金属材料的变形与再结晶

；当变形量增大到一定程度后，再结晶开始温度便趋于稳 定 ➢ （3）微量熔质原子： 溶质或杂质原子与位错，晶界存在 交互作用，偏聚在位错及晶界处，对位错的运动及晶界的 迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍 再结晶，使再结晶温度升高。
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3）影响再结晶的因素
➢ （4）原始晶粒尺寸：其他条件相同情况下，晶粒越细， 变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。 相同变形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所 越多，生核率也增大，故再结晶速度加快。
（1）单相合金的塑性变形 ➢ 合金元素在金属基体中的存在形式有两种，一是形成
固熔体；二是形成第二相，与基体组成机械混合物。它们 具有不同的变形特点。 ➢ 固熔强化 由于异类原子（熔质原子）的存在，使合金 塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度增加，塑性、 韧性下降，这种现象称为固熔强化。 ➢ 固熔强化的实质是熔质原子与位错的弹性交互作用阻碍了 位错的运动。即熔质原子与位错弹性交互作用的结果
➢ 一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因 此，滑移系越多，金属变形能力越大
单晶体的滑移
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（3）临界分切应力
➢ 设试棒横截面积为A； ➢ 轴向拉力为P； ➢ 滑移面法线与外力P之间的夹角为φ， ➢ 滑移方向与外力P之间的夹角为λ ➢ P在滑移方向上切向分力Pτ=Pcosλ ➢ 滑移面面积
，当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大，若均 匀地连续生长叫正常长大。 ➢ （2）长大方式：依靠大角度晶界的移动并吞食其他晶粒 实现的。 ➢ （3）长大的驱动力：晶粒长大的驱动力，从整体上看， 是晶粒长大前后总的界面能差。从个别晶粒长大的微观过 程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原 因。
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影响再结晶后晶粒大小的主要因素有
2. 原始晶粒尺寸 变形度一定时，原始晶粒越细，再结晶后 的晶粒也越细
3. 退火温度 提高退火温度，不仅使再结晶后的晶粒粗大， 而且还影响临界变形度的大小
4. 微量熔质原子和杂质 一般都能起细化晶粒的作用
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9.3.3 再结晶后的晶粒长大
9.3.3.1晶粒的正常长大（即均匀长大） ➢ （1）定义：再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒
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➢ （2）晶界对滑移的阻滞效应
晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧 的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下 一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应 ，如下图所示
经拉伸后晶界处呈竹节状
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（3）晶粒大小对变形抗力的影响 ➢ 一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这
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固溶强化效果的影响因素 ➢ 溶质原子的浓度：浓度越高，一般其强化效果越好 ➢ 原子尺寸因素：溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化效
果越好，但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度 降低 ➢ 溶质原子的类型：间隙型溶质原子的强化效果好于置换型 ，特别是体心立方晶体中的间隙原子 ➢ 相对价因素（电子因素）：溶质原子与基体金属的价电子 数目差越大，固溶强化效果越显著
材料科学基础
第9章 金属材料的变形与再结晶
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9.1 金属的应力应变曲线
P/A0=σ（应力） （l-l0）/l0=ε（应变）
P——作用在试样上的载荷 A0——试样的原始界面面积 L0——试样的原始标距长度 L——试样变形后标距长度
σ=Eε或τ=Gγ
στ为正应力，切应力； εγ为正应变，切应变 EG分别为正弹性模量和切弹性模量 弹性模量是表征材料中原子间结合力强弱的物理量
亚晶合并形核机制
都是大 角度晶 界的突 然迁移
亚晶蚕食形核机制
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形变造成了大位向差的界面
界面迁移
(a) 亚晶直接长大形核
再结晶晶核
ABC间位相差很小
A和B合并
ABC合并,形成大位相差界面
(b)亚晶合并形核
整理课件 再结晶亚晶形核机制示意图
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3）影响再结晶的因素
➢ （1）退火温度：加热温度越高，再结晶速度越快 ➢ （2）预先变形程度：变形度越大，再结晶开始温度越低
➢ （5）分散相粒子 ：既可能促进基体金属的再结晶，也可 能阻碍再结晶
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影响再结晶后晶粒大小的主要因素有
1. 预先变形程度 当变形度很小时(<εc)不发生再结晶，故 晶粒大小不变；当ε=2%～8%时，再结晶后的晶粒特别粗 大，此时的变形度即所谓临界变形度；当变形度大于临 界变形度时，随变形度的增加，晶粒逐渐细化 。
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9.4 金属的热变形、蠕变
➢ 1）热变形：晶体在再结晶温度以上进行的变形 ➢ 2)热加工对金属的组织与性能的影响
①改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学 性能。 ②热变形形成流线，出现各向异性。流线指动态再结晶形 成等轴晶粒而夹杂物(或第二相)仍沿变形方向呈流动状的 纤维组织。顺流线方向比横向具有更高的力学性能。 ③形成带状组织 ④控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织。
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➢ 弹性变形：在应力低于弹性极限(σe)时,σ和ε之间保持线性 关系: σ =Eε
➢ 其特点是外力去除后，变形可以完全恢复。
退ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ低碳钢应力-应变曲线
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➢ 弹塑变形：当外力大于σe后，除了弹性变形外，开始发生 均匀塑性变形。这时若去掉外力，弹性变形部分恢复，但 留下了永久变形，即塑性变形。
退火低碳钢应力-应变曲线
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➢ 断裂：当外力达到σb之后，试样开始发生不均匀塑性变形 ，产生缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。
b k
s e
退火低碳钢应力-应变曲线
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9.2 金属的塑性变形
9.2.1.1 滑移 （1）滑移线和滑移带
在常温和低温下，单晶体的塑 性变形主要是通过滑移的方式 来进行的，此外，还有孪生和 扭折
有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形 度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。 ➢ 各个晶粒的变形必须协调 对一个晶粒来讲不能自由地 、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要 互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶 界处开裂）。 ➢ 变形不均匀导致内应力不均匀
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整理课件 晶粒异常长大过程
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➢ （2）长大方式：来自总界面的降低。 ➢ （3）长大的驱动力：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使
晶粒间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。
➢ （4）二次再结晶有以下特征： 1. 驱动力来自界面能或表面能的降低。 2. 不需要重新形核，是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作
为基础而长大。 3. 只有在晶粒正常长大受阻情况下才产生二次再结晶。 4. 也会产生择优取向的晶粒，称之为再结晶织构。
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（4）回 复 机 制
➢ 低温回复(0.1～0.3Tm) 主要涉及点缺陷的运动。空位 或间隙原子移动到晶界或位错处，空位与间隙原子相遇复 合，使点缺陷密度大大下降。
➢ 中温回复(0.3～0.5Tm) 位错可以在滑移面上滑移或交 滑移，使异号位错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内 部重新排列组合，使变形亚晶规整化。
主要依赖于温度和变形速率。当温度低于 ，且变形速 率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上 述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低 。故高温合金一般希望获得粗晶组织。 ➢ 细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧 性，这是其他强化方法所不具备的。
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9.2.3 合金的塑性变形 与强化
(a)滑移
(b) 孪生
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➢ 孪晶在显微镜下呈带状或透镜状，见下图：
锌中的变形孪晶 ×200
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α 铁的变形孪晶（纽曼带）
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滑移和孪生的比较
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9.2.2 多晶体的塑性变形
特点 （1）晶粒取向的影响（亦称取向差效应） ➢ 变形有先有后 各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向
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（2）多相合金的塑性变形 ➢ 聚合型两相合金的变形 ➢ 弥散型合金的变形
当第二相颗粒非常细小，弥散地分布在基体相中时， 合金的变形抗力很大，强度将显著提高。通常,当第二相粒 子的尺寸达到某一临界值时，强化作用最大；而尺寸过大 或过小，合金的强度均有所下降。
如果第二相微粒是通过过饱和固熔体的时效处理而沉 淀析出，则所产生的强化称为沉淀强化或时效强化；如果 这种微粒是靠冶金方法外加的，则称为弥散强化。
➢ 高温回复(>0.5Tm) 位错除滑移外，还可攀移，实现 多边化，如下图所示。
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9.3.2 再结晶
➢ 1）定义 ➢ 冷变形后的金属加热到一定温度时，在原来的变形
组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能发生了明 显的变化，并恢复到完全软化的状态，这个过程称之 为再结晶。
晶界弓出形核机制
➢ 2）形核机制
自由滑移变形
受夹具限制时的变形
晶体在拉伸时的转动
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晶体在压缩时的晶面转动
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（5）滑移的机理
➢ 实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果 ➢ 滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。
晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图
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9.2.1.2 孪生
➢ 所谓孪生变形，就是在切应力作用下,晶体的一部分沿 一定晶面(孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一 部分作均匀的切变所产生的变形。变形部分与未变形部分 以孪晶面为准，构成镜面对称，这两部分晶体合称孪晶（ 双晶）。
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➢ 第二相颗粒的强化机制有两种：位错绕过机制及位错切过 机制，其主要示意图如下：
位错绕过第二相粒子示意图
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颗粒为 不可变
形
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➢ 位错切过粒子示意图
位错切过粒子示意图
颗粒为 可变形
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➢ 小结：合金强化的途径和方法
加工硬化（塑性变形强化） 细晶强化 固熔强化 第二相强化（弥散强化） 热处理强化
➢ 如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形，则在显微 镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线，称为滑移带
（见下图）；在电子显微镜下，滑移带是一组更细的线 组成，这更细的线条称为滑移线。
滑移带（铜）×500 整理课件
滑移带与滑移线（示意图） 7
（2）滑移系
➢ 滑移总是沿着一定的晶面和该面上一定的晶向进行，这种 晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向；一个滑移面与其 面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
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➢ 在热变形中，由于枝晶偏析、夹杂物、第二相等随组织变 形而伸长，沿变形方向分布，此种组织称为流线。
（ 左 ） 正 确 （ 右 ） 不 正 确
低碳钢热加工后的流线
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吊钩中的流线分布
（左）正确 （右）不正确
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蠕变
➢ 定义：在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢 的塑性变形的现象称为金属的蠕变
➢ 故滑移系上的分切应力
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➢ Schmid用同种材料但不同取向的单晶试棒进行拉伸试 验，发现尽管不同试棒的m值不同，但开始滑移时的分切 应力都相同，等于某一确定值（τk），即晶体开始滑移所 需的分切应力
τk就称为临界分切应力，它是一个材料常数。
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（4）滑移时晶体的转动
➢ 晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴随着取向的改变
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1 — 迁移前晶界位置 2 — 迁移后晶界位置
铝晶粒长大的晶界迁移
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9.3.3.2 晶粒的反常长大（不均匀长大，或称为二次再结晶）
➢ 某些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退火，会 出现晶粒的反常长大，如下图所示。这个过程就像在再结 晶后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长大 ，故又称之为“二次再结晶”。
t0
回复 t1
再结晶
t2 晶粒长大 t3
冷整变理形课件金属组织随加热温度及时间的变化示意图
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（2）回复和再结晶的驱动力 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分储存在
变形金属的内部，这部分能量叫储存能 储存能是变形金属加热是发生回复和再结晶的驱动力
（3）性能变化 强度与硬度 电阻率 密度 内应力
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9.4 回复与再结晶
（1）组织变化 ➢ t0～t1为第1阶段，称为回复 ：显微组织几乎不发生变化，
晶粒仍保持变形后的形态
➢ t1～t2为第Ⅱ阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大 ，变为新的等轴晶粒（但不是相变）；
➢ t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界移动，发 生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。