第5章 材料的形变和再结晶2

多边化过程的驱动力主要来自应变能的下降， 产生的条件: (1) 塑性变形使晶体点阵发生弯曲。 (2) 在滑移面上有塞积的同号刃型位错。 (3) 需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。 多边化前后刃型位错的排列情况下图所示：
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5.3.3 再结晶

再结晶是指经冷变形金属加热到一定温度时， 通过形成新的等轴晶粒并逐步取代变形晶粒的 过程。
反作用力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大。

多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的屈服强度 s 与晶粒平均直径 d 的关系可用著名的霍尔 — 佩奇（ HallPetch）公式表示
s 0 Kd

1 2
在多晶体材料中往往存在一“等强温度TE”，低于TE时，晶界 强度高于晶粒内部的；高于TE时则得到相反的结果。 7
5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

三、合金的塑形变形： 按合金组成相不同，主要可分为单 相固溶体合金和多相合金。 1、单相固溶体合金的塑性变形：

溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在
（1）固溶强化作用； （2）提高了塑性变形的阻力； （3）有些固溶体会出现明显的屈服点和应变时效现象。
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x0 Q RT ln c0te x
在不同温度下如以回复到相同程度作比较，即上 式左边为常数，这样对两边同时取对数：
ln t A Q RT
于是，通过作图所得到的直线关系，由其斜率即可求 出回复过程的激活能Q。 铁的回复实验表明，短时间回复时，其激活能与空位 迁移激活能相近，长时间回复时，其激活能与铁的自扩散 激活能相近。因此对于冷变形金属的回复不能用单一机制 描述。
由位错理论得
m v b
v(
位错的平均运动速度
m' ) 0
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

2、多相合金的塑性变形：根据尺寸大小分为 聚合型 相差不多


弥散型
细小
（1）聚合型合金的塑性变形：
＝11＋ 2 2

＝11＋ 2 2
（2）弥散分布型合金的塑性变形：
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(二) 回复机制
（1）低温回复 温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动， 通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变 形过程中形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率 此时发生明显下降。


（2）中温回复
温度升高，原子活动能力增强，除点缺陷运动外，位错也 被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消， 位错密度略有降低。 （3）高温回复 变形金属在较高温（～0.3Tm）下，变形金属的回复机制主 要与位错的攀移运动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错 在本身弹性应力场作用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑 移和攀移使得这些位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直 排列的位错墙以降低总畸变能，并产生亚晶（多边化结构）。 24
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3. 内应力:回复阶段基本消除宏观应力,而微观应力
消除需再结晶后才能完成；
4. 亚晶粒尺寸：回复前期变化不大，后期显著增大； 5. 储存能释放（release of stored energy）。
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5.3.2 回复
（一）回复动力学 在回复阶段，材料性能的变化是随温度和时间的变化而变 化，相同变形程度多晶体铁在不同温度下的回复动力学曲线。 纵坐标为余应变硬化率(1－R)。R为屈服强度回复率，


1）不可变形粒子的强化作用
2）可变形微粒的强化作用
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

四、塑性变形对材料组织与性能的影响： 1、显微组织的变化：晶粒内部结构出现大量的滑移带或孪 晶带；晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长；当变形量很 大时，出现纤维组织。 2、亚结构的变化：随着变形度的增大，晶体中的位错密度 迅速提高，出现胞状亚结构。 3、性能的变化：加工硬化及其他物理化学性能的变化。 4、形变织构：晶面转动使多晶体中原来取向互不相同的各 个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性，这一现象称为 择优取向，这种组织状态则称为形变织构。 丝织构；板织构。由于取向，造成了材料性能的各向异性。
对于变形度较小（<20%）的金属；
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假设弓出形核核心为球冠型，球冠半径为L，晶界界面能为
γ，冷变形金属中单位体积储存能为Es，若界面由I推进至 II，其扫过的体积为dV，界面的面积为dA，若dV体积内全
部储存能都被释放，

则此过程中的自由能变化为：
dA G E s dV
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1、晶粒取向的影响： 各晶粒变形过程中的相互制约和协调
性；多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑 移系上进行滑移。
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

2、晶界的影响：晶界对滑移具有阻碍效应 。 在变形过程中位错难以通过晶界，被堵塞在晶界附近。这
种在晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一

与回复过程主要区别：再结晶是一个光学显微 组织完全改变的过程，随着保温时间的延长， 新等轴晶数量及尺寸不断增加，直至原变形晶 粒全部消失为止，再结晶过程结束。
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(一) 再结晶过程
再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。
1. 形核
实验表明，再结晶通常在变形金属中能量较高的 局部区域优先形成无畸变的再结晶晶核，其形核机制 有： (1) 晶界弓出形核(凸出形核机制)


③加热温度越高，最终回复程度也越高； ④变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速 率。

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回复特征通常可用一级反应方程来表达，即： （1） 式中t为恒温下的加热时间，x为冷变形导致的性能增量经加热后 的残留分数，c为与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系 具有典型的热激活过程的特点：
dx cx dt
c c0e
Q RT
（2）
式中Q为激活能，R为气体常数(8.31×10-3J/kg· mol· K)，c0为比 例常数，T为绝对温度。将式（2）代入方程（1）中并积分，以x0表
示开始时性能增量的残留分数，则得：
t dx Q RT x0 x c0e 0 dt x
x0 ln c0te Q RT x
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加热时冷变形金属显微组织发生变化
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性能变化
冷变形金属在退火过程中的性能和能量变化：
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1.力学性能
(1) 硬度（ hardness ）和强度（ strength ） : 回复
阶段,变化不大,再结晶下降较大。
(2) 塑性:回复阶段,变化不大; 再结晶阶段上升；
粗化后下降。
2. 物理性能
(1) 电阻（resistance）:回复阶段，电阻率明显下降。 (2) 密度（density）:回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时， 该滑移系方可发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切 应力。 晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面 作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动逐步进行 。 位错在运动时会遇到点阵阻力，又称为派-纳（P-N）力：


都是在切应力作用下产生的剪切应变过程。 都不改变晶体结构。 都存在临界分切应力。
都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶
向的平移。
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

孪生的特点及与滑移的不同点：

对塑性变形的贡献小，但是可以改变位向，进一步诱发
滑移。

孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。 滑移的机制是位错的产生和移动，而孪生是孪生区内的 原子沿滑移方向的均匀切变，不全位错参与。 孪生的临界分切应力大。晶体对称度越低，越容易发生
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

屈服现象本质：（ 1 ） Cottrell 气团理论：在固溶体合金中，
溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子 气团，即所谓的Cottrell气团。


上屈服点：挣脱Cottrel气团，需要较大的应力
下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降 （2）位错增殖理论
R ( m r ) ( m 0 )
σm、σ r和σ0分别代表变形后、回复后和完全退火后的屈服 强度。屈服强度回复程度R愈大，则剩余应变硬化率(1－R) 越小。
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回复过程是一个驰豫过程，具有以下特点：

①回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期； ②回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐降低，直 至趋于零；

孪生。变形温度越低，加载速度越高，越容易发生孪生。
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾

3、扭折：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。

二、多晶体的塑性变形： 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不同，以及晶 界的存在，因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍。
第4章 作业
1、描述菲克第一定律的含义和各参数的量纲；
2、描述扩散的微观机制；
3、影响扩散的主要因素； 4 、一块 ω(C)=0.1%的碳钢在 930 ℃渗碳，渗到 0.05cm的地方，碳 的浓度达到0.45%。在t0的全部时间，渗碳气40000 / RT)(m2 / s)


P N
2G 2 d 2G 2W exp[ ] exp[ ] 1 (1 )b 1 b
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5,2 晶体的塑形变形 内容回顾