材料学习之金属的塑性变形与再结晶
实验七 材料的塑性变形和再结晶
滑移变形具有以下特点: ①滑移在切应力作用下产生(图2)。
图 2 晶体在切应力作用下的变形
②滑移沿原子密度最大的晶面和晶 向发生。
滑移常沿晶体 中原子密度最 大的晶面和晶 向发生，因为 原子密度最大 的晶面之间间 距最大，点阵 阻力最小，原 子密度最大晶 向上原子间最 短，结合力最 弱，因此产生 滑移所需切应 力最小。
因此，一般在室温使用的 结构材料都希望获得细小而均 匀的晶粒。因为细晶粒不仅使 材料具有较高的强度、硬度， 而且也使它具有良好的塑性和 韧性，即具有良好的综合力学 性能。故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
2.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形后，金属在组织和性能方面发生四个方面的变化： 1）产生纤维组织，性能由各向同性趋于各向异性。
• 变形金属在加热中一般经历三个过程： （1）回复 （2）再结晶 （3）晶粒长大
变形金属加热时组织和性能变化示意图
回复 再结晶
晶粒长大
组 织
变 内应力
化
性
能 变
强度
化
晶粒度 塑性
（1）回复
（2）再结晶
• 由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降， 塑性、韧性提高，加工硬化消失。
再结晶温度（T再）： 通常指经大变形度（70~80%）的变形后，在规定
图5a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。纯铁在低温 下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图5b所示，在 这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶
100
b 铁的变形孪晶
图5 变形孪晶光学显微形貌
100
工业纯铁压缩变形——滑移线
纯锌冲击变形——孪晶
2.多晶体的塑性变形
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶一、实验目的：1、了解显微镜下滑移线、变形孪晶和退火孪晶特征。
2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。
3、讨论冷加工变形对再结晶晶粒大小的影响。
二、实验内容：1、观察工业纯铁冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶，黄铜或纯铜的退火孪晶。
2、观察工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的显微组织。
3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小。
三、实验内容讨论：1、显微镜下的滑移线与变形孪晶：当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。
我们之所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）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。
滑移线的形状取决于晶体结构和位错运动，有直线形的，有波浪形的，有平行的，有互相交叉的，显示了滑移方式的不同。
变形量越大，滑移线愈多、愈密。
在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以进行滑移变形。
孪晶可以看成是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。
由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下，孪晶区是一条较浅或较深的带。
在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。
除变形孪晶外，有些金属如黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。
滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。
如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。
制备孪晶试样时，是先经塑性变形，然后再抛光腐蚀，可见：（1）对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到，而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看见。
（2）滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。
滑移线和磨痕的区别在于前者是不会穿过晶界的。
2、冷变形后金属的显微组织和机械性能冷加工变形后，晶粒的大小、形状及分布都会发生改变。
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒， 如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢加工硬化是强化金属的重要手段之一。
对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
金属的塑性变形与再结晶
➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
57
热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
58
√
59
带状组织
➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
42
➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
43
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
驱动力：晶界能的降低。
47
48
49
小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
5
金属的塑性变形与再结晶(3)
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
实验-金属的塑性变形与再结晶
一、实验目的 1．了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响。 2．了解冷变形度对金属再结晶后晶粒大小的影响。
图 4-1 05 钢冷塑性变形后组织(200×) a)未变形，940℃正火 b)变形程度 40% c)变形程度 70% d)变形程度 80%
二、实验概述 （一）金属塑性变形后的组织、性能变化
注：若时间有限，该组铝片变形试样亦可由实验室事先制备好。
五、实验报告
1．简述实验目的。 2. 根据实验结果，作出纯铜变形度与硬度间的关系曲线。 3. 根据观察试样结果，填写下表。
3
硬 度
材料 处理工艺 浸蚀剂 放大倍数
变形度 纯铜硬度与变形度的关系曲线
低碳钢 抛光后加压变形
未浸蚀
纯锌 稍加塑性变形 HCl+HNO3+甘油
4．加工硬化 由于金属冷塑性变形，亚结构进一步细化，位错密度增大，导致其 强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，该现象即称加工硬化。 （二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，必有力求恢复到稳定状态的 趋势。但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进行，加热会提高原子的活动 能力，也就促进了这一恢复过程的进行。加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、 再结晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。图 4-2a 即为经 70％变形 度的 05 钢，625℃退火后，发生了不完全再结晶，图 4-2b 为 670C 退火后，再结晶已完 成。由图 4-3 可知，在回复阶段，显微组织不变，仅是内应力获得很大松弛，所示其性 能几乎不变。但经再结晶后，显微组织已恢复到变形前的等轴晶，故各种性能也都复原， 即加工硬化完全消除。
度下晶粒形态 作出硬度与变形 并测出其硬度 度的关系曲线
金属的塑性变形与再结晶
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
金属的塑性变形与再结晶返回
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋 于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能， 恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
金属的塑性变形与再结晶1
6.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
3．形变织构 是指随塑性变形进行，各个晶粒在空间取向上
逐渐趋于一致的组织状态。
58
不同的晶体结构，有不同的形变织构取向
59
织构的利与弊：各向异性的避免或利用
制耳
60
6.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
4.残余应力 变形功一部分转变为储存能，以各类残余应力 的形式表现
72
不可变形粒子阻碍变形的Orowan机制
➢ 受阻—弯曲—绕过—位错环—反作用于位错源
克服线张力作用使位错
线弯曲到曲率半径
R的切应力为：
Gb
2R 能够绕过粒子继续运动
需要克服的临界切应力
为：
Gb ( : 粒子间距)
73
小结：
不可变形粒子的强化作用与粒子间距λ成 反比，粒子愈多，粒子间距愈小，强化作用 愈明显。
强化的理解与运用 ➢塑性变形对合金组织与性能的影响与分
析运用 ➢塑性变形中用 的理解
80
通常有害，应予以消除 也可有特殊的强化效应——表面残余压应力提 高疲劳强度
61
残余应力的分类
➢ （1）宏观残余应力（第一类内应力）： 由宏观变形不均匀性引起的，易导致工件变形
➢ （2）微观残余应力（第二类内应力） 由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性引起，易导致 工件开裂。
➢ （3）点阵畸变（第三类内应力）： 由点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的， 引起晶体的强化并使之处于热力学不稳定状态。
（2）是一种均匀切变。 （3）孪晶有对称关系。
在一定范围内改变了晶体的取向。
39
40
41
111 000
孪晶形貌的衍衬像
孪晶的选区电子衍射花样
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶 粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
34
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。
目的：1. 消除加工硬化 使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
18
底面对角线
1 面×3 方向=3
7
4、滑移机理
临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切应
力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才 能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
8
位错运动造成滑移示意图
9
10
二、 多晶体金属的塑性变形
700℃
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
实验二 金属的塑性变形与再结晶
实验二金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形量对硬度和显微组织的影响2、研究变形量对工业纯铝再结晶退火后晶粒大小的影响二、实验原理金属在外力作用下，当应力超过其弹性极限时将发生不可恢复的永久变形称为塑性变形。
金属发生塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生明显的变化。
经塑性变形后，随着变形量的增加，金属内部晶粒沿变形方向被拉长为偏平晶粒。
变形量越大，晶粒伸长的程度越明显。
变形量很大时，各晶粒将呈现出“纤维状”组织。
同时内部组织结构的变化也将导致机械性能的变化。
即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变硬化。
在本实验中，首先以工业纯铁为研究对象，了解不同变形量对硬度和显微组织的影响。
冷变形后的金属是不稳定的，在重新加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
其中再结晶阶段金属内部的晶粒将会由冷变形后的纤维状组织转变为新的无畸变的等轴晶粒，这是一个晶粒形核与长大的过程。
此过程完成后金属的加工硬化现象消失。
金属的力学性能将取决于再结晶后的晶粒大小。
对于给定材料，再结晶退火后的晶粒大小主要取决于塑性变形时的变形量及退火温度等因素。
变形量越大，再结晶后的晶粒越细；金属能进行再结晶的最小变形量通常在2~8%之间，此时再结晶后的晶粒特别粗大，称此变形度为临界变形度。
大于此临界变形度后，随变形量的增加，再结晶后的晶粒逐渐细化。
在本实验中将研究工业纯铝经不同变形量拉伸后在550℃温度再结晶退火后其晶粒大小，从而验证变形量对再结晶晶粒大小的影响。
三、实验设备和材料1、实验设备箱式电阻炉、万能拉伸机、卡尺、低倍4X型金相显微镜、洛氏硬度计等2、实验材料(1)变形度为0%、30%、50%、70%的工业纯铁试样两套，其中一套用于塑性变形后的硬度测定，一套为已制备好的不同变形量下的金相标准试样，用于观察组织（2）工业纯铝试样，尺寸为160mm×20m m×0.5mm，（3）腐蚀液：40mlHNO3+30mlHCl+30mlH2O+5g纯Cu），硝酸溶液四、实验内容及步骤1、测定工业纯铁的硬度（HRB ）与变形度的关系，观察不同塑性变形量后工业纯铁的金相显微组织（1）将工业纯铁的试样在万能拉伸实验机上分别进行0%、30%、50%、70%的压缩变形。
第四章 金属的塑性变形与回复再结晶
第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。
外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。
塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。
下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。
所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。
ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。
这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。
如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。
实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。
正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。
如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。
1．变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见到。
因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方式进行。
图4一2a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。
纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图4一2b所示，在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。
材料课件实验三金属的塑性变形与再结晶组织观察
实验三金属的塑性变形与再结晶组织观察目的1．加深对材料塑性编写过程的理解；2．认识塑性变形的典型组织；3．理解变形量对再结晶后晶粒尺寸的影响.一、塑性变形引起材料组织的变化晶体塑性材料塑性变形的基本方式有四种：滑移、孪生、蠕变、粘滞性流动.滑移是晶体中位错在外力作用下发生运动,造成晶体的两部分在滑移面上沿滑移方向的相对移动,滑移是位错的移动,晶体内部原子从一个平衡位置移到另一个平衡位置,不一起晶体内的组织变化,位错移出晶体的表面,形成滑移台阶,一个位错源发出的位错都移出,在晶体表明形成台阶在显微镜下可以见到,就是滑移线.孪生是在滑移困难时以形成孪晶的方式发生的塑性变形,晶体发生孪生,在晶体表面产生浮凸,晶体内部生成的孪晶与原晶体的取向不一样,并有界面分隔,所以在晶体内重新制样后依然可以看到孪晶.多晶体材料发生塑性变形后,原等轴晶粒被拉长或压扁,晶界变模糊.两相材料经过塑性变形后,第二相的分布也与变形方向有关.塑性变形后进行退火加热发生再结晶的晶粒尺寸与变形量有直接的关系.在临界变形量不同材料不相同,一般金属在2—10%之间以下,金属材料不发生再结晶,材料维持原来的晶粒尺寸；在临界变形量附近,刚能形核,因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大,有时甚至可得到单晶；一般情况随着变形量的增加,再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大>70%后,可能产生明显织构,在退火温度高时发生晶粒的异常长大.二、实验内容1．观察几种塑性变形后的组织形貌①．低碳钢拉伸后的组织变化：看断口附近,变形量最大,组织特征明显,白色的软相的晶粒的形状分布,黑色较硬相形状分布特征.②纯铁压缩表面的滑移线：为了观察,现将试样磨平,再压缩变形,晶体表面可留下滑移线.若再打磨则滑移线就不可见.一个滑移系能开动,与之平行的滑移系也可能开动,滑移线往往时互相平行,因为存在交滑移,滑移线为波浪状.③锌的变形孪晶：Zn是hcp晶系,仅有三个滑移系,多晶体变形就会发生孪生,从试样上可见到变形产生的孪晶.④纯铁的变形孪晶：铁为bcc晶体,有12个滑移系,一般变形为滑移.在－120℃以下冲击,低温滑移阻力大,大的应力也可引起孪生方式的变形.2．观察铝片经不同变形量后退火发生再结晶后晶粒的大小.一组试样的变形量分别为0、1、2、3、5、8、10、13%,见试样头部的字号,用钢板尺测晶粒的平均截线长.方法：取一线段,数穿过了多少个晶粒,则)()(n mm d 晶粒的个数测量用线段总长=,为保证数字有意义,50>n .三、实验报告要求 报告内容部分：1．画出见到的四中组织示意图,每一个注明组织特征,简述形成组织的原因或过程.2．用表格列出测量铝片用的总长度,数出的晶粒个数,算出平均截线长.用坐标纸画出在结晶后的晶粒尺寸与变形量关系曲线.指出其临界变形量.。
金属的塑性变形与再结晶
内应力分为宏观内应力、微观内应力和畸变应力三类。
畸变应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主
要原因。
内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬
火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通 常要进行退火处理，以消除或降低内应力。
第四节
回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复 到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不 稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加， 金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
三、再结晶退火后的晶粒度
1、加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热 温度的影响尤为显著。
2、预先变形度
预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.
当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶. 当变形达到2-10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后 晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。
㈠ 回复 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺
陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数
量减少等。
在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。
工业上，常利用回复现象将冷变 形金属低温加热，既稳定组织又 保留加工硬化，这种热处理方法 称去应力退火。 ㈡ 再结晶 当变形金属被加热到较高温度时， 由于原子活动能力增大，晶粒的 形状开始发生变化，由破碎拉长 的晶粒变为完整的等轴晶粒。 这种冷变形组织在加热时重新彻 底改组的过程称再结晶。 再结晶后，金属的强度、硬度下 降，塑性、韧性提高，加工硬化 消失。
第二章2节 金属的塑性变形与再结晶分解
冷加工与热加工组织的变化 冷 加 工
热 加 工
热变形加工在变形 的同时伴随着动态再 结晶，变形停止后在 冷到室温过程中继续 有再结晶发生。所以 热变形加工基本没有 加工硬化现象。
热加工的优点： 1. 可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；
2. 可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机
使强度硬度升高，塑性下降。
§3回复与再结晶
回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化， 但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
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。
冷变形后
回复
再结晶
晶粒长大
三、热加工对金属组织和性能的影响 热加工相关概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，
高于再结晶温度的压力加工是热加工，低于再结晶温度的
压力加工是冷加工。Ni的T再为580，Pb的T再为-33. 两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和 较低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，变形抗 力大，一次变形量有限。而热变形加工与此相反。热变形 加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热 轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要 求表面粗糙度值低的零件和坯料。
孪生
孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面
（孪晶面）及晶向（孪生方向），与晶体的另一部分发生均
匀的剪切变形，结果使晶体的变形部分与未变形部分构成镜 面对称的位向关系。
孪生
滑移
孪生变形示意图
二、多晶体的塑性变形 金属材料大多为位向、形状、大小不同的 晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多
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塑性越好。
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2.滑移系
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3.晶体在滑移过程中的转动
单晶体试样在拉伸实验时（如图7-5），除了沿滑移面产生 滑移外，晶体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面 上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力（正应力）不 再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产 生以外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。
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一、塑性变形
塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
•断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ A与原始横截
面积A0之比。
•伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原始标距L 0之
比。 韧性断裂：断口呈纤维状，灰暗无光，断前有明显的塑性变形。 脆性断裂：断口有闪烁的光辉，断前无明显的塑性变形。
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1.滑移的表象（滑移带）
• 发生了滑移的金属试样表面状态:试样表面上会出现许多相 互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由许多密集且相互 平行的滑移线构成。
材料学习之图金属7-的3塑性滑变移形带与再和结滑晶移线示意图
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1.滑移的表象
• 如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在 金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条 纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台 阶，这些条纹称为“滑移线”。
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二、单晶体金属的塑性变形
金属单晶体的塑性变形有“滑移”与“孪生（晶）”等不同方式， 但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。 滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生 相对滑动的过程。 •1.滑移的表象（滑移带） •2.滑移系 •3. 滑移的位错机理 •4. 滑移时晶体的转动
可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生 变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难， 这种现象“取向硬化”；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步趋 于软位向，易于滑移，称为“取向软化”。结果是滑移产生转移。
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是同时进行的。
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4.滑移的位错机理
• 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体 内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的 整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的 原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。
• 当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将沿着一定的晶面 和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个 原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动 到晶体表面所形成的台阶。
第七章 金属的塑性变形与再结晶
• §1 金属材料的塑性变形特性 • §2 塑性变形对组织和性能的影响 • §3 回复与再结晶 • §4 金属材料的热加工
材料学习之金属的塑性变形与再结晶
§1 金属的塑性变形特性
• 一、什么是塑性变形 • 二、金属单晶体的塑性变形 • 三、多晶体金属的塑性变形 • 四、合金体的塑性变形
不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和
位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成
一个“滑移系”。所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不
同，如体心立方12个，面心立方12个，密排六方3个，且滑移
系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不
好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，
观上的体现。
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锌单晶体拉伸试验
图7-4 锌单晶体拉伸试验示意图 （a）变形前试样 （b）变形后试样
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二、单晶体金属的塑性变形
图7-5 单晶体试样拉伸变形示意图
材料移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只 沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向 都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方 向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向。因 为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的 结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。
图7-2 拉 伸 曲 线
应力-应变曲线
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一、 塑性变形
• 应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。 • 应变ε：单位长度的伸长量。 • 屈服点 与屈服强度σs : 产生明显塑性变形的最低应力
值. • 抗拉强度σb ：试样在断裂前所能承受的最大应力。
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一、 塑性变形
• 金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生 变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑 性变形。
• 生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。 • 金属的塑性变形可分为：
冷塑性变形和热塑性变形。
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一、 塑性变形
• 在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑 移线群的集合体，称为“滑移带”。同时还能看到滑移带在晶体 上的分布是不均匀的。
• 单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀
的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑
移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏
• 压力加工方法示意图
图7-1 压力加工方法示意图 材料学习之金属的塑性变形与再结晶
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一、 塑性变形
FF
b
σ
es
k
p
Fb
Fe Fs
• oe段：弹性变形阶段；
• es段：屈服阶段；
• sb段：均匀塑性变形阶
Fp
段，是强化阶段。
o
g
Δl u Δl b
Δl
Δl • b点：形成了“缩颈”。
f ε • bk段：非均匀变形阶段， 承载下降，到k点断裂。
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4.滑移的位错机理
滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。
图中显示了一刃型位错在切应力τ的作用下在滑移面上的
运动过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧