滑移與孿生區(qū)別課件

工程材料主講教師:王亞男2023/6/82第4章金屬的塑性變形與再結(jié)晶4.1單晶體的塑性變形4.2多晶體的塑性變形4.3合金的塑性變形4.4塑性變形對金屬組織與性能的影響4.5回復(fù)與再結(jié)晶4.6金屬的熱加工小結(jié)思考題2023/6/834.1

單晶體金屬的塑性變形

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。

在常溫和低溫下，單晶體的塑性變形主要通過滑移、孿生等方式進行。2023/6/84外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）

ττ滑移變形的特點：2023/6/85（1）滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生

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)力達到一定值時，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＝？

面法向

滑移方向F

ф

λ

F

A

A/cosφ

計算分切應(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A’＝A/cosφ.2023/6/86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，當滑移系中的分切應(yīng)力達到其臨界分切應(yīng)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。2023/6/87

見圖鎂單晶拉伸時屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系。由圖可見：

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(chǎn)生滑移，此時的位向稱為硬位向；當外力與滑移面和滑移方向的夾角都接近45°時，取向因子最大，σS最小，容易產(chǎn)生滑移，此時的位向稱為軟位向。2023/6/88

屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系2023/6/89（2）滑移沿密排面和密排方向發(fā)生

見圖4-3，密排面間距最大，結(jié)合力最弱，滑移需切應(yīng)力最小。密排面為滑移面，密排方向為滑移方向。

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]

[1

1]

(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[1

0]2023/6/810判斷下列晶面及晶向是否構(gòu)成滑移系？并說明原因。

BCC中(110)[111]、。

FCC中(111)[110]、。

FCCBCC2023/6/811

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(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。如Cu的塑性比α-Fe好。

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。2023/6/8122023/6/813（3）滑移量是滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，滑移后，在晶體表面形成臺階，見圖4-4。

滑移線（小臺階）

滑移量

滑移塊

滑移帶（一組小臺階）

2023/6/814

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行，其結(jié)果造成晶體的均勻變形。

（4）滑移時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動

單晶體滑移時，轉(zhuǎn)動有兩種：一是滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動，二是滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動，見圖1和圖2。

拉伸時，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，晶體轉(zhuǎn)動力求使滑移系轉(zhuǎn)到與力軸垂直的方向。2023/6/8152023/6/8162023/6/817（5）滑移是通過位錯運動實現(xiàn)的

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(chǎn)生了位移量為一個b的滑移。2023/6/818滑移的位錯機制2023/6/819

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2023/6/8201)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(shù)倍；3)孿生變形速度很快，接近聲速。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數(shù)倍大小快滑移與孿生的區(qū)別：

孿生的特點：2023/6/8212.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(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，相當于單晶體的屈服強度；K反映晶界對變形的影響系數(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。見圖4-12竹節(jié)狀變形。

4.2多晶體金屬的塑性變形2023/6/822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(shù)多，晶界的總面積大，每個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，是因為晶粒細，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。2023/6/823

多晶體是由單晶體組成的，在同樣的外力作用下，不同晶粒滑移系上的切應(yīng)力不一樣，處于軟位向的首先開始滑移，如：A晶粒，它周圍的晶粒B、C處于硬位向，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.多晶體金屬的塑性變形過程

2023/6/824

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(chǎn)生了應(yīng)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(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到硬位向，不再繼續(xù)變形，另一批B、C晶粒開始發(fā)生變形。

2023/6/825

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(diào)性。2023/6/8261.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)在固溶強化作用上。固溶強化：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。4.3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，使強度、硬度提高，塑性、韌性降低。2023/6/8272.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，使塑性、韌性大大降低。

(2)第二相在晶粒內(nèi)部呈片層狀分布，使其強度、硬度比基體金屬要高得多，使塑性、韌性下降。2023/6/828

(3)第二相在晶粒內(nèi)呈彌散點狀分布，使硬度和強度大大提高，對塑性、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(nèi)，使其強度、硬度明顯升高的現(xiàn)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(xiàn)出來的。2023/6/8294.4

塑性變形對金屬組織與性能的影響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。(見圖4-13a-c)2.亞結(jié)構(gòu)的變化

經(jīng)一定量的塑性變形后，晶體中的位錯線通過運動與交互作用，形成位錯纏結(jié)，進一步增加變形量時，大量位錯發(fā)生聚集，并由纏結(jié)的位錯組態(tài)變成胞狀亞結(jié)構(gòu)(見圖4-13d)，隨著變形量的增加，變形胞的數(shù)量增多，尺寸減小。2023/6/8303.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。

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；在沖壓薄板件時，它會帶來不均勻的塑性變形，而產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象(見圖4-15)，這是不希望產(chǎn)生的。

2023/6/8324.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，晶界附近產(chǎn)生位錯堆積；隨變形量增加，位錯之間產(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，位錯密度增大，變形抗力增大，表現(xiàn)出：強度、硬度升高，塑性、韌性降低，即產(chǎn)生了加工硬化。2023/6/833

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，需要安排中間退火工藝，消除加工硬化。

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，腐蝕速度加快等。2023/6/834

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。P68

（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?；騺喚ЯＶg的變形不均產(chǎn)生的。

（3）點陣畸變應(yīng)力：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(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，使材料變脆，耐蝕性降低。

2023/6/8354.5

回復(fù)與再結(jié)晶

金屬和合金經(jīng)塑性變形后，由于空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷密度的增加，以及畸變能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，原子擴散能力提高，組織、性能會發(fā)生一系列變化。2023/6/8364.5.1冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化分為三個階段: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：強度與塑性變化很小，內(nèi)應(yīng)力、電阻明顯下降。R2023/6/837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(fù)到變形前的程度。2023/6/8382023/6/839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。

回復(fù)、再結(jié)晶過程的組織變化見圖4-17。P69

2023/6/8404.5.2

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℃2023/6/841T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。當變形量達到一定程度，T再趨于一定值，見圖4-18。2023/6/842(2)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)原子與位錯和晶界間存在著交互作用，使溶質(zhì)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(jié)晶的形核和長大，阻礙再結(jié)晶過程，因而使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（過慢有足夠的時間回復(fù)，點陣畸變度降低，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。2023/6/8434.5.3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)1/4C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。影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素:

2023/6/844（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(qū)動再結(jié)晶。②當變形量達到一定值時，再結(jié)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(jié)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(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，因此細化。

變形量晶粒尺寸原始晶粒尺寸臨界變形量2023/6/845（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）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)晶晶粒越細小。（4）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)晶晶粒細小。2023/6/8464.6

金屬的熱加工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？（鎢的熔點為3410℃，錫的熔點為232℃）經(jīng)計算：T鎢再＝1200℃，T錫再＝－71℃所以，鎢為冷加工，錫為熱加工。2023/6/847

熱加工過程中，在金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程。

（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(jīng)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。2023/6/8482.熱加工對金屬組織及性能的影響(1)熱加工對室溫力學(xué)性能的影響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(xué)性能。2023/6/849(2)熱加工材料的組織特征1)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，晶粒變形，夾雜物