材料科学基础 第9章 塑性变形
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《塑性变形》ppt课件
用金相法或硬第一颗新晶粒时的温度
以硬度下降50％所对应的温度再结晶温度
工业消费中那么通常以经过大变形量(70％以上)冷 变形金属，经1h退火能完成再结晶(＞95％)所对
〔1〕变形程度的影响
变形程度添加 储存能增多 再结晶驱动力增大 再结
晶温度降低，再结晶速度加 快，形核率添加，
界面，妨碍〔亚〕晶界迁移，形核与长大速率下降，妨 碍再结晶的进展。
〔4〕微量溶质原子
溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的 滑移和晶界的迁移起着妨碍作用，不利于再结晶 的形核和长大，妨碍再结晶过程，故微量溶质原 子提高再结晶温度。
〔5〕再结晶退火工艺参数
加热速度过于缓慢时，变形金属在加热过程中有足 够的时间进展回复，使点阵畸变度降低，储能减小， 使再结晶驱动力减小，再结晶温度上升。
原始晶粒尺寸 杂质含量
回复动力学特点
(1)初期的回复速率很
大，随后即逐渐变慢，
直到趋近于零，温度
升高，起始回复速率
加快；
(2)每一温度的回复程
度有一极限值，退
火温度愈高，极限值
也愈高，到达此极限
值所需时间缩短；
(3)预变形量愈大，起
始的回复速率愈快；
(4)晶粒尺寸减小有利
于回复过程的加快。
(5)无孕育期
5
回复特征可用一级反响方程来表达：
造、性能变化
取代变形组织过程
再结晶后晶粒 长大
8.2.1.2 性能的变化
(1)强度与硬度：回复时变形金 属位错密度很高，再结晶后位错 密度显著降低。 (2)电阻：点缺陷所引起的点阵 畸变会使传导电子产生散射，提 高电阻率。退火使缺陷密度降低， 那么电阻率下降。 (3)内应力：回复阶段消除大部 或全部的宏观内应力，而微观内 应力那么只需经过再结晶方可消 除。 (4)亚晶粒尺寸：亚晶粒尺寸在 回复前期变化不大，接近再结晶 时显著增大。 (5)密度：密度在再结晶阶段急 剧增高，除与前期点缺陷数目减 小有关外，主要是在再结晶阶段 中位错密度显著降低所致。 (6)储能的释放：回复时释放的 储存能较小，再结晶晶粒出现的 温度对应于储能释放曲线的顶峰
《材料科学基础》材料的塑性变形
说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，而 对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
45
1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
34
35
第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
36
多晶体中晶粒取向
37
一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 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 排列规律性的塑性变形方式。
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因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
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1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
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第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
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多晶体中晶粒取向
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一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 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 排列规律性的塑性变形方式。
材料科学基础答案
材料科学基础答案1.为什么室温下金属晶粒越细强度，硬度越高，塑性韧性也越好答：金属晶粒越细，晶界面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而导致金属强度和硬度越高。
金属的晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形。
在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也比较好。
因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。
2.冷塑性变形金属产生加工硬化的原因随变形量增加，空密度增加。
④由于晶粒由有利位向而发生几何硬化，因此使变形抗力增加。
随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。
答：①晶体内部存在位错源，变形时发生了位错增值，随变形量增加，位错密度增加。
由于位错之间的交互作用，使变形抗力增加。
3.某厂用冷拉钢丝绳吊运出炉热处理工件去淬火，钢丝绳的承载能力远超过工件的质量，但在工件的运送过程中钢丝绳发生断裂，试分析其原因答：冷拉钢丝绳是利用热加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强度增加，处于加工硬化状态。
在淬火的温度下保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复软化状态。
在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。
4细化晶粒方法1.在浇注过程中： 1）增大过冷度； 2）加入变质剂； 3）进行搅拌和振动等。
2. 在热轧或锻造过程中： 1)控制变形度； 2)控制热轧或锻造温度。
3. 在热处理过程中：控制加热和冷却工艺参数利用相变重结晶来细化晶粒。
4. 对冷变形后退火态使用的合金： 1)控制变形度； 2)控制再结晶退火温度和时间5、试说明滑移，攀移及交滑移的条件，过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。
解答：滑移：切应力作用、切应力大于临界分切应力；台阶攀移：纯刃位错、正应力、热激活原子扩散；多余半原子面的扩大与缩小交滑移：纯螺位错、相交位错线的多个滑移面；位错增殖位错滑移运动的方向，外力方向与b一致时从已滑移区→未滑移区。
材料的塑性变形
22:10
11
滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象； 重新抛光后可去除。
光镜下：滑移带。 电境下：滑移线。
22:10
12
问题二：
产生滑移的条件?
滑移面 ：??? 滑移方向：????
22:10
13
产生滑移的条件：
2.1材料的塑性变形机理
面间距大； 滑移矢量（柏氏矢量）小；
＋ ＋ ＋＋＋＋ ＋ ＋ ＋＋＋＋
22:10
49
塑性变形的另一种方式
孪生
2.1材料的塑性变形机理
在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定
的晶面和晶向发生均匀切变，形成晶体取向的
镜面对称关系。双胞胎!
孪晶的形成 （动画）
孪生动画\孪 生变形.swf 变形
22:10
51
22:10
52
1. 孪生晶体学 晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。
滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面{111}， 滑移方向<110>； 滑移系
4×3=12个
22:10
Cu,Al,Ni,Au，γ-Fe等 塑性变形能力如何？
17
α-Fe,W,Mo等
塑性变形能力如何？
22:10
18
次滑移系：
Mg,Zn,Ti,Zr等
22:10
塑变能力？ 20
44
☺ 滑移的表面痕迹 : ☺ 单滑移：单一方向的滑移带； ☺ 交滑移：波纹状的滑移带。 ☺ 多滑移：相互交叉的滑移带；
2.1材料的塑性变形机理
奥氏体钢交叉滑移带
问题二：
产生滑移的条件? 结构上
滑移面 ：??? 滑移方向：????
材料科学基础-实验指导-实验10塑性变形和再结晶(精)
实验十塑性变形和再结晶一、实验目的1. 研究金属冷变形过程机器组织性能的变化。
2. 研究冷变形金属在加热时组织性能的变化。
3. 了解金属的再结晶温度和再结晶后晶粒大小的影响因素。
4. 初步学会测定晶粒度的方法。
二、实验内容说明金属经冷加工变形后,其组织和性能均发生变化:原先的等轴晶组织,随着塑性变形量的增大,其晶粒沿变形方向逐渐伸长,变形度越大,则伸长也越显著;当变形度很大时,其组织呈纤维状。
随着组织的变化,金属的性能也发生改变:强度硬度增高,塑性则逐渐下降,即产生了“加工硬化”。
经冷变形后的金属加热到再结晶温度时,又会发生相反转变。
新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒,金属的性能也恢复到变形前的情况,这一过程称为再结晶。
再结晶温度与金属本性、杂质含量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。
再结晶所产生的晶粒大小在很大程度上取决于冷变形程度的大小,在某一变形度变形,再经退火处理后晶粒异常粗大,该变形度称为临界变形度,它使材料性能恶化,是压力加工中切忌的问题。
本实验主要以低碳钢为对象,分析其塑性变形和再结晶过程中显微组织的变化。
观察经一定冷变形后不同退火温度下低碳钢的显微组织,测定再结晶度,此外对不同冷变形度的低碳钢材料进行高温退火,测定晶粒度,从而确定临界变形度。
三、实验步骤1. 教师讲解金属塑性变形与再结晶的组织状态,介绍用对照法、割线法测定晶粒度的方法。
2. 观察纯铁经10%,15%,20%,50%,70%变形度变形后的显微组织。
描绘其组织特征。
3. 观察纯铁经70%变形度在400℃,450℃,500℃,600℃,850℃退火半小时后的试样,一组五只,从中找得再结晶后晶粒大小与退火温度之间的定性关系。
4. 观察纯铁经10%,20%,30%,50%,70%五种变形度变形后在850℃退火半小时后组织,分别用对照法和割线法测得其晶粒度,确定其临界变形度的大致范围。
5. 观察并描绘纯铁冷变形的滑移线和冲击载荷下产生的机械双晶及纯锌压延后机械双晶、黄铜的退火双晶。
《材料科学基础》材料的塑性变形共93页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
《材料科学基础》材料的塑性变形
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
《材料科学基础》材料的塑性变形
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
塑性变形课件
产生滑移线、滑移带
滑移时，晶体的一部分相对于另一部分 沿滑移方向位移的距离为原子间距的整
数倍。滑移结果在晶体表面造成台阶。
铜中的滑移带
2015-5-7
500×
Anming Li, Dept of MSE,hpu 6
材料科学与工程学院
3、滑移沿原子密度最大的晶面、晶向发生。 滑移系： 滑移系的个数:
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu
移
4
材料科学与工程学院
滑移四要点：
1、滑移只能在切应 力作用下发生
晶格在正应力作用下的变化
晶格在切应力作用下的变化
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu 5
材料科学与工程学院
滑移带
2、滑移使晶体表面形成台阶
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，
利： 预应力处理，如汽车板簧的生产。
2015-5-7
Anming Li, Dept of MSE,hpu
24
材料科学与工程学院
弊： 引起变形、开裂，如工件的变形。 消除：去应力退火。
工件加工后的变形
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu 25
14
材料科学与工程学院
晶粒大小与力学性能的关系：
晶粒越细，强度越高(细晶强化)
s=0+kd-1/2
（Hall-Petch)
晶粒越细，单位体积中晶界面积越大，位错运动的阻
力越大。同
时，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便多。对塑性变形的抗力增大， 金属的强度愈高。
晶粒越细，塑韧性提高
晶粒越多，变形均匀，由应力集中导致的开裂机会减少，表现出高 塑性。细晶材料应力集中小，裂纹不易萌生和传播，断裂过程中可吸 收较多能量,表现高韧性。
滑移时，晶体的一部分相对于另一部分 沿滑移方向位移的距离为原子间距的整
数倍。滑移结果在晶体表面造成台阶。
铜中的滑移带
2015-5-7
500×
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材料科学与工程学院
3、滑移沿原子密度最大的晶面、晶向发生。 滑移系： 滑移系的个数:
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu
移
4
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滑移四要点：
1、滑移只能在切应 力作用下发生
晶格在正应力作用下的变化
晶格在切应力作用下的变化
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu 5
材料科学与工程学院
滑移带
2、滑移使晶体表面形成台阶
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，
利： 预应力处理，如汽车板簧的生产。
2015-5-7
Anming Li, Dept of MSE,hpu
24
材料科学与工程学院
弊： 引起变形、开裂，如工件的变形。 消除：去应力退火。
工件加工后的变形
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu 25
14
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晶粒大小与力学性能的关系：
晶粒越细，强度越高(细晶强化)
s=0+kd-1/2
（Hall-Petch)
晶粒越细，单位体积中晶界面积越大，位错运动的阻
力越大。同
时，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便多。对塑性变形的抗力增大， 金属的强度愈高。
晶粒越细，塑韧性提高
晶粒越多，变形均匀，由应力集中导致的开裂机会减少，表现出高 塑性。细晶材料应力集中小，裂纹不易萌生和传播，断裂过程中可吸 收较多能量,表现高韧性。
材料科学基础第09章再结晶-文档资料
其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为激活能，R为 气体常数，T发生回复的温度，t为回复进行的时间。
回复动力学
因此在不同的温度下，回复到相同的程度 所用的时间的为：
即ln(t)和1/T成线形关系。一方面可以由此测 量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程 中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变 形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见 到性能变化的仅因为变化的速度很慢。
其他组织变化
再结晶织构：材料的冷变形程度较大，如果产生了变 形织构，在再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在 择优取向，这时的织构称为再结晶织构。
晶粒的非正常长大
在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如 果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周 围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。 这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的 研究以为是形核和核心的生长过程，而称为“二次再 结晶”，但实质并不是靠重新产生新的晶核，而是在 一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而 产生的优先长大。 材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重 不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们 都对材料的性能带来十分不利的影响。
回复
所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的 一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。 回复阶段一宏观应力基本去除，微观应力仍然残存； 2. 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可 基本回到未变形前的水平；
3. 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有 明显的变化； 4. 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发 生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组 织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶)
晶粒长大的动力分析
两晶粒的界面如果是弯曲 如图所示，则在晶粒Ⅰ内存在 附加压力
材料科学基础I 第九章 (金属与合金的塑性变形)
金属 晶体 纯度 结构 %
滑移系
Al FCC -
{111}〈110〉
Cu
99.9
Ni
99.8
Fe BCC 99.96 {110}，{112}〈111〉
Nb
-
{110}〈111〉
Mg HCP 99.95 （0001）〈11-20〉
Ti
99.99 {10-10}〈11-20〉
τc(MN/m2)
0.79 0.49 3.24~7.17 27.44 33.80 0.81 13.70
2、孪生变形的特点
孪生与滑移的差别：
❖孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移 面上进行；
❖孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，而滑移后晶体各部 分位向均未改变；
❖孪生面、孪生方向与晶体 结构有关；
❖孪生的应力-应变曲线与 滑移的不同，有锯齿状波动。
孪生对塑性变形的直接贡献比滑 移小得多，但孪生改变了晶体位向， 使硬位向的滑移系转到软位向，利 于滑移的进行。
cscocsos
对于一定的晶体， τc为定值。取向因子cos φ cosλ的值越大， 则σs越小，晶体越容易滑移。当φ和λ都接近45º时，取向因子 cos φ cosλ=0.5(极大值)， σs最小，晶体最容易滑移。此位向称 为软位向。同理， 90º则称为硬位向，此时σs趋近于无穷大。
一些金属单晶体的临界分切应力τc
1、聚合型两相合金的塑性变形
第二相晶粒与基体相晶粒尺寸属同一数量级时，称为聚合型。
❖ 聚合型合金的两相都具有塑性，则合金的力学性能决定于两 相的体积分数。如黄铜，右图。
❖ 一个是塑性相而另一个是硬脆相时，则合金的力学性能主要 取决于硬脆相的存在情况。如珠光体(F+Fe3C)，左图。
高分子材料的塑性变形
材料的变形与再结晶
3. 滞后现象 高分子材料在交变应力作用下，形变落后 于应力变化的现象。
4. 力学损耗（内耗） 指回缩功和伸长功之间有一定的差额。
材料的变形与再结晶
第三章第六节
高分子材料的塑性变形
《材料科学基础》第九章第四节
材料的变形与再结晶
高分子材料和金属材料一样也有弹性变形 和塑性变形。
不同之处：
高分子材料的弹性模量较金属材料低，更易于塑 性变形。
高分子材料的应力应变行为
材料的变形与再结晶
一、热固性高分子材料的应力应变曲线
第一阶段: 应力随应变线性增加，试样被
均匀拉长。 第二阶段：应力几乎不变，应变不断增加， 整个试样变细。 第三阶段：全部变细后的试样重新被均匀拉 伸，应力随应变的增加而增大， 直到断裂。
材料的变形与再结晶
二、高分子材料在外力作用下表现为粘弹性 具体表现：
1. 2. 3. 4.
蠕变 应力松弛 滞后现象 力学损力下，材料的形 变随时间逐渐增大的现象。 2. 应力松弛 在恒定温度和形变保持不变的情况下，高 分子材料内部的应力随时间逐渐衰减的现象。
材料科学基础——塑性变形
滑移带
Slip band
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 3. 临界分切应力 (Critical resolving shear stress)
6.2
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 临界分切应力
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 2. 滑移带与滑移线(Slip band and Slip line)
6.2
Al 单 晶
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 滑移线
6.2
Slip line
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
扭折(Kink)
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
6.2.2 滑移(Slip)
滑移：外力作用下晶体的一部分相对于另一部分 沿一定晶面和晶向发生滑动位移，且不破坏晶体 内部原子排列规律性的塑性变形机制。
成分和组织：金属越纯，塑性越好
晶粒度：晶粒细小，强度、塑韧性均好 外因： 温度：低温易脆断 应力状态和裂纹：微裂纹大，拉应力状态，易脆断
应变速率：应变速率大，易发生脆性断裂
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
滑移 (Slip)
孪生(Twin)
即使完全消除装置的各种阻力其摆动振幅也会
《材料科学基础》练习题集02
厦门理工学院《材料科学基础》练习题集 02第9章材料的凝固一、名词解释：1、均匀形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
2、非均匀形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面或固液界面所形成的晶核。
3、变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非均匀形核晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
4、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
5、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
6、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。
如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。
7、溶质再分配8、成分过冷二、判断题：1、液态金属的结构特点是近程有序，长程无序。
（）2、晶粒尺寸和形核率N、线长大速度Vg之间的关系是N/Vg越大，晶粒尺寸越大。
（）3、区域提纯技术的理论基础是凝固过程中的溶质再分配。
（）4、液－固粗糙界面可描述为微观粗糙、宏观平整。
（）5、在结晶过程中，晶核越多，生长速率越慢，则凝固后的晶粒越细小。
（）6、在单相固溶体铸锭结晶时，成分过冷越大，越易形成枝晶。
（）7、由凝固理论可知，细化晶粒的途径是提高形核率，降低长大速率。
（）8、金属－非金属型共晶具有粗糙－光滑型界面，所以它多为树枝状，针状或螺旋状。
（）三、选择题：1、纯金属结晶均匀形核，当过冷度 T很小时，形核率低，是因为。
A、原子可动性低，相变驱动力低；B、原子可动性高，相变驱动力低；C、原子可动性低，相变驱动力高；D、原子可动性高，相变驱动力高；2、合金凝固时，出现成分过冷的原因是。
材料科学基础_材料的塑形变形
第三节
• • • • •
滑移的位错理论分析Fra bibliotek滑移的实质是位错的运动 位错的增殖 位错的交割 位错的塞积 加工硬化
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上 的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切 应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错 从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的 滑移。
例如
位错的增殖
利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上 有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位 错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号 位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可 生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶 可为柏氏矢量的整数倍。
位错的交割
不在同一个滑移面 上的两位错运动的过程 中可发生交割。图示例 子表示如果位错AB向下 运动扫过位错CD，由于 扫过区间的晶体两边发 生了柏氏矢量大小的滑 移，在位错CD上产生了 EF转折，EF长度为AB的 柏氏矢量，EF位错的柏 氏矢量不发生变化，位 错的性质和原来可能不 一样。
滑移系
滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排 晶面； 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向； 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以 滑移的方式称为“滑移系”。
典型晶格的滑移系
FCC
滑移系对性能的影响
晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大， 材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的 滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心 立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系， 但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁 及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立 方晶格的金属差。
材料科学基础I 第九章-2 (回复与再结晶)
3、凸出形核 、
当冷变形量较 小时， 小时，再结晶在 原晶界处形核。 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 对于多晶体， 程度不同，变形大的位错密度高， 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。 伸展，以降低总的畸变能。
中温回复
(0.3~0.5)Tm
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 高温回复 (>0.5)Tm
高温回复的主要机制为多边化。 高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边 多边（ 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
二、再结晶的形核
由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 亚晶粒长大形核，凸出形核。 亚晶粒长大形核，凸出形核。
1、亚晶粒合并形核 、
相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度， 相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。
《材料科学基础》材料塑性变形剖析
层错能越低，位错不易通过交滑移越过遇 到的障碍，从而加大了应变硬化。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
26
7.滑移的表面痕迹
单滑移：单一方向 的滑移带； 多滑移：相互交叉 的滑移带； 交滑移：波纹状的 滑移带。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
27
二、孪晶变形
孪晶变形是在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）和 晶向（孪晶方向）发生均匀切变，并形成晶体 取向的镜面对称关系。
夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑
移方向转向力轴。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
17
拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
18
压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
19
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 几何软化：，接近45，滑移变得容易。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
4
位错移动引起永久变形的示意图
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
5
2. 滑移的观察 光镜下：滑移带。 电镜下：滑移线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
6
3. 滑移的晶体学 （1）几何要素：滑移面 （密排面）、滑移方向 （密排方向）
原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力 最小，因而容易沿着这些面发生滑移。
coscos（取向因子）：
软取向，值大；硬取向，值小。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
16
4. 滑移时晶体的转动
若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
26
7.滑移的表面痕迹
单滑移：单一方向 的滑移带； 多滑移：相互交叉 的滑移带； 交滑移：波纹状的 滑移带。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
27
二、孪晶变形
孪晶变形是在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）和 晶向（孪晶方向）发生均匀切变，并形成晶体 取向的镜面对称关系。
夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑
移方向转向力轴。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
17
拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
18
压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
19
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 几何软化：，接近45，滑移变得容易。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
4
位错移动引起永久变形的示意图
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
5
2. 滑移的观察 光镜下：滑移带。 电镜下：滑移线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
6
3. 滑移的晶体学 （1）几何要素：滑移面 （密排面）、滑移方向 （密排方向）
原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力 最小，因而容易沿着这些面发生滑移。
coscos（取向因子）：
软取向，值大；硬取向，值小。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
16
4. 滑移时晶体的转动
若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。
单晶体的塑性变形-1
σ
τ R = σ /2 λ =45º φ =45º
Adapted from Fig. 7.8, Callister 6e.
二、滑移的位错机制
晶体的滑移借助位错在滑移面上的运动逐步实现的
DISLOCATION MOTION
• Produces plastic deformation, • Depends on incrementally breaking bonds.
CRITICAL RESOLVED SHEAR STRESS
• Condition for dislocation motion:
τR > τCRSS
typically 10 -4 G to 10 -2 G
• Crystal orientation can make it easy or hard to move disl.
σ
τR = σ cos λ cos φ
σ
σ
τR = 0 λ=90º
τR = 0 φ=90º
τR = σ/2 λ=45º φ=45º
λ=90º- φ 当 φ=45º 时，取向因子有最大值 1/2 ，此时得 到最大分切应力，滑移处于最有利的取向，也 称软取向。 当 φ=00 、 90o 时 ， 取 向 因 子 为 0 ， 称 为 硬 取 向。 最大分切应力正好落在与外力轴成45º角的晶 面以及与外力轴成45º角的滑移方向上。
两根互相垂 直的刃型位 错的交割 刃型位错中 的割阶与扭 折形成 两个螺型位 错的交割 刃型位错与 螺型位错的 交割 带割阶位错 的运动
材料的变形与再结晶
如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带
交叉形的滑移带
3. 交滑移
螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑 移面转到另一个滑移面的过程。
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9.2 金属的塑性变形
二、亚结构的变化
位错密度：从退火的106～1010/cm2增至1011－1012/cm2。
扎作用，从而阻碍位错运动；
9.2 金属的塑性变形
②静电交互作用 溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压
缩区呈正电．而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。
研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的 1/3— 1/6，且不受温度影响。
9.2 金属的塑性变形
③化学交互作用与铃木气团
这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，因此 晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会 导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生 强化作用。 化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量
当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过，此时强化作
用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系：
9.2 金属的塑性变形
① 位错切过颗粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加了颗粒 与基体两者间界面，需要相应的能量； ② 如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导 致有序强化； ③ 由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移 面上导致原子错配，需要额外作功；P-N力不同造成阻力；
发生迅速，应力-应变曲
线呈锯齿状； 临界分切应力值大； 切变较小，取决于晶体 结构；
9.2 金属的塑性变形 三、晶体的扭折
9.2 金属的塑性变形 9.1.2 多晶体的塑性变形 9.2.2 多晶体的塑性变形
Zn单晶与 多晶拉伸
9.2 金属的塑性变形
一、多晶体变形的特点 1、相邻晶粒的相互协调性 多晶体中晶粒取向随机性 变形不一致 相邻晶粒的相互协调性 对独立滑移系的要求（5个）
级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。
9.2 金属的塑性变形
2）有序强化 超结构
有序畴
9.2 金属的塑性变形
二、多相合金的塑性变形 聚合型合金
弥散型合金
9.2 金属的塑性变形
1、聚合型两相合金的塑性变形 对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金 的塑性变形决定于两相的比例： 如果应变相等，则对一定应变时合金的平均流变应力为：
(1) 面心立方
滑移面{111} 滑移方向<110> 滑移系共12个
9.2 金属的塑性变形 (2) 体心立方 滑移面不稳定，低温时多为 {112} ，中温时多为 {110}，高温时多为{123}； 滑移方向很稳定：<111>；
滑移系可能有12~48个。
滑移系：12
滑移系：12
滑移系：24
9.2 金属的塑性变形
移动过程；
均不会改变晶体结构；
从机制上看，都是位错运动结果。
9.2 金属的塑性变形
2) 不同点： 滑移 不改变晶体的位相； 全位错运动的结果； 不均匀切变过程； 孪生 改变晶体的位相； 不全位错运动的结果； 均匀切变过程；
比较平缓，应力-应变
曲线较光滑、连续； 临界分切应力值较小； 切变较大，取决于晶体 的塑性；
铜晶体中的退火孪晶组织
9.2 金属的塑性变形
3、孪生的位错机制
面心立方
晶体中孪
晶的形成
9.2 金属的塑性变形 a/6[112]
孪生的孪生的极轴机制
9.2 金属的塑性变形 4、滑移和孪生的比较
1) 相同点：
宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；
微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶
体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的
的情况。
9.2 金属的塑性变形 6、交滑移
宏观：两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同 时或交替进行滑移的现象。 微观：螺位错在不改变滑移方向的情况下，改变滑移
面引起的。
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
双交滑移
思考：交滑移和层错能的关系
9.2 金属的塑性变形 7、滑移的位错机制
9.2 金属的塑性变形
立方晶体（001）标准投影图
fcc晶体滑移系
9.2 金属的塑性变形
fcc晶体滑移的超越现象
例题：当面心立方晶体拉伸时 ，根据下图所给的立方晶体(001)标
准投影图回答：
(a) 拉伸沿P点所代表的方向进行时 ，哪个滑移系首先开动？ (b) 拉伸轴平行于[001]时，共有几 个滑移系可能开动，写出所有可能
二、屈服 1、屈服现象
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
2、应变时效现象
时效后
9.2 金属的塑性变形
3、屈服现象的解释 1） 气团理论：
在固溶体中，溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶
质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是
溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团，即所谓的
m = f1 1 + f2 2
如果应力相等，则对于一定应力时合金的平均应变为：
m = f1 1 + f2 2
9.2 金属的塑性变形
2、弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化 作用。 沉淀强化或时效强化 : 强化相颗粒通过过饱和固溶体的时
效处理沉淀析出
P cos P cos cos A cos A cos cos
9.2 金属的塑性变形
镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系
4、滑移时晶面的转动 9.2 金属的塑性变形
4、滑移时晶面的转动
拉伸时，晶面 转动使滑移面和滑 移方向都逐渐与应 力轴平行。
自由滑移
形变孪晶：形变过程中形成，在金相形貌上一般呈现透镜 片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。
锌和铁经塑性变形后形成的形变孪晶
9.2 金属的塑性变形
铜单晶在4.2K的拉伸曲线
9.2 金属的塑性变形
退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织， 与形变孪晶相比，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。
9.2 金属的塑性变形 1、孪生过程
形成条件： 滑移系较少的密排六方晶体（如Mg、Zn）； 低温（如Cu在4.2K）； 高应变速率（如Fe爆炸变形）。
变形前
滑移
不均匀切变 没有位相变化
孪生
不均匀切变
没有位相变化
1、孪生的形成过程 9.2 金属的塑性变形
Fcc晶体孪生变形示意图
工 业 纯 铜 中 的 滑 移 带
9.2 金属的塑性变形
滑移带形成示意图
9.2 金属的塑性变形
2、滑移系
滑移面：晶体滑移时沿某一特定晶面进 行（通常为最密排晶面）。 滑移方向：晶体滑移时沿滑移面的某特 定晶体学方向进行（通常为最 密排晶向）。
滑移系
滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
2、晶界的影响
双晶拉伸
位错塞积
9.2 金属的塑性变形
3、晶粒尺寸与强度的关系 霍尔－佩奇（Hall-Patch） 关系：
s i Kd
1 2
细晶是唯一既提高强度也增 加塑形的强化方式。 提高塑形： 变形较均匀、应力集中较小
9.2 金属的塑性变形
等强温度
9.2 金属的塑性变形
柯垂尔（Cottrell）气团。 可以解释大部分晶体中出现的屈服现象。
9.2 金属的塑性变形
2）位错理论 位错运动平均速度v以及位错的柏氏矢量b成正比，即：
材料的塑性变形的应变速率 p 是与晶体中可动位错密度 m 、
mvb
m 而：v ( ) 0
可见，具有明显屈服现象的材料应具备以下条件：
弥散强化:借助粉末冶金或其它方法加入
9.2 金属的塑性变形
1）不可变形颗粒的强化作用
9.2 金属的塑性变形
根据位错理论，位错弯曲至半径R时所需切应力为：
Gb 2R
而当R为颗粒间距的一半时，所需切应力最小：
Gb
这就是奥罗万（Orowan）机制
9.2 金属的塑性变形
2）可变形颗粒的强化作用
9.1.2 真应力应变曲线
l1 l0 l2 l1 l2 l3 T ( ＋ ＋) l0 l1 l2 dl l ln l0 l l0
l
P P A0 T ＝ A A0 A P l ＝ ＝ ( 1) A0 l0
9.2 金属的塑性变形 9.2.1 单晶体的塑性变形 一、滑移 1、滑移线和滑移带
宏观上晶体滑移的临界分切应力 = 微观上克服位
错运动阻力的外力，包括： 点阵阻力（派－纳力）； F-R源开动阻力； 与其它位错的交互作用阻力；
长程交互力：克服弹性作用阻力；
位错交割后形成的割阶与扭折； 位错与其他缺陷发生交互作用。
短程交互力：切割林位错（扭折、割阶）阻力；
9.2 金属的塑性变形
孪晶界
切变晶体仍然保 持面心立方结构
位向发生变化
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形 孪生几何学
球状晶体，孪生面K1； 上半球均匀切变方向η1； 孪生要素：K1、η1 、K2、η2 ；
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形 2、孪晶的形成
9.2 金属的塑性变形 二、孪生
镁合金变形过程 中的孪生
9.2 金属的塑性变形
孪生：切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面
（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于
另一部分发生均匀切变的过程。孪生部分与原
晶体形成镜面对称。
变形前
孪生
9.2 金属的塑性变形
孪晶（ twin ）：晶体中原子排列以某一晶面成镜面对称部分的 合称。