第7章材料的變形和再結晶

張峻巍材料科學基礎2/2/20231第7章材料的變形和再結晶2/2/20232主要內容7.1彈性變形7.2晶體的塑性變形7.3回復和再結晶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，外力較小時產生彈性變形，外力較大時產生塑性變形，而當外力過大時就會發(fā)生斷裂。不同材料變形時其應力-應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）。變形可分為三個階段：彈性變形、塑性變形、斷裂。2/2/20234拉伸實驗2/2/20235低碳鋼的工程應力一工程應變曲線σe：彈性極限σb：抗拉強度σs：屈服強度GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法2/2/20236彈性極限σe彈性極限—試樣產生完全彈性變形時所能承受的最大拉應力。拉伸性能2/2/20237彈性模量E單純彈性變形過程中應力與應變的比值。

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合力強弱的物理量。拉伸性能2/2/20238金屬原子間的鍵合特點結合力與結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力與應變的比值。E共價鍵＞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)，屈服平臺所對應的應力即為屈服強度，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，此時將屈服強度定義為產生0.2%殘余變形時的應力，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

抗拉強度b：定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應力，以前稱為強度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應于b點的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強度之值，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：拉伸試驗前測定試件的標距L0，拉伸斷裂后測得標距為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。拉伸性能2/2/202314低碳鋼的工程應力一工程應變曲線工程應力――載荷除以試件的原始截面積即得工程應力σ，σ=P／A0工程應變――伸長量除以原始標距長度即得工程應變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生均勻的伸長，而且發(fā)生頸縮現象，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低碳鋼拉伸應力應變曲線低碳鋼壓縮應力應變曲線低碳鋼拉伸與壓縮實驗2/2/202317sbyseOsbL灰鑄鐵的拉伸曲線灰鑄鐵的壓縮曲線aa=45o~55o剪應力引起斷裂灰鑄鐵的拉伸與壓縮實驗2/2/202318塑性材料和脆性材料力學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構件或外殼材料的塑性和脆性會因為制造方法工藝條件的改變而改變2/2/2023194.1彈性變形1.彈性變形特征

(1)變形是可逆的；(2)應力與應變保持單值線性函數關系，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

工程上應用的材料為多晶體，內部存在各種類型的缺陷，彈性變形時，可能出現加載線與卸載線不重合、應變的發(fā)展跟不上應力的變化等現象，稱為彈性的不完整性，包括包申格效應、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

材料經預先加載產生少量塑性變形，然后同向加載則σe升高，反向加載則σe降低的現象,稱為包申格效應。退火軋制黃銅在不同載荷下彈性極限的變化。可見：B、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，應變滯后于外加應力，并和時間有關的現象稱為彈性后效。實際金屬2/2/202324(3)

彈性滯后

由于應變落后于應力，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：加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料恢復所釋放的變形功，多余的部分被材料內部所消耗，稱為內耗（internalfriction），大?。綇椥詼蟓h(huán)面積。2/2/202325(3)

彈性滯后

由于應變落后于應力，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：加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料恢復所釋放的變形功，多余的部分被材料內部所消耗，稱為內耗（internalfriction），大?。綇椥詼蟓h(huán)面積。實際應用的金屬材料有的要求高內耗，有的要求低內耗，如制作鐘、樂器的材料，要求低內耗，消振能力低，聲音好聽；制作機座、汽輪機葉片的材料，要求高內耗，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方式1．軋制；2．擠壓；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)生相對位移的現象。完整晶體ττ滑移2/2/202331滑移的特點：(1)滑移后，晶體的點陣類型不變；(2)晶體內部各部分位向不變；(3)滑移量是滑移方向上原子間距的整數倍；(4)滑移后，在晶體表面出現一系列臺階?；凭€（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表面經過拋光的金屬單晶體拉伸時，當應力超過屈服強度時，在表面會出現一些與應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。一個較大的臺階中又是由許多小臺階組成的。幾個相鄰的小臺階組成了一個滑移帶（slipband）。在滑移帶內，一個滑移臺階就是一條滑移線（slipline），每條滑移線間的距離約為100個原子間距，而滑移帶間的距離大約為10000個原子間距。臺階的高度約為1000個原子間距。滑移的面稱為滑移面，滑動的方向稱為滑移向。當滑移的晶面逸出晶體表面時，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滑移方向構成一個可以滑移的方式稱為“滑移系”(slipsystem)

。2/2/202336滑移系

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

[11]

(110)[01]

[10]

(111)

BCC{110}×6<111>×2滑移系數＝6×2＝12

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

可知：構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

實驗表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC與FCC的滑移系數相同，但滑移方向對塑性變形的作用比滑移面大，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.滑移的臨界分切應力

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

設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力：

τ=Fτ/Aˊ=Fcosλ/(A/cosφ)=Fcosλcosφ/A

F/A＝σ，當滑移系中的分切應力達到其臨界分切應力值而開始滑移時，σ＝σS，此時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屈服應力與晶體取向的關系2/2/202343單向拉伸：

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

由于晶體的轉動，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行，其結果造成晶體的均勻變形。

d.滑移時晶面的轉動：

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

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

由于晶體的轉動，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行，其結果造成晶體的均勻變形。

d.滑移時晶面的轉動：

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

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

螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉移到與之相交的另一滑移面的過程；

螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉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.滑移的位錯機制

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，而是借助位錯在滑移面上的運動來逐步進行的。當移動到晶體外表面時，晶體沿其滑移面產生了位移量為一個b的滑移。2/2/2023512/2/202352金屬計算值(MN/m2)實測值(MN/m2)計算值與實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在滑移面上的運動來實現的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對移動。

滑移的實現→借助于位錯運動。（剛性滑移模型計算出的臨界切應力值＞＞實測值）自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進行！2/2/202353

τ

αα

ττ

τ完整晶體

2.孿生

在切應力作用下,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)生相對切變的現象。孿生2/2/2023541)點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，且小于一個原子間距，即孿生時切變量是原子間距的分數倍；3)孿生變形速度很快，接近聲速。孿生的特點：2/2/202355晶體位向位移量切應力塑變量變形速度滑移不變整數倍小大慢孿生改變分數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1均勻切變；2沿一定的晶面、晶向進行；不改變結構。不同點

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現性）。改變，形成鏡面對稱關系（對拋光面觀察有重現性）位移量滑移方向上原子間距的整數倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應力遠高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機制全位錯運動的結果分位錯運動的結果2/2/2023573.扭折

對那些既不能進行滑移也不能進行孿生的地方，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)調性變形，它能引起應力松弛，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多晶體實際應用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數包含著許許多多的小晶體，每個小晶體的內部，晶格位向是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個小晶體組成的晶體結構稱之為“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度σS與晶粒平均直徑d的關系可用著名的霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式表示：σs＝σo＋Kd-1/2式中，σo反映晶內對變形的阻力，相當于單晶體的屈服強度；K反映晶界對變形影響系數，與晶界結構有關。

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↑，細晶強化。實驗表明：晶粒越細，不僅強度高，而且塑韌性也好。強度高，是因為晶粒細，單位面積上的晶粒數多，晶界的總面積大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數多，對塑性變形的抗力大；塑韌性好，是因為晶粒細，單位體積中的晶粒數越多，變形可在更多的晶粒中發(fā)生，且比較均勻，減少了應力集中，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度的影響；②塑性材料的流變應力與晶粒大小之間的關系；③脆性材料的脆斷應力與晶粒大小之間的關系；④金屬材料的疲勞強度、硬度與其晶粒大小之間的關系。2/2/202364晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點：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系a晶粒越細，強度越高(細晶強化：霍爾－配奇公式)s=0+kd-1/2原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，變形均勻性提高,由應力集中導致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現出高塑性。b晶粒越細，塑韌性提高細晶粒材料中，應力集中小，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Σ灰粯?，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

當外力進一步增加時，位錯在A晶粒晶界附近堆積，這樣就產生了應力集中，達到一定程度時，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)生轉動，轉到硬取向，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：

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

晶粒之間變形的協(xié)調性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調。（獨立變形會導致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系5個。（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原子對合金塑性變形的影響主要表現在固溶強化作用上。

固溶強化：溶質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上又加入其它元素,使相結構發(fā)生了變化，也改變了基體金屬的變形抗力，使強度、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為兩方面（1）固溶體：就是固體溶液，是溶質原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結構。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：溶質原子和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時溶質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原子溶劑原子溶質原子AB2/2/202373間隙固溶體：溶質原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質原子處于溶劑晶體結構的間隙位置上，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原子溶劑原子溶質原子AB2/2/202374固溶強化定義：采用添加溶質元素使固溶體強度升高的現象稱為固溶強化，即固溶強化是通過改變金屬的化學成分來提高強度的方法。機理：運動的位錯與溶質原子之間的交互作用的結果。效果：提高強度、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，第二相的數量、尺寸、形狀和分布不同，使多相合金的塑性變形更加復雜。(1)脆的第二相呈不連續(xù)的網狀分布在晶界上，使塑韌性大大降低。(2)第二相在晶粒內部呈片層狀分布，使其強度、硬度比基體金屬要高得多，使塑韌性下降。2/2/202376(3)第二相在晶粒內呈彌散點狀分布,使硬度和強度大大提高,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狀彌散分布在基體內,使其強度、硬度明顯升高的現象叫彌散強化。第二相粒子的強化作用是通過其對位錯運動的阻礙作用而表現出來的。2/2/202377第二相粒子分為：不可變形粒子和可變形粒子。不可變形粒子的強化作用見圖5.34所示。圖5.34位錯繞過第二相粒子示意圖粒子越多，間距越小，強化作用越明顯。2/2/202378可變形粒子的強化作用見圖5.35所示。圖5.35位錯切過粒子的示意圖

強化作用如下：1）位錯切過粒子時，出現新的表面，界面能升高；2）位錯切過粒子時，產生反相疇界，引起能量升高；3）位錯切過粒子時，引起原子錯排，需要額外作功；4）位錯切過粒子時，產生彈性應力場，阻礙位錯運動；5）位錯切過粒子時，產生割階，阻礙位錯運動。2/2/202379沉淀強化沉淀強化的機制是位錯和顆粒之間的相互作用。在外力作用下，運動位錯遇到第二相硬質點時的運動方式有兩種，(1)對提高強度有積極作用的繞過過程；(2)對提高強度作用較小的切割/剪切過程。它們都會增加運動阻力，可以提高材料的強度。

繞過機制切割機制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，出現各向異性。2/2/2023812.亞結構的變化經一定量的塑性變形后,晶體中的位錯線通過運動與交互作用,形成位錯纏結（見圖5.36b），進一步增加變形量時,大量位錯發(fā)生聚集,并由纏結的位錯組成胞狀亞結構（見圖5.36d），隨著變形量的增加,變形胞的數量增多,尺寸減小。形變↑→位錯密度↑（１０６→

１０１１-１２）→位錯纏結→胞壁→亞晶2/2/2023823.性能的變化產生加工硬化即金屬材料經冷加工變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性下降的現象。產生原因：變形量不大時，晶界附近產生位錯堆積；隨變形量增加，位錯之間產生交互作用，出現纏結現象，使晶粒破碎成為亞晶粒；變形越大，晶粒越碎，亞晶界增多，位錯密度增大，變形抗力增大，表現出：強度、硬度升高，塑韌性降低，即產生了加工硬化。

加工硬化是強化材料的一種主要手段。如拖拉機的履帶，鐵路的道叉等都是利用加工硬化來提高硬度及耐磨性的。但有時也會使進一步加工帶來困難。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，材料中位錯密度對材料的強度的影響

完全無位錯存在時，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運動的位錯，材料表現極高的強度。例如銅，理論計算的臨界切應力約為1500MPa，而實際測出的僅為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現(晶須),用于研究型的復合材料中。位錯強化2/2/202384

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

3.性能的變化2/2/2023854.形變織構

由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構。

有兩種類型：

拔絲時形成的織構稱為絲織構，其主要特征為各晶粒的某一晶向趨于平行于拉拔方向。

軋板時形成的織構稱為板織構，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

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

在沖壓薄板件時，它會帶來不均勻的塑性變形，而產生“制耳”現象，這是不希望產生的。2/2/202387

5.殘余應力殘余應力是一種內應力，在工件中處于自相平衡狀態(tài)，其產生是由于工件內部各區(qū)域變形不均勻及相互間的牽制作用所致。（1）宏觀殘余應力：是工件不同部分的宏觀變形不均引起的。（2）微觀殘余應力：是晶?；騺喚ЯＶg的變形不均產生的。（3）點陣畸變：是工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯等）引起的。內應力的產生，使材料變脆，耐蝕性降低。2/2/2023887.3回復和再結晶金屬和合金經塑性變形后，由于空位、位錯等結構缺陷密度的增加，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不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復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，恢復很慢，一旦受熱，溫度較高時，原子擴散能力提高，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構和性能均發(fā)生了很大的變化。金屬的這種組織在熱力學上處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)，如果對其進行加熱，變形金屬就能由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉化，從而會引起一系列的組織結構和性能的變化。這一變化過程隨加熱溫度的升高可表現為三個階段：回復再結晶晶粒長大

7.3.1冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化2/2/202390三個階段回復：指新的無畸變晶粒出現之前所產生的亞結構和性能變化的階段。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：強度與硬度變化很小，內應力、電阻明顯下降。（回復是指冷塑性變形的金屬在（較低溫度下進行）加熱時，在光學顯微組織發(fā)生改變前（即在再結晶晶粒形成前）所產生的某些亞結構和性能的變化過程。）2/2/202391再結晶：指出現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、無畸變的細等軸晶粒為止。性能：強度與硬度明顯下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢復到變形前的程度。

晶粒長大：指再結晶結束之后晶粒的繼續(xù)長大。在此階段，在晶界表面能的驅動下，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階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化。再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變?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，達到相對穩(wěn)定的形狀和尺寸。2/2/202393性能變化回復階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度變化不大，電阻明顯下降。再結晶階段：強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高；密度急劇升高。晶粒長大階段：強度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高；粗化嚴重時下降。2/2/2023947.3.2回復機制1.低溫回復：主要與點缺陷的遷移有關。2.中溫回復：主要與位錯的滑移有關。3.高溫回復：刃型位錯產生攀移。攀移：①使滑移面上不規(guī)則的位錯重新分布，垂直排列成墻，降低了位錯的彈性畸變能；②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯墻，產生亞晶，即多邊化結構。多邊化的產生條件：①塑性變形使晶體點陣發(fā)生彎曲；②在滑移面上有塞積的同號刃型位錯；③需要加熱到較高的溫度，使位錯能產生攀移運動。2/2/202395回復中刃型位錯的攀移及滑移攀移：刃型位錯沿垂直于滑移面的方向運動，使位錯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：刃型位錯通過攀移和滑移構成豎直排列，形成位錯墻（小角度亞晶界）的過程。2/2/202397

從回復機制可以理解：

回復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應變能的降低；

內應力的降低主要是由于晶體內彈性應變的基本消除；

硬度及強度下降不多是由于位錯密度下降不多，亞晶還較細小。

2/2/202398

7.3.3再結晶1.再結晶過程

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到變形前的狀況，這個過程稱為再結晶。

再結晶是一種形核和長大過程，即通過在變形組織的基體上產生新的無畸變再結晶晶核，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形核有三種機制：晶界弓出形核機制：對變形度較小的金屬，多以這種方式形核。2/2/2023101形核有三種機制：亞晶合并機制：在變形程度較大且具有高層錯能的金屬中，多以這種機制形核。2/2/2023102形核有三種機制：亞晶遷移機制：在變形度很大的低層錯能金屬中，多以這種機制形核。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變能差。

2/2/20231042.再結晶溫度及其影響因素再結晶溫度:冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度稱為再結晶溫度。對純金屬：T再＝0.4T熔（K）K＝℃＋273

一般再結晶退火溫度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化現象。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，再結晶的驅動力增大，再結晶容易發(fā)生，再結晶溫度低。當變形量達到一定程度，T再趨于一定值。2/2/20231062.原始晶粒尺寸：原始晶粒越細小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越細小，變形抗力越大，變形儲能高，再結晶驅動力越大，容易發(fā)生再結晶，使T再降低。3.微量溶質原子：微量溶質原子可顯著提高T再，原因是溶質原子與位錯和晶界間存在著交互作用，使溶質原子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阻礙作用，不利于再結晶的形核和長大，阻礙再結晶過程，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。當第二相粒子尺寸和間距都較大時，變形中阻礙位錯運動，提高變形儲能，提高再結晶驅動力，易發(fā)生再結晶，使T再降低；當第二相粒子尺寸和間距都很小時，阻礙位錯重排構成亞晶界，阻礙晶界遷移，阻礙了再結晶，使T再提高。5.再結晶退火工藝參數：加熱速度過慢或極快，均使T再升高（過慢有足夠的時間回復，點陣畸變度降低，儲能減小，使再結晶驅動力減小，T再升高；極快因各溫度下停留時間過短而來不及形核與長大，使T再升高）。保溫時間越長，T再越低。2/2/20231083.再結晶后的晶粒大小再結晶后的晶粒大小d取決于形核率N和長大速率G，它們之間有下列關系：

d=C(G/N)1/4

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

2/2/2023109（1）變形度：①當變形程度很小時，晶粒大小沒有變化，因為變形量過小，造成的儲存能不足以驅動再結晶。②當變形量達到一定值時，再結晶后的晶粒特別粗大，把這個變形量稱為“臨界變形量”，一般金屬的臨界變形量為2～10％。因為金屬在臨界變形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此時，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當變形量大于臨界變形量之后，再結晶后晶粒細化，且變形量越大，晶粒越細化。因為變形量越大，驅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，因此細化。影響再結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，再結晶后的晶粒越細。（4）合金元素和不熔雜質：越多，會阻礙再結晶晶粒長大，則再結晶晶粒越細小。（5）加熱速度：越快，再結晶溫度越高，推遲再結晶形核和長大過程，所以再結晶晶粒細小。2/2/20231127.3.4晶粒長大

再結晶后，再繼續(xù)保溫或升溫，會使晶粒進一步長大。1.正常晶粒長大：表現為大多數晶粒幾乎同時逐漸均勻長大。是靠晶界遷移，相互吞食而進行的，它使界面能減小，是一個自發(fā)過程。2.異常晶粒長大：表現為少數晶粒突發(fā)性的不均勻長大。是出現少數較大的晶粒優(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，使力學性能大大降低，稱為二次再結晶。其驅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

小于再結晶溫度的加工稱為冷加工；大于再結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？（鎢的熔點為3410℃，錫的熔點為232℃）經計算：T鎢再＝1200℃，T錫再＝－71℃所以，鎢為冷加工，錫為熱加工。2/2/2023114（2）在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間再行彎折，鉛板又向最初一樣柔軟，這是什么原因？（鉛的熔點為327.5℃）經計算：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)回復與動態(tài)再結晶熱加工中回復與再結晶分為兩類：一類在變形終止或中斷后，保溫或冷卻過程中進行，稱為靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶（前面討論的屬于此類）。另一類是與變形同時發(fā)生的回復與再結晶過程，稱為動態(tài)回復與動態(tài)再結晶。2/2/20231162.動態(tài)再結晶

動態(tài)再結晶也是形核和核長大過程。動態(tài)再結晶后得到等軸晶粒組織，晶粒內部由于繼續(xù)承受變形，有較高的位錯密度和位錯纏結存在，這種組織比靜態(tài)再結晶組織有較高的強度和硬度。1.動態(tài)回復動態(tài)回復引起的軟化過程是通過刃位錯的攀移、螺位錯的交滑移、異號位錯對消，使位錯密度降低的結果。動態(tài)回復過程中，變形晶粒不發(fā)生再結晶，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，細化晶粒。所以熱加工可提高力學性能。

2/2/20231182.形成“流線”，出現各向異性夾雜物一般沿晶界分布，熱加工時，晶粒變形，夾雜物也變形，晶粒發(fā)生再結晶形成等軸晶粒，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”。出現流線使性能出現明顯的各向異性，因此熱加工時應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，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1.概念包申格效應，彈性滯后，內耗，軟位向，硬位向，滑移，滑移系，臨界分切應力，孿生，固溶強化，彌散強化，加工硬化，變形織構，再結晶，二次再結晶，冷加工，熱加工。2.彈性變形：特點