亞晶，位錯(cuò)密度， 變形織構(gòu)，殘余應(yīng)力 性能：加工硬化，物理與化學(xué)性能小結(jié)小結(jié)多晶體的塑性變性： 變形特點(diǎn)：位錯(cuò)塞積應(yīng)力集中引發(fā)變形 變形協(xié)調(diào)，多

26、系滑移，變形不均勻性 晶粒大?。夯魻柵迤婀剑?xì)晶強(qiáng)韌化回復(fù)：機(jī)制與性能變化5.5.2 再結(jié)晶再結(jié)晶5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶當(dāng)冷變形金屬的加熱溫度高于回復(fù)溫度時(shí)，在變形組織中產(chǎn)生新的無(wú)畸變的晶核，并迅速長(zhǎng)大形成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織，這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是冷變形產(chǎn)生的儲(chǔ)存能。再結(jié)晶后，冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性提高，內(nèi)應(yīng)力完全消除，加工硬化狀態(tài)消除，金屬又重新復(fù)原到冷變形之前的狀態(tài)。5.5.2 再結(jié)晶再結(jié)晶5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶是通過(guò)形核和長(zhǎng)大完成的。變形金屬中能量較高的部位（晶界、亞晶界）優(yōu)先形核，變形量較大時(shí)為亞晶形核，變形量較小

27、時(shí)為凸出形核。再結(jié)晶過(guò)程示意圖再結(jié)晶過(guò)程示意圖5.5.2 再結(jié)晶再結(jié)晶5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶亞晶形核是依靠某些亞晶界的迅速成長(zhǎng)而變?yōu)樵俳Y(jié)晶核心。一種方式是通過(guò)某些局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界遷移，吞并相鄰變形基體和亞晶粒而成長(zhǎng)為再結(jié)晶核心；另一種方式是通過(guò)相鄰兩亞晶粒間亞晶界消失和合并。隨亞晶的生長(zhǎng)，形成的亞晶界位向差增大，形成大角晶界。由大角晶界包圍的無(wú)畸變晶體稱為再結(jié)晶核心。再結(jié)晶形核機(jī)制示意圖再結(jié)晶形核機(jī)制示意圖（1）亞晶形核）亞晶形核5.5.2 再結(jié)晶再結(jié)晶5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶變形程度較小時(shí)，變形不均勻，各晶粒位錯(cuò)密度不同，加熱時(shí)某一小段晶界向亞晶粒細(xì)小、位錯(cuò)密度高的

28、一側(cè)弓出，形成無(wú)畸變晶體，稱為再結(jié)晶核心。再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大是形成的大角晶界向畸變區(qū)域移動(dòng)而生長(zhǎng)，形成無(wú)畸變晶體，長(zhǎng)大動(dòng)力是畸變能差。變形晶粒完全被新晶粒代替時(shí)，再結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。再結(jié)晶形核機(jī)制示意圖再結(jié)晶形核機(jī)制示意圖（2）晶界凸出形核）晶界凸出形核5.5.3 再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度及其影響因素5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶在生產(chǎn)中常把再結(jié)晶溫度定義為：經(jīng)過(guò)大量變形（變形度70）的金屬在約1小時(shí)的保溫時(shí)間內(nèi)，能夠完成再結(jié)晶（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95）的最低加熱溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)有以下近似關(guān)系：T再（0.350.4）Tm （單位：K）純鐵的熔點(diǎn)是1811K，再結(jié)晶溫度是823K

29、，因此有：T再0.4Tm（1）再結(jié)晶溫度）再結(jié)晶溫度5.5.3 再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度及其影響因素5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶變形程度：金屬冷變形程度增大，儲(chǔ)存能提高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，再結(jié)晶溫度降低。金屬純度：金屬中的雜質(zhì)或合金元素能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移，所以金屬純度越高，再結(jié)晶溫度越低。原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸細(xì)小，變形抗力較大，冷變形后金屬儲(chǔ)存能較高，再結(jié)晶溫度較低。加熱時(shí)間和加熱速度：加熱時(shí)間增加，再結(jié)晶溫度降低；加熱速度提高，再結(jié)晶溫度提高。（2）影響再結(jié)晶溫度的因素）影響再結(jié)晶溫度的因素5.5.4 再結(jié)晶晶粒大小的控制再結(jié)晶晶粒大小的控制5.5 冷變形金屬的回復(fù)與

30、再結(jié)晶變形程度：變形量很小時(shí)，不發(fā)生再結(jié)晶。變形量達(dá)到一定程度時(shí)（一般為210），再結(jié)晶晶粒特別粗大。這樣的變形度稱為臨界變形度。原因：變形量小，再結(jié)晶核心少，生長(zhǎng)速度卻很大。大于臨界變形度后，晶粒尺寸隨變形量的增加而下降。影響再結(jié)晶晶粒大小的因素有：影響再結(jié)晶晶粒大小的因素有：變形程度對(duì)再結(jié)晶變形程度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響晶粒大小的影響5.5.4 再結(jié)晶晶粒大小的控制再結(jié)晶晶粒大小的控制5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸細(xì)小，再結(jié)晶形核位置增多，再結(jié)晶晶粒細(xì)小。雜質(zhì)與合金元素：雜質(zhì)與合金元素提高變形抗力和儲(chǔ)存能，阻礙晶界移動(dòng)，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。變形溫度：變形溫度越高，回

31、復(fù)程度越大，儲(chǔ)存能越小，再結(jié)晶晶粒越粗大。退火溫度：在退火保溫時(shí)間一定時(shí)，再結(jié)晶退火溫度越高，再結(jié)晶晶粒越大。影響再結(jié)晶晶粒大小的因素有：影響再結(jié)晶晶粒大小的因素有：5.5.5 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大5.5 冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶冷變形金屬在再結(jié)晶剛剛完成時(shí)，一般得到細(xì)小的等軸晶粒組織。繼續(xù)提高加熱溫度或保溫時(shí)間，晶粒將進(jìn)一步長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大可以減少晶界總面積，降低總晶界能，是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是晶粒長(zhǎng)大前后的晶界能差。5.6.1 金屬的熱加工與冷加工金屬的熱加工與冷加工5.6 金屬的熱加工壓力加工是利用塑性變形方法使金屬成形并改性的工藝。由于有些金屬常溫下塑性變形十分困難，因此生產(chǎn)上常

32、采用加熱塑性變形。在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形稱為熱加工；在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形稱為冷加工。在熱加工過(guò)程中，金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行加工硬化和回復(fù)與再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程，這時(shí)的回復(fù)與再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生的，稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。5.6.2 熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響5.6 金屬的熱加工熱加工可以使鋼中的組織和缺陷得到改善：氣孔和疏松被焊合，致密度增加，粗大的柱狀晶和樹枝晶被破碎，大塊初晶、共晶碳化物和粗大夾雜物被打碎，并均勻分布，偏析消除，化學(xué)成分均勻，性能提高。熱加工使鋼中偏析、夾雜物、晶界等沿變形方向延伸，在宏觀試樣上沿著變形方向呈現(xiàn)一條條的細(xì)線，這就是

33、熱加工中的流線，流線勾畫出的組織為纖維組織。（1）改善鑄錠組織）改善鑄錠組織（2）形成纖維組織）形成纖維組織5.6.2 熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響5.6 金屬的熱加工復(fù)相合金中的各個(gè)相在熱加工時(shí)沿著變形方向交替地呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織。帶狀組織使金屬材料各向異性，橫向塑性和韌性明顯降低。熱加工一般可使晶粒細(xì)化。增大變形量有利于細(xì)化晶粒；變形溫度較高，同時(shí)變形后冷速較慢，會(huì)造成晶粒粗大；變形溫度較低，會(huì)造成加工硬化和殘余應(yīng)力。（3）形成帶狀組織）形成帶狀組織（4）晶粒大?。┚Я４笮?.7 超塑性塑性較好的金屬在拉伸時(shí)試樣通常會(huì)發(fā)生頸縮，其延伸率一般不超過(guò)6

34、0，但某些金屬在特定條件下拉伸時(shí)可獲得很高的延伸率和優(yōu)異的均勻變形能力，其延伸率可達(dá)到200以上。這種性能稱為超塑性。合金具有非常細(xì)小的等軸晶粒的兩相組織(晶粒的平均直徑通常小于10m)。變形溫度通常接近于合金絕對(duì)熔點(diǎn)溫度的0.5至0.65倍。 通常需要較低的應(yīng)變速度率（0.01-0.0001s-1）。（1）什么是超塑性）什么是超塑性（2）產(chǎn)生超塑性的條件）產(chǎn)生超塑性的條件5.7 超塑性超塑性變形的機(jī)制與晶界擴(kuò)散調(diào)節(jié)的晶界滑移有關(guān)。變形后晶粒有所長(zhǎng)大，但仍為等軸狀，未被拉長(zhǎng)。變形后試樣表面未出現(xiàn)滑移帶。 特制試樣中可見到晶界滑動(dòng)和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)痕跡。變形后未形成明顯的織構(gòu)。（3）超塑性變形的機(jī)制）超

35、塑性變形的機(jī)制（4）超塑性變形后的組織特征）超塑性變形后的組織特征金屬的變形特性單晶體的塑性變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線金屬的彈性變形滑移的位錯(cuò)機(jī)制孿生滑移多晶體的塑性變形變形特點(diǎn)晶粒大小影響塑性變形對(duì)金屬組織與性能影響纖維組織亞結(jié)構(gòu)變形織構(gòu)殘余應(yīng)力機(jī)械性能物理性能冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶溫度及影響因素再結(jié)晶晶粒大小及控制金屬的熱加工金屬的熱加工與冷加工對(duì)組織性能的影響超塑性思考題：思考題：（1）金屬塑性變形的物理本質(zhì)。）金屬塑性變形的物理本質(zhì)。（2）冷變形對(duì)金屬組織與性能的影響規(guī)律。）冷變形對(duì)金屬組織與性能的影響規(guī)律。 復(fù)習(xí)題：復(fù)習(xí)題：（1）畫出低碳鋼的拉伸曲線，標(biāo)出彈性變形、塑性）畫

36、出低碳鋼的拉伸曲線，標(biāo)出彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。變形和斷裂三個(gè)階段。（2）彈性變形的物理本質(zhì)是什么？）彈性變形的物理本質(zhì)是什么？（3）塑性變形的基本方式有哪幾種？）塑性變形的基本方式有哪幾種？（4）為什么金屬晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性越好？）為什么金屬晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性越好？（5）何謂加工硬化？產(chǎn)生原因及消除方法是什么？）何謂加工硬化？產(chǎn)生原因及消除方法是什么？（6）影響金屬再結(jié)晶溫度的因素有那些？）影響金屬再結(jié)晶溫度的因素有那些？人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說(shuō)“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^(guò)閱讀科技書籍，我們能豐富知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過(guò)閱讀文學(xué)作品，我們能提高文學(xué)鑒賞水平，培養(yǎng)文學(xué)情趣；通過(guò)閱讀報(bào)刊，我們能增長(zhǎng)見識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進(jìn)。5.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線5.1 金屬的變形特性 試樣斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量L(Lk-L0)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0的百分比稱為延伸率： (Lk-L0)/ L0 100% 試樣的原始截面面積F0和斷裂時(shí)的截面面積Fk之差與原始截面面積F0的百分比稱為斷面收縮率： (F0- Fk)/F0100%低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變