第五章 材料的形变和再结晶

• 除弹性变形、塑性变形外还有一种变形是黏
性流动。
• 黏性流动：指非晶态固体和液体在很小外力
作用下便会发生没有确定形状的流变，并且
在外力去除后，形变不能回复。
• 一些非晶体，甚至多晶体，在比较小的应力
时可以同时表现出弹性和黏性，即黏弹性现
象。
黏弹性变形的特点
• 应变落后于应力。当加上周期应力时，应力—
弹性模量
聚合物
（共价键）
小
金属
（金属键）
大
陶瓷
（离子键）
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三、 弹性的不完整性
• 多数材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有
的物质，其内部存在各种类型的缺陷。
• 弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、
应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性
变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。

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第一节 弹性和黏弹性
一、弹性变形的本质
• 材料在外力作用下发生变形。当外力较
小时，产生弹性变形。弹性变形是可逆
变形，卸载时，变形消失并恢复原状。
• 弹性变形：指外力去除后能够完全恢复
的那部分变形，可从原子间结合力的角
度来了解它的物理本质。
• 弹性变形的实质：晶格中原子自平衡位置产生
可逆位移的反映。
滑移带slip bands的形成
弹性变形－外力克服单晶原子间的键合力，
使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长。
晶面滑移－当外力大于屈服极限后，沿单
晶的某一特定晶面原子产生相对滑移。随应
力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形
量加大。
滑移带的数目、宽度、带间距离以及每条带中的滑移线的数目
随金属和合金的不同、变形温度、变形速度及晶体表面状况的
向称为滑移方向。
· 一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系
晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。
Slip plane
Slip line
滑移系：一个滑移面和该面上一
个滑移方向的组合。
滑移系的个数＝滑移面个数×每
个面上所具有的滑移方向的个数
滑移的晶体学
一般滑移系越多，塑性越好；
滑移面 （密排面）
（b）一些
钢中典型
的应力-应
变曲线，
表现屈服
点现象。
（b）
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屈服点确定
屈服点对应于开始产生永久变形；
有些应力-应变曲线容易确定屈服区域（如A）；
有些应力-应变曲线不容易确定屈服区域（如B），
则采用0.002 偏移法来确定。
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一、单晶体的塑性变形
• 单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。
切应变： = tan ( 100 %)
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
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拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
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拉伸实验 Tensile Test
repulsive
High modulus
高模量
FN = 0 平衡位置r0
Strongly bonded
强键结合
Force, F
吸引力
distance, r
Low modulus
低模量
Weakly bonded
弱键结合
排斥力
dF
E

d r r0
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二、弹性变形的特征和弹性模量
滑移和孪生都是切应变，而且只有当外加切应
力分量大于晶体的临界分切应力c时才能开始。
其中，滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变。
• 在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过
滑移方式进行的，此外，还有孪生和扭折等方
式。
• 扩散性变形及晶界滑动和移动等方式主要存在
于高温形变中。
1. 单晶体的滑移
(1) 滑移
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力
循环一周所损耗的能量，即内耗。
• 黏弹性变形是既与时间有关，又具有可恢复的
弹性变形，即具有弹性和黏性变形量方面特征。
• 黏弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。
第二节 晶体的塑性变形
• 当施加的应力超过弹性极限时，材料发生塑性变
形，即产生不可逆的永久变形。通过塑性变形，
弹性变形本质：
• 原子处于平衡位置时，相互作用力为零，这是最
稳定的状态。
• 原子间距为r0 ，位能U处于最低位置，原子受力
后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引
力；原子间距减小时将产生斥力。
• 外力去除后，原子都恢复到原来的平衡位置，所
产生的变形完全消失。
弹性变形的本质
attractive
原子之间的作用力！
而增多，它们之间的距离则在缩短。
• 不改变晶体的取向；
• 不改变晶体的点阵类型；
•
在晶体表面产生台阶。
b．滑移系
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动。这
些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”
滑移面：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，此组
晶面称为滑移面；
· 滑移方向：滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶
第五章
材料的形变和再结晶
主要内容
1.弹性变形的本质、特征、弹性模量等
2.单晶体、多晶体、合金的塑性变形
3.塑性变形对材料组织和性能的影响
4.冷变形金属在加热时组织与性能的变化
5.回复与再结晶
6.晶粒长大
7.再结晶退火与退火孪晶
金属材料的铸态组织存在的缺陷:




晶粒粗大;
组织不均匀(三晶区);
成分不均匀(偏析);
材质不致密(疏松)等.
金属材料冶炼浇注后,绝大多数要塑性变形后使用,少数铸造
后直接使用,如:机床床身、泵体、暖气片等。
金属材料经压力加工（塑变）后：
改变外形及尺寸；如：棒材、板材、型钢；
组织变化，与组织有关的性能也发生变化；如：冷加工
后，材料强度显著提高，塑性下降。经锻造后，强度提高不
微观本质
预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；
同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；
反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸
长应力降低。
包申格效应的危害及防止方法
交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）
预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。
第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
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单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
明显，塑性、韧性大为改善。
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➢ 材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性
变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过
大时就会发生断裂。
➢ 研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解
各种内外因素对变形的影响，研究冷变形材料
在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化
规律，具有十分重要的理论和实际意义。
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
• 弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理
量Байду номын сангаас故是组织结构不敏感参数。
弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：
式中，v为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般
金属材料的泊松比在0.25～0.35之间。
弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难
易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理
量。
对晶体材料而言，其弹性模量是各向异性的。在单晶
不但可使材料获得预期的外形尺寸，而且可使材
料内部组织和性能产生变化。
屈服、屈服强度 Yield strength
弹性变形 塑性变形
（a）典型的金属
应力-应变曲线，
弹性极限e点 划
分弹性和塑性变
形。采用0.002
(0.2%)偏移法确
定屈服强度y。
上屈服点
y
屈服点
e 弹性极限
y
下屈服点
（a）
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度 L0 去 除 ， 则 得
到应力—应变曲
线。
• 弹性极限、屈服
强度和抗拉强度，
是工程上具有重
要意义的强度指
标。
Elastic Deformation（弹性变形）
2. Small load
1. Initial
3. Unload
bonds
stretch
return to
initial

F
Elastic means reversible!
余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，
其大小即用弹性滞后环面积度量。
弹性滞后环
a)单向加载弹性滞后环
(b)交变加载（加载速度慢）弹性滞后环
c) 交变加载（加载速度快）弹性滞后环
（d）交变加载塑性滞后环
物理意义：
加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。回线面
积为一个循环所消耗的不可逆功。
这部分被金属吸收的功，称为内耗。
体中，不同晶向上的弹性模量差别很大，沿着原子最密排
的晶向弹性模量最高，而沿着原子排列最疏的晶向弹性模
量最低。多晶体因各晶粒任意取向，总体呈各向同性。
弹性变形量随材料的不同而异。多数金属
材料仅在低于比例极限的应力范围内符合虎克定
律，弹性变形量一般不超过0.5%。
在工程上，弹性模量是材料刚度的度量。
弹性模量与温度、原子结合键类型的关系
Compression
（压缩）
Tension
(拉伸)
Shear
(剪切)
Torsion
(扭转)
材料受外力 F 作用后产生的
应力：
F

A0
应变：
L L L
i 0
L0
L0
F －载荷
A0－试样的原始截面面积
l0 －试样的原始长度
l －试样变形后的长度
在剪切变形的情况下，则有
切应力：τ = F / Ao
是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体
层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。
滑移带：光学显微镜观察到的塑变后单晶试样表面形成的滑移
条纹。
滑移线：组成滑移带的平行线条。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
Hooke’s Law σ = Eε
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Plastic Deformation（塑性变形）
1. Initial
3. Unload
2. Small load
F
Plastic means permanent!
linear
elastic
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linear
elastic
plastic
a．滑移线与滑移带
滑移：在切应力作用下，晶
体的一部分相对于另一部分
沿着一定的晶面（滑移面）
和晶向（滑移方向）产生相
对位移，且不破坏晶体内部
原子排列规律性的塑变方式。
滑移的显微观察
由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，
沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的
滑移机制。
• 对滑移线的观察表明：晶体塑性变形的不均匀性，滑移只
火。
2．弹性后效
• 一些实际晶体，在
弹性极限范围内，
应变滞后于外加应
力并和时间有关的
现象称为弹性后效
或滞弹性。
a´b=c´d
滞弹性应变
3.弹性滞后
• 由于应变落后于应力，在-曲线上使加载
线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称
之为弹性滞后。
• 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功
大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多
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Standard stress-strain
curve of low-C steel
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退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为
弹性变形
不均匀屈服塑性变形
均匀塑性变形
不均匀集中塑性变形四个阶段。
• 将拉伸力—伸长
曲线的纵、横坐
标分别用拉伸试
样的原始截面积
A0 和 原 始 标 距 长
滑移系数目与材料塑性的关系：
滑移方向（密排方向）
与滑移面密排程度和滑移方向个数
和同时开动滑移系数目有关
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滑移发生在晶体的密排面上，并沿密排方向进行。
• 弹性不完整性的现象包括
➢ 包申格效应
➢ 弹性后效
➢ 弹性滞后
➢ 循环韧性
1．包申格效应
（Bauschinger Effect)
• 材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4
％），而后同向加载则e升高，反向加载则
e下降。此现象称之为包申格效应。
• 它是多晶体金属材料的普遍现象。
• 包申格效应对于承受应变疲劳的工件很重要。