金属的塑性变形和再结晶
工程材料第四章 金属的塑性变形和再结晶.
(二）物理性能变化
除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也 有所变化。 例：金属的电阻有所增大 ，抗蚀性降低 。
（三） 显微组织的变化
1、晶粒形态变化 晶粒沿加工方向拉长。 2、亚结构形成 晶粒破碎转变成亚晶粒结构 。 3、产生织构 当变形量非常大时，晶粒拉长严重变为纤维状。 这种纤维状组织称为织构。织构产生各向异性，导致 “制耳”。 注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位 向趋同造成的。
200Å
(4) 金属晶体中的滑移总是沿着一定的晶面和晶向发生的 滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
滑 移 面： 发生滑移的晶面就是“滑移面”； 滑移方向： 发生滑移的晶向就是“滑移方向”。
滑移系： 一个滑移面和其面上的一个滑移 方向的组成称为“滑移系”
(5)
3、三种典型金属晶格的滑移系
二、影响再结晶温度和晶粒大小的因素
（一）金属的再结晶温度
1、再结晶温度(T再)：冷变形金属开始进行再结晶 的最低温度。
T再不是一个恒定的温度，它与许多因素有关。 2、影响再结晶温度的因素： A. 预先变形度的影响：金属的预先变形程度越大，再 结晶开始温度越低。变形度很大时，起始再结晶温度趋 于某一个恒定值——“最低再结晶温度” （T再） 。
T再 ≈ 0.4T熔 (K)
B. 金属的纯度：微量杂质及少量合金元素会使再结晶 温度升高。 C. 加热速度快，保温时间短，会提高再结晶温度。 因此，综合结果，在工业中制定再结晶退火 温度为： T退火＝T再+100～200℃ （二）再结晶退火后的晶粒大小 再结晶后的晶粒尺寸对金材的性能影响很大， 所以有必要了解影响它的各种影响因素： 1、退火温度的影响：
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处 （1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。 （3）热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面粗 糙度低。 （4） 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差， 不宜采用热加工。
金属的塑性变形与再结晶
实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填）五、讨论、心得（必填）一、实验目的1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。
二、实验原理金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。
在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。
(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。
冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。
金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。
当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。
同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。
金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。
若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。
1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。
此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。
但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。
2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶一、实验目的：1、了解显微镜下滑移线、变形孪晶和退火孪晶特征。
2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。
3、讨论冷加工变形对再结晶晶粒大小的影响。
二、实验内容：1、观察工业纯铁冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶，黄铜或纯铜的退火孪晶。
2、观察工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的显微组织。
3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小。
三、实验内容讨论：1、显微镜下的滑移线与变形孪晶：当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。
我们之所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所致。
滑移线的形状取决于晶体结构和位错运动，有直线形的，有波浪形的，有平行的，有互相交叉的，显示了滑移方式的不同。
变形量越大，滑移线愈多、愈密。
在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以进行滑移变形。
孪晶可以看成是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。
由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下，孪晶区是一条较浅或较深的带。
在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。
除变形孪晶外，有些金属如黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。
滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。
如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。
制备孪晶试样时，是先经塑性变形，然后再抛光腐蚀，可见：（1）对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到，而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看见。
（2）滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。
滑移线和磨痕的区别在于前者是不会穿过晶界的。
2、冷变形后金属的显微组织和机械性能冷加工变形后，晶粒的大小、形状及分布都会发生改变。
金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，
必有力求恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进 行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复 过程的进行。 加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
实验五--金属的塑性变形与再结晶--实验报告
一，实验目的1、观察显微镜下滑移绒、变形孪晶与退火孪晶的特征；2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。
所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微姐织是由许多滑移带(平行的黑线)所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：各晶粒内滑移带的方向不同(因晶粒方位各不相同)，各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多(即变形量大)，有的晶粒内滑移带少(即变形量小)；在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象(在面心立方晶格情况下很易发现)，即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的—部分以一定的晶面(孪晶面或双晶面)为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。
所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。
在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。
对体心立方结构的a一F，在常温时变形以滑移方式进行，而e在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形，而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。
金属的塑性变形与再结晶
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
金属的塑性变形与再结晶返回
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋 于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能， 恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
第五章 金属的塑性变形及再结晶
孪生所需要的切应力很大。
滑移易进行。
二、多晶体金属的塑性变形
1、多晶体拉伸试验
（1）多晶体和单晶体对比试验
（2）两个晶粒试样拉伸
2、多晶体塑性变形的特点
1）每个晶粒内：滑移和孪生； 2）整个晶体：既要克服晶界的阻碍，又要同周围晶粒同时发生相 适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否 则会导致晶体破裂。
三种典型金属晶格的滑移系
（A）体心立方晶格滑移系： 6 ×2 = 12
滑移面： {110} 6个 滑移方向：<111> 2个。
{110} <111>
（B）面心立方晶格滑移系： 4 ×3 = 12
滑移面： {111} 4个 滑移方向：<110> 3个
<110>
{111}
（C）密排六方晶ห้องสมุดไป่ตู้滑移系： 1 ×3 = 3
第五章 金属的塑性变形及再结晶
锻造 挤压
车 铣
轧制
成形加工工艺
金属获得一定的形状和尺寸
拉拔
金属塑性变形
刨
切削加工工艺
金属内部组织与结构变化
钻
改变晶粒大小、形态、分布
金属加热再结晶
改善金属材料的性能
§2-1 金属的塑性变形
P
一、单晶体金属的塑性变形
在室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。
1、晶粒正常长大：
再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在再结晶 晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式） 2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。少数处于优越条件 的晶粒优先长大，迅速吞食周围的大量小晶粒，最后得到异常粗 大的晶粒，也称“二次再结晶”。
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
金属的塑性变形与再结晶
§2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
1.晶粒变形，形成纤维组织：
在外力的作用下，晶粒被拉长或被压扁，当变形足够大时，晶 界变得模糊不清，不易分辨。
“纤维组织”
工业纯铁表面的滑移带
变形前
变形后
变形前后晶粒形状变化示意图
工业纯铁变形度为80%的显微组织
2.亚结构形成，材料加工硬化：
随着变形量的增大，位错密度增大，晶粒破碎成亚晶 粒，晶格产生严重畸变，晶体缺陷（空位、位错、晶界、 亚晶界）增多。滑移的阻力变大，强度与硬度提高，塑 韧性降低。 加工硬化：金属材料经冷塑性变形后，随变形度增加， 强度硬度升高，塑性韧性降低的现象称为加工硬化或形 变强化。加工硬化是提高材料强度的有效手段之一。
滑移系=滑移面＊滑移方向
体心立方 6＊2=12
面心立方 4＊3=12
密排六方 1＊3=3
三种典型金属晶体结构的滑移系（密排面和密排方向）
滑移的微观机制
τ τ τ
τ
τ
τ
位错运动造成滑移的示意图
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切应力的作用下， 晶体中形成一刃型位错，这一多余半原子面会由左向右逐步移动， 当这个位错移到晶体右边缘时，便在右侧表面形成了滑移量为一个 原子间距大小的台阶。若大量位错在该滑移面上移动出晶体时，就 会在晶体表面产生滑移量达几千埃的宏观可见的台阶（滑移线）。
晶向相对于另一部分发生滑动。 Ψ=45º 软位向 Ψ=0º 或 90º 硬位向
产生滑移的晶面和晶向分别 称为滑移面和滑移方向。
滑移的特征——滑移带和滑移线
滑移带
滑移线
工业纯铁表面的滑移带
滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，
每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的一个空间位向。
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
实验二 金属的塑性变形与再结晶
实验二金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形量对硬度和显微组织的影响2、研究变形量对工业纯铝再结晶退火后晶粒大小的影响二、实验原理金属在外力作用下，当应力超过其弹性极限时将发生不可恢复的永久变形称为塑性变形。
金属发生塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生明显的变化。
经塑性变形后，随着变形量的增加，金属内部晶粒沿变形方向被拉长为偏平晶粒。
变形量越大，晶粒伸长的程度越明显。
变形量很大时，各晶粒将呈现出“纤维状”组织。
同时内部组织结构的变化也将导致机械性能的变化。
即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变硬化。
在本实验中，首先以工业纯铁为研究对象，了解不同变形量对硬度和显微组织的影响。
冷变形后的金属是不稳定的，在重新加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
其中再结晶阶段金属内部的晶粒将会由冷变形后的纤维状组织转变为新的无畸变的等轴晶粒，这是一个晶粒形核与长大的过程。
此过程完成后金属的加工硬化现象消失。
金属的力学性能将取决于再结晶后的晶粒大小。
对于给定材料，再结晶退火后的晶粒大小主要取决于塑性变形时的变形量及退火温度等因素。
变形量越大，再结晶后的晶粒越细；金属能进行再结晶的最小变形量通常在2~8%之间，此时再结晶后的晶粒特别粗大，称此变形度为临界变形度。
大于此临界变形度后，随变形量的增加，再结晶后的晶粒逐渐细化。
在本实验中将研究工业纯铝经不同变形量拉伸后在550℃温度再结晶退火后其晶粒大小，从而验证变形量对再结晶晶粒大小的影响。
三、实验设备和材料1、实验设备箱式电阻炉、万能拉伸机、卡尺、低倍4X型金相显微镜、洛氏硬度计等2、实验材料(1)变形度为0%、30%、50%、70%的工业纯铁试样两套，其中一套用于塑性变形后的硬度测定，一套为已制备好的不同变形量下的金相标准试样，用于观察组织（2）工业纯铝试样，尺寸为160mm×20m m×0.5mm，（3）腐蚀液：40mlHNO3+30mlHCl+30mlH2O+5g纯Cu），硝酸溶液四、实验内容及步骤1、测定工业纯铁的硬度（HRB ）与变形度的关系，观察不同塑性变形量后工业纯铁的金相显微组织（1）将工业纯铁的试样在万能拉伸实验机上分别进行0%、30%、50%、70%的压缩变形。
第四章金属的塑性变形与再结晶
第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷，需要经压力加工再使用。
金属的压力加工，就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。
压力加工不仅改变其外形尺寸，且使内部的组织和性能发生改变。
因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律，对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加工的工艺，提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。
第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形，掌握多晶体的塑性变形。
[教学重点] 多晶体的塑性变形。
[教学难点] 多晶体的塑性变形。
[教学方法] 讲授。
[教学内容]所有变形中，塑性变形对组织和性能的影响最大。
为认识塑性变形的规律，首先研究单晶体的塑性变形。
一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。
1 滑移切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动，称为滑移。
外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。
σN引发弹性变形和脆性断裂，断口呈金属光泽；τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂，断口灰暗无光泽。
滑移变形的5个要点：1)滑移只能在切应力作用下发生；2）滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
（原因：最密排晶面之间的距离最远；最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小）3）滑移必然伴随着晶体的转动（正应力引起）。
4）滑移是滑移面上的位错运动造成的。
位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。
如铜刚性滑移要1540MPa，实际只有1MPa。
二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中，晶界原子的排列不规则，局部晶格畸变严重，且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。
位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。
《机械工程材料(第2版)》电子教案 第4章 金属的塑性变形与再结晶
4.1金属的塑性变形 4.2冷塑性变形对金属性能与组织的影响 4.3回复与再结晶 4.4金属的热塑性变形
4.1 金属的塑性变形
4.1.1单晶体的塑性变形
单晶体受外力作用，当外力较小时，发生弹性变形，当外力超 过一定数值后，发生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以 滑移的方式进行的。即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向 相对于另一部分发生滑动。晶体中能够发生滑移的晶面和晶 向，称为滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向越多，金属 的塑性越好。
在工业生产中，为保持金属经冷塑性变形后的高强度，往 往采取回复处理，以降低内应力，适当提高塑性。例如冷拔 钢丝弹簧加热到250—300℃，青铜丝弹簧加热到120～150℃， 就是进行回复处理，使弹簧的弹性增强，同时消除加工时带 来的内应力。
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4.3 回复与再结晶
2.再结晶
当冷塑性变形金属加热到较高温度时，由于原子活动能力 增加，原子可以离开原来的位置重新排列。由畸变晶粒通过 形核及晶核长大而形成新的无畸变的等轴晶粒的过程称为再 结晶。再结晶过程首先是在晶粒碎化最严重的地方产生新晶 粒的核心，然后晶核吞并旧晶粒而长大，直到旧晶粒完全被 新晶粒代替为止。
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4.2 冷塑性变形对金属性能与组织 的影响
金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是 由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
1.形成纤维组织，性能趋于各向异性 2.产生冷变形强化 3.形成形变织构 （择优取向） 4.产生残留应力
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4.3 回复与再结晶
1.回复
当加热温度不太高时，原子活动能力有所增加，原子已能 作短距离的运动，使晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力 有所降低，这个阶段称为回复。然而这时的原子活动能力还 不是很强，所以金属的显微组织无明显变化，因此力学性能 也无明显改变。、硬度显著下降，塑性显著上升，使变形金属的组织 和性能基本上恢复到变形前的状态。
金属的塑性变形与再结晶
外
切
锌
力
应
单
在
力
晶
晶
作
的
面
用
拉
上
下
伸
的
的
照
分
变
片
解
形
塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。
㈠ 滑移及其基本特征
滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对 于另一部分发生滑动位移的现象。 晶体通过位错运动产生滑移 时，只在位错中心的少数原 子发生移动，它们移动的距 离远小于一个原子间距，因 而所需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。
•滑移是全位错运动的结果，孪生则是分位错 运动的结果。
（3）扭折
由于各种原因，晶体中不同部位的受力情况和 形变方式可能有很大的差异，对于那些既不能进行 滑移也不能进行孪生的地方，晶体将通过其他方式 进行塑性变形。
为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过 某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方 式称为扭折，变形区域则称为扭折带。扭折变形与 孪生不同，它使扭折区晶体的取向发生了不对称性 的变化。扭折是一种协调性变形，它能引起应力松 弛，使晶体不致断裂。并且通过晶体取向的改变是 滑移系处于有利取向，进一步产生滑移。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
孪生的特点
（1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常 出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所 需的临界切应力要比滑移时大得多。
（2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平 行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位 移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生面的切变 量跟它与孪生面的距离成正比。
金属的晶粒越细，其强度 和硬度越高（细晶强化）。
第二章金属的塑性变形与再结晶
二、多晶体金属的塑性变形
双晶粒试样的拉伸实验表明，晶界处较粗，这说明
晶界的变形抗力大，变形较小。
25
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
26
㈠晶界及晶粒位向的影响
1、晶界的影响 晶界处原子排列紊乱，
杂质原子较多，增大了其 晶格的畸变，因而在该处 滑移时位错运动受到的阻 力较大，难以发生变形， 具有较高的塑性变形抗力。
21
滑移的原因： 内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性滑移 外因：切应力的作用
22
晶体塑性变形的基本方式:
滑移和孪生
塑性变形最主要的方式: 滑移
滑移的实质是:
位错运动
晶体滑移并不是在切应力作用下，一部分 相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对的 整体移动。
23
二、多晶体金属的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存 在许多晶界，变形复杂。
36
变形织构根据加工变形方式的不同主要有两种类型： 拉拔引起的织构称为丝织构; 轧制引起的织构称为板织构。
织构有时使材料的加工成形性能恶化。
37
变形织构的各相异性是明显的。其不均匀的塑 性变形会使薄板冲压产生“制耳”现象。
制耳示意图
38
3 晶粒破碎形成亚晶粒
随着变形的增大→位错密度明显增大→位错 不均匀分布→晶粒破碎成细碎的亚晶粒。
50
课堂讨论
5．加工硬化使金属： a. 强度降低、塑性升高 b. 强度增大、塑性升高 c. 强度增大、塑性降低
6. 金属铸造时，为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 以砂型代替金属型 c. 采取机械振动
7. 反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂， 这是由于产生了： a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火
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如图，σ1和σ2组成力偶使滑移面向外力轴 转.τ1和τ2组成力偶使晶体滑移
当外力作用在滑移面上的最大切应力与滑移 方向不一致时，还会产生以滑移面法线方向为 轴的转动. 此时,切应力τ1和τ2分解 为滑移方向和垂直于滑移 方向的分切应力. 其中,垂直滑移方向的 分切应力τb及τb,组成的力 偶将使滑移方向转向最 大切应力方向.
1.6 滑移的位错机制： 1.6.1位错的运动与晶体的滑移： 问题：实际金属晶体滑移时所需的临界切应力τK远小 于理想晶体的τK，为什么？ 回答: 实际晶体中存在位错,晶体的滑移是通过位错在切应 力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果 .如图 滑移实际是源源不断的位错沿着滑移面的运动.如图 位错沿滑移面的运动只需要很小的切应力即可实现， 因此,实际滑移的τK远小于理论计算的τK...
几个机械性能指标
强度指标： •弹性极限σe: 材料能保持弹性变形时的最大应力 •屈服强度(屈服极限)σs:材料产生屈服时的应力 •抗拉强度(强度极限) σb:材料在拉断前所能承受的 最大应力 •断裂强度σk:材料对塑性变形的极限抗力 塑性指标： Lk L0 •延伸率δ: 100 % L0 断裂后试样标距长度的相对伸长值. A0 Ak •断面收缩率ψ : 100 % A0 断裂后试样截面相对收缩值.
第六章 金属及合金的塑性变形
第一节
金属的变形特性
金属在外力作用下的变形过程分为： 弹性变形、弹塑性变形、断裂三个连续阶段 研究金属的受力变形特性，一般采用拉伸实 验测得的应力-应变曲线 工程应用中,应力σ 和应变分别按下式计算:
P A0
L L0 L0
Ｐ-载荷;Ａ0-试样的原始截面积; Ｌ-试样变形后的长度;Ｌ0-试样的原始标距长度；
σ
s
=σ 0+kd-1/2
σ 0:常数,单晶体金属的屈服强度； k：常数;表示晶界对强度的影响程度； d:多晶体中各晶粒的平均直径 看出: 晶粒越细小, 屈服强度越高( d↓,σ s↑) 原因: 晶粒越细小,位错源到晶界的距离L小,发放的位错数 n 0 目n少, 应力集中τ小, 发生塑变机会少,σ s高;
同理，在压缩时也发生转动，滑移面力求 转到与压力轴垂直的方向,如图.
晶体的转动使υ和λ角发生变化,取向因子改变,导致 具有一个滑移系的晶体,产生 几何软化：由于滑移和转动，使原来不利于滑移 的晶面转到有利于滑移的方向上,（滑移面的法向与 外力轴的夹角接近45°），从而有利于滑移进行,这 种现象称之. 几何硬化：由于滑移和转动，使原来有利于滑移 的晶面转到不利于滑移的方向上，（滑移面的法向 与外力轴的夹角远离45°），从而使滑移越来越困 难,这种现象称之. 具有多组滑移系的晶体,产生多滑移
晶粒大小对塑性变形的影响
1.晶粒越细小, 强化效果越好 举例：Zn多晶体的强度显著高于单晶体 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错运动。 多晶体晶界多，晶粒越小，强化效果好。 晶界强化:用细化晶粒增加晶界, 提高金属强度的 方法称为晶界强化.
晶粒平均直径d与屈服强度σ s关系（霍尔-配奇公式）
1.4 滑移时晶体的转动：
以只有一个滑移面的密排六方金属为例进行分析: 晶体在拉伸力F作用下产生滑移. 设不受夹头限制,滑移面 的滑移方向保持不变,则拉 伸轴的取向必不断变化.(a.b) 但实际肯定有夹头固定限 制,拉伸轴方向不能改变, 则晶 体取向就会不断发生变化(c) . 力求使滑移面转到与外力 平行的方向。 υ角增大为υ ，, λ角减小,即拉 伸轴与滑移方向的夹角不断减 小,造成了晶体位向的改变．
2、孪生： 定义：在切应力的作用下，晶体的一部分以 一定的晶面（孪晶面）为对称面与晶体的另 一部分发生对称性移动而进行的切变，叫孪 生. 孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位 置的一对晶体叫做孪晶（双晶）. 晶体结构不同，孪生面和孪生方向也不同. fcc：孪生面｛111｝,孪生方向〈112〉 bcc: 孪生面｛112｝,孪生方向〈111〉 hcp: 孪生面｛10 2｝,孪生方向〈 011〉
分析 ①如图a，外力P在一定晶面上分解为两种应力： 平行于该晶面的切应力τ 和垂直于该晶面的正应 力σ ②如图b，正应力σ只能引起晶格的弹性伸长 （由c—c’,a—a’）,或进一步使晶体发生断裂(正 断) ③如图c，切应力τ使晶格发生弹性扭曲，晶格迁 移到新的位置，造成滑移. ④如图d，通过大量晶面的滑移，最终使试样被 拉长变细，这样产生的变形叫滑移变形；
几种常见金属的滑移面与滑移方向
特点： 1、滑移面为原子排列最密的晶面，滑移方向为 原子排列最密的晶向
原因:在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的 结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以 密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力 最小，最易于滑移；
同样，对于原子排列最密的晶向,原子列间距离最 大,结合力最弱,滑动时阻力最小,最易于滑移.
则外力在滑移方向分切应力τ为:
F cos F cos cos A A cos
F cos F cos cos •分切应力 A A cos
•当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到 某一临界值，滑移开始进行，在宏观上金属开 始屈服，有：F/A=σ s （屈服极限） •这种在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力 称为临界分切应力，用τ k表示。
低碳钢的应力-应变曲线
低碳钢变形过程的分析
σe：弹性极限 σ＜σe：试样处于弹性变形阶段 σs：屈服极限（屈服强度) σ0.2：条件屈服强度（金属的残余应变量达到0.2％ 时的应力）； σ＞ σs：进入均匀的塑性变形阶段 σb：强度极限（抗拉强度） σ＞ σb：发生不均匀的塑性变形 σk：断裂强度 σ＞ σk：试样断裂
晶粒越大,相反:Ｌ↗→ｎ↗→应力集中τ↗,位错塞积 造成大的应力集中, 周围晶粒易发生塑变,σ s低.
①相邻晶粒位向不同；②各晶粒间存在晶界；
多晶体的塑性变形过程的特点 各晶粒变形的不同时性. 随外力增加，对位向有利的晶粒，其滑移系的分 切应力首先达到临界值，开始塑变。相邻晶粒位向 不同，先变形晶粒滑移面的运动位错在晶界处受阻， 形成位错的平面塞积群，造成很大应力集中。 各晶粒变形的相互协调性. 多晶体中晶粒彼此相邻，邻近晶粒必须相互配合， 多个滑移系同时滑移,协调变形,以保持晶体连续性. 多晶体变形的不均匀性. 由于晶界及相邻晶粒位向不同, 晶粒之间及晶粒内 部变形都是不均匀的.如图
动画
塞积处产生的应力集中τ为： τ＝ｎτ0 其中,τ：塞积在障碍处产生的应力集中； τ0：在滑移方向的分切应力值； ｎ：位错塞积群的位错数； Ｌ:障碍物至位错源的距离 位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的 距 离Ｌ成正比. 因此，Ｌ↗→ｎ↗→应力集中τ↗；
合金中的位错塞积；
位错增殖机制：弗兰克－瑞德位错源
最终，在切应力作用下, 位错线段DD’变为一个 重结的 DD’位错线段和一个封闭的位错环
动画
增殖机制总结： 在切应力作用下, 位错线段DD’变为一个重结 的 DD’位错线段和一个封闭的位错环 随着外力继续作用, 以上过程不断重复,不断产 生新的位错环,晶体中便产生大量位错环. 一个位错环移出晶体,体沿滑移面产生一个 原子间距的位移；大量位错环逐个移出晶体,晶 体就不断产生滑移,并在表面形成许多滑移台阶. 晶体滑移的实质： 不断的消耗位错，不断产生新位错的过程. 晶体的滑移,实际上是源源不断的位错沿着滑 移面的运动.
1、滑移带与滑移线
1.2 滑移的晶体学特征
滑移面：能够发生滑移的晶面叫之. 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向叫之 滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方 向组成一个滑移系. 滑移系表示金属晶体在发生滑移时, 滑移动作可 能采取的空间位向.
其他条件相同时,金属晶体中滑移系越多,滑移时 可供采用的空间位向也越多,该金属的塑性也越好
2、滑移方向对塑性的作用大于滑移面. 原因:金属塑性不仅取决于滑移系的多少,还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目有关.
故fcc金属(铝银)的塑性最好,bcc(铁)次之,hcp最差
1.3 滑移的临界分切应力 定义：使滑移系开始启动所需的最小分切应力 以圆柱形金属单晶体试样为例： 设柱体横截面积为Ａ，受轴向 拉力Ｆ的作用,滑移面法线与Ｆ的 夹角为υ , 滑移方向与Ｆ的夹角为λ, 则滑移面面积为Ａ/cosυ ,Ｆ在滑移 方向的分力为Ｆcosλ.
孪生的特点： 孪生所需τK远大于滑移所需τK ; 部分晶体发生均匀切变,位移量正比于至孪晶面的距离； 切变时,原子移动距离不是孪生方向原子间距的整数倍. 不改变晶体的点阵类型；但可引起晶体取向变化,变形 与未变形部分成镜面对称； 孪晶为条带状或透镜状； 孪生生长通过其他基本的塑变方式进行协调.对总变形 量贡献不大,但可改变晶体取向,使滑移继续. 孪生变形速度极大,可听到声音；
弹性变形：
定义： 金属受力发生变形，当外力去除，立即恢复原 状的变形，叫做弹性变形. 特点： ①变形是可逆的； ②弹性应变很小； ③应力与应变成正比,符合虎克定律： 正应力= ; 切应力 =G 其中,Ｅ:正弹性模量；Ｇ:切弹性模量； :正应变； :切应变 可写为: =/ 和 G = /
1.6.2位错的增殖： 问题： ①形成一条滑移线需要上千个位错,晶体塑性变形 时产生大量滑移带,需要为数极多的位错，晶体 中有如此大量的位错吗？ ②滑移是位错扫过滑移面并移出晶体表面造成的. 随着塑性变形的进行，晶体中的位错数目是否会 越来越少，形成无位错的理想晶体？ 回答： 通过塑性变形，晶体中位错数目会显著增多． 原因:变形过程中,晶体中存在不断增殖的位错源
含铜钢在550℃时效时的TEM形貌(孪晶)
第三节 多晶体的塑性变形
多晶体与单晶体塑性变形的相同点: 每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生方式进行； 多晶体与单晶体塑变过程的不同点:(复杂)