金属塑性变形和再结晶

冷变形金属在加热时的组织和性能变化
（示意图）
回复阶段，形貌基本不变
回复机理
低温回复（ 低温回复 （0.1－0.3 Tm） Tm） 移至晶界、位错处 移至晶界、 空位 ＋ 间隙原子消失 间隙原 消失、缺陷密度降低 间隙原子消失、 空位聚集（ 空位聚集 （空位群 空位群、 、对）
点缺陷运动 点缺陷 动
锌（Zn）的拉伸曲线 （性能比较）
抗拉强度 延伸率（塑性）
晶粒直径对屈服强度的影响（高强度）
平均晶粒直径 为常数。 Cu—Zn 合金
晶粒直径对屈服强度的影响（高塑性）
晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 晶粒越多， 导致的开裂机会减少， 导致的开裂机会减少 ，可承受更大的变 形量， 形量 ，表现出 表现出高塑性 高塑性。 。
冷变形金属在加热时的组织和性能变化

回复阶段 再结晶 晶粒长大
回复阶段性能变化


力学性能（示意图 力学性能（ 示意图） ） 强度、 强度 、硬度略有下降， 硬度略有下降，塑性略有提高 塑性略有提高。 。 大部分或全部消除第一类内应力， 大部分或全部消除第一类内应力 力，部分消第二 部分消第二、 、三类内应力； 力 物理性能 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。 电阻：电阻在回复阶段可明显下降 。 耐蚀性：由于内应力降低， 耐蚀性：由于内应力降低 ，耐应力腐蚀性提高 耐应力腐蚀性提高。 。
位错滑移、滑移系 位错滑移 滑移系
晶体结构 面心立方 滑移面 {111}×4 滑移方向 <110>×3
（Page g 18）
滑移系数目 12
常见金属 C Al Ni A Cu,Al,Ni,Au
2*2*2/2
体心立方 {121}×12
2*2-1
<111> ×1
12
12 Fe,W
{123}×24
×1
24
Silicon （硅）
不锈钢
位错密度：退火 变形后
对于无（极少）位错的材料 对于无 极少 位错的材料
（晶须）
相差在一个量级内
滑移
（slip）
常温下塑性变形的主要方式：滑移、 常温下塑性变形的主要方式：滑移 、孪生、 孪生、扭折。 扭折。 一 滑移 1 滑移：在切应力作用下 滑移 在切应力作用 ，晶体的一部分相对于另 滑移：在切应力作用下， 晶体的 部分相对于另 一部分沿着一定的晶面（ 一部分沿着一定的晶面 （滑移面 滑移面） ）和晶向（ 和晶向（滑移方向） 滑移方向） 产生相对位移， 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。 塑变方式 。 光镜下：滑移带（ 光镜下：滑移带 （无重现性 无重现性） ）。 2 滑移的表象学 电境下：滑移线。 电境下：滑移线 。
Q235（结构钢、变形量65%）
不锈钢的加工硬化现象
冷作硬化
应力 屈服强度、拉伸强度增加 塑性（延伸率、断面收缩率）降低
塑性变形--》位错密度增加-》进 》进一步变形困难 步变形困难-》 强度增加。
冷作硬化是提高屈服强度、拉伸（抗拉）强度 常用工艺。 应变
材料冷作硬化--》 应变强化指数
金属强度与位错密度的关系
受力（剪应力）
位错移动方向
rug、caterpillar analogy
位错-塑性变形
（screw dislocation）
受力 剪应力 受力（剪应力）
位错移动方向
最终(塑性)变形
例子
（温度影响）
（位错的运动 实际上是原子的运动） （位错的运动、实际上是原子的运动）
作间隙原子、填充空位
和左侧刚好相反
原子的（上）攀移
滑移例子
多滑移
滑移的分类 多滑移：在多个（ 多滑移：在多个 多滑移 在多个（>2）滑移系 滑移系上 同时或交替进行的滑移
单滑移 -------某一取向时 促动多个滑 移。
滑移带、滑移线 滑移带 滑移线
（例子）
多晶体金属塑性变形
常见变形方式 多晶塑性变形的影响因素

常见例子（轧制）

。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的 变化 这些变化大致可以分为如下四个方面 变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。

晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性 晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 织构现象的产生 残余内应力
回复机理
中温回复 （0.3－0.5 Tm） Tm） 异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列、 位错缠结重新排列、位错密度降低 亚晶粒长大
位错滑移
回复机理
高温回复（ 高温回复 （> 0.5 Tm Tm） ） 位错攀移（＋ 滑移 位错攀移（ 滑移） ） 多边化（ 多边化 （亚晶粒） 亚晶粒） 位错垂直排列 位错垂直排列（ （亚晶界 亚晶界） ） 弹性畸变能降低 弹性畸变能降低。 。
位错滑移、滑移系

滑移一般沿晶体中原子密度最大的晶面、 晶向发生（密排面---面间距） 一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移 系。 系。
滑移系的个数:
(滑移面个数） 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
滑移的晶体学 滑移面 （密排面） 密排面） （1）几何要素 滑移方向 （密排方向 密排方向） ）
金属材料屈服应力理论、实验值对比
（假设无缺陷）
一般相差1000到10000倍 （？）
位错
(edge ( g dislocation、刃位错)
如同插了把刀 Science、ideology
位错
(screw dislocation、螺位错)
撕开错位
例子
（刃位错的应力场）
压缩
拉伸
位错图片
（TEM）
金属的塑性变 金属的塑性变形和再结晶 再结晶
（plastic deformation and rere-crystalization） （3学时）
刘国宁
主要内容



金属的塑性变形 金属的变形与断裂 单晶体、多晶体的塑性变形 塑性变形对组织 性能的影响 塑性变形对组织、性能的影响 各向异性、加工硬化 织构、残余应力 回复、再结晶 金属的热加工
晶粒越细， 晶粒越细 ，塑韧性提高
细晶粒材料中，应力集中小 细晶粒材料中， 应力集中小， ，裂纹不易 萌生；晶界多， 萌生；晶界多 ，裂纹不易传播， 裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量, 过程中可吸收较多能量 ,表现出 表现出高韧性 高韧性。 高韧性。
例子
（纳米铜，LuKe，Science）
由低温到高温回复，类 似塑性变形回放（小品）
再结晶



通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所 降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组 织仍处于不稳定的状态。 当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力， 使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶 粒 和变形前的晶粒形状相似 晶格类型相同 把这 阶段 粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段 称为“ 称为 “再结晶” 再结晶”。 冷变形金属被加热到适当温度时 在变形组织内部新的无 冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无 畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全 消除的过程。
多晶体金属的变形过程
“软位向”晶粒：滑移面和滑移方向处于或接 近于外力成 45度夹角的晶粒 （易发生滑移）； “硬位向”晶粒：滑移面和滑移方向处于或接 近于外力平行或垂直夹角的晶粒。
多晶体金属的变形过程
变形过程 A
优先滑移
-
B
-
C
位错塞集-》应力提高-》触发滑移

当应力集中达到一定程度后，相邻晶粒中的位错源开始滑移，变形就从一批晶 粒扩展到另 批晶粒 同时 粒扩展到另一批晶粒。同时，一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取 批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取 向，其变形愈来愈困难，另一批晶粒又从硬取向转动到软取向，参加滑移变形。 多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从少量晶粒开 始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形 始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒， 从不均匀的变形逐步发展到 逐步发展到均匀的变形 均匀的变形
例子 板材力学性能测量
40% wk.baidu.com5%
（铜板延伸率）
40%
制 耳
（不同方向上延伸率（塑性）不同、织构的各向异性）
织构的应用

变压器里的硅钢片 <100>方向为易磁化方向： 故尽量<100>平行于磁场。 平行于磁场
残余应力
（以尺度划分）
残余应力（约占变形功的10％，其它变成了热） 第 类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物 第一类残余应力（ ） 宏观内应力 由整个物 体变形不均匀引起。 第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80 80-90%。 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 弊 引起变形 开裂 如黄铜弹壳的腐蚀开裂 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 消除：去应力退火，消除或降低内应力。

对力学性能的影响（加工硬化）
强化金属的重要途径； 提高材料使用安全性； 材料加工成型的保证。 材料加工成型的保证。 变形阻力提高， 变形阻力提高 ，动力消耗增大； 脆断危险性提高。 脆断危险性提高 。
利 利弊 弊
1200 1000 800 600 400 200 0 硬度（HBS） 抗拉强度（Mpa) 变形前 变形后
回复
（recovery）
再结晶
回复、再结晶（铜）
冷作硬化 再结晶最开始 阶段
再结晶晶粒 局部取代冷 作硬化后的 晶粒
再结晶完成 细晶
稀土铝箔冷轧和再结晶退火后的组织
再结晶温度 再结晶 度
1 再结晶温度：经严重冷变形（ 再结晶温度：经严重冷变形 （ 变形量 变形量> >70% 70% ） 的金属或合 金，在 1hr 内能够完成再结晶的 内能够完成再结晶的（ （再结晶体积分数 再结晶体积分数> >95 95% %） 最低温度。 最低温度 。 高纯金属：T 高纯金属： T再＝(0.25 - 0.35)Tm 35)Tm 2 经验公式 工业纯金属： 工业纯金属 ：T再＝(0.35 - 0.45 45)Tm )Tm 合金： 合金 ：T再＝(0.4 - 0.9)Tm 一般 T再＝ 0.45 Tm 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100 注：再结晶退火温度一般比上述温度高 注 再结晶退火温度 般 述温度高100～ ～200 200℃ ℃。 杂质 、 第 杂质、 第二相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移， 第二相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移 相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移 ， 故可显著 相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移， 提升再结晶温度。 提升再结晶温度 。
塑性变形 性变形
(review) ( )
•
应力
• 应变 • 应力 -- 应变曲线 • 弹性段 • 屈服、屈服强度 屈服 屈服强度 • 强化 • 抗拉强度 • 塑性（伸长率、断面收缩率） 收缩
金属单晶体塑性变形 属单晶体 性变形

(review) ( )
应力可以分解为 应力可以分解为：
一个正应力( ) 一个切应力() 正应力 -> 伸长、断裂 切应力 -> 滑移变形
F Fe
{0001}×1
×3
3
Mg,Zn,Ti
{1010} {1011}
<1120>
3 6
Mg,Zr,Ti Mg,Ti
例子
（FCC）
12个棱边
例子
位错滑移 滑移系 位错滑移、滑移系
体心立方、面心立方、密排六方的滑移系统 滑移系越多，越容易塑性变形。
单晶中的滑移
位错-塑性变形
（edge d di dislocation l i ）
常见例子（拉拔） 拉拔）
常见例子（正挤压）
晶界和晶粒位向的影响（多晶体）
两晶粒实验，晶界部 分不易变形。


晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶 格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因此多晶体金属 的变形抗力总是高于单晶体 。 金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高 ，而且塑性与韧性 也较高 。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
变形前后晶粒形状变化示意图
工业纯铁经不同程度变形后的组织 纯铁经不同程度变形后的组织
（性能各向异性）
塑性变形对性能的影响 （加工硬化）

加工硬化现象 当金属在外力作用下，应力超过金属的弹性极限后，金 属将发生的永久变形称为塑性变形。金属在塑性变形过程中， 组织与性能将发生变化。一般说来随着变形程度的增加，金 组织与性能将发生变化。 般说来随着变形程度的增加，金 属的强度、硬度提高而塑性下降，这种现象称为加工硬化。 同时也造成电阻升高、耐蚀性能下降等。 滑移线与变形孪晶 滑移和孪晶是金属塑性变形的两种方式。 滑移是晶体在切应力作用下借助于金属位错沿滑移面相 对移动的结果。 滑移线（在金相显微镜下观察到的是滑移带）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 移终的形状取决于晶体结构。有直线的、有波浪形的，也有 平行的以及相互交义等，它们显示了滑移方式的不同。变形 量愈大，滑移线愈多．愈密。
位错发生、塞集、缠结
加工硬化
加工硬化的原因
（物理原因）
晶粒破碎 缺陷（位错） 晶粒破碎、缺陷（位错）
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
（大变形量70 （大变形量 70-90% 7090%；晶粒破碎并沿拉伸方向转动） ；晶粒破碎并沿拉伸方向转动） 晶粒破碎并沿拉伸方向转动）
形变织构示意图（textile il ）