第七章 材料的塑性变形与再结晶

体心立方结构金属：孪生面{112}，孪生方向<111>
面心立方结构金属：孪生面{111}，孪生方向<112>
7-1 单晶体的塑性变形
（四）孪生的特点
（1）孪生变形是在切应力作用下发生的，孪生所需的临界 切应力要比滑移时大得多； （2）孪生是一种均匀切变，切变区中每层原子面相对于孪 生面的切变量与该层晶面离开孪生面的距离成正比；
7-2 多晶体的塑性变形
二、晶界强化
（一）晶界强化机制 多晶体中晶界对位错滑移的阻力主要源于两个方面：
(1) 晶界两侧晶粒间的位向差造成的阻力；(2) 晶界本身造
成的阻力。由于晶界对晶体中位错的滑移产生阻碍作用， 使得变形过程中位错不能越过晶界而是在晶界附近产生位 错塞积，形成位错塞积群，从而引起材料强度的提高。 晶粒越细，晶界数量越多，晶界强化作用越大，材料
尽量避免材料发生塑性变形，如铸造、焊接、热处理等。
7-1 单晶体的塑性变形
在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移和
孪生方式进行，此外亦有扭折、微应变等方式。 在高温下，单晶体的塑性变形还可通过扩散性变形等 方式发生。
7-1 单晶体的塑性变形
一、滑移
（一）有关概念 滑移：晶体相邻两部分沿着某一晶面在某个晶向上彼
c
7-4 塑性变形后材料的组织与性能
胞状亚结构的形成不仅与变形程度有关，而且还取决于材料的层 错能。层错能 较高的金属材料（如铝、铁、镍等），容易出现明 显的胞状亚结构，而 较低的金属材料（如不锈钢、 黄铜等）， 经大量塑性变形后，位错杂乱地排列于晶体中，构成位错分布较均匀 的复杂位错网络，不易出现胞状亚结构。
第七章 材料的塑性变形与再结晶
概述
在外力作用下，材料将发生变形：外力较小时，发生 弹性变形；当外力较大时，将发生塑性变形，即产生不可 逆的永久变形；当外力过大时，就会发生断裂。 在实际生产中，有的利用材料的塑性变形进行固态成 形，如锻造、轧制、拉拔、挤压等；有的因材料发生塑性
变形而影响加工工效，如车、铣、钻、刨、磨等；有的要
s 0 Kd

1 2
其中 0表示位错在晶粒内滑移的阻力，相当于单晶体的屈服 强度；K表示晶界对变形影响的程度，与晶界结构有关。
7-2 多晶体的塑性变形
思考题：
1. 指出三种典型结构金属晶体的滑移面和滑 移方向并比较其滑移难易程度。 2. 何谓加工硬化？ 3. 运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料 强度的原因。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
2. 第二相强化（弥散强化、沉淀硬化）机制
（1）绕过机制 对于不可变形的第二相
粒子，当运动位错与其相遇
时，将受到粒子的阻碍，使 位错线绕其发生弯曲。随着 外加应力的增加，位错线受
位错绕过第二相粒子示意图
阻部分的弯曲程度更大，最形成包围粒子的位错环，而位错 线的其余部分则越过粒子继续滑移。位错弯曲绕过第二相粒 子和留下的位错环对后续位错滑移的阻碍作用将导致强化。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
2. 固溶强化机制 溶质原子和位错之间发生交互作用，导致溶质原子偏 聚于位错线附近，形成包围位错线的溶质原子气团，使位 错的能量降低。因此，溶质原子气团会对位错产生钉扎作 用。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱溶质
原子气团的钉扎，因而增加了位错滑移的阻力，产生固溶
的强度越高。
7-2 多晶体的塑性变形
位错源 应力集中 与应力场 位错源
位错源 晶界
位错在相邻晶粒中的作用示意图
7-2 多晶体的塑性变形
（二）霍尔-佩奇公式
晶界的数量直接取决于晶粒的大小，故晶界对多晶体屈 服强度的影响可由晶粒大小直接表征。多晶体的屈服强度s 与晶粒平均直径 d 之间的关系可用霍尔-佩奇（Hall - Petch） 公式表示，即：
此间作相对的平行滑动。
7-1 单晶体的塑性变形
滑移现象观察
7-1 单晶体的塑性变形
（二）滑移面、滑移方向和滑移系
晶体的滑移通常沿着一定的晶面和晶向进行，这些晶 面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。 面心立方晶体：滑移面{11l}，滑移方向<110> 体心立方晶体：滑移面{110}，滑移方向<111> 密排六方晶体：滑移面{0001}，滑移方向<112 0> 由 PN
力并不一致，各晶粒不能同时开始变形，其中处于有利取
向的晶粒首先发生滑移，处于不利取向的晶粒则未滑移； （2）多晶体中的每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它 的变形必然与其邻近晶粒相互协调，否则难以进行变形。 2. 晶界的影响：多晶体的屈服强度明显地高于同样材 料的单晶体，且在同一种多晶体材料中，晶粒越细小，其 屈服强度越高。
塑性变形过程中位错密度的增加及其对位错滑移的阻 碍作用是导致加工硬化的决定性因素。可通过对材料进行 冷加工变形（如冷轧、冷拉、冷拔等），使之发生加工硬 化，从而提高材料的强度。
7-1 单晶体的塑性变形
（二）加工硬化曲线
第 I 阶段—易滑移阶段： 其斜率 I 即加工硬化率低； 随应变量增加，应力呈线性 第II阶段—线性硬化阶段：
a
b
c
铜经不同程度冷轧加工后的光学显微组织 300×
a — 30%压缩率; b — 50%压缩率; c — 99%压缩率
7-4 塑性变形后材料的组织与性能
二、亚结构的变化
经一定量的塑性变形后，形成位错缠结；继续增大变形 量，发展成胞状亚结构；变形量非常大时，演化为形变胞。
a
b
铜经不同程度冷轧加工后的透射电镜像 30000× a — 30%压缩率; b — 50%压缩率; c — 99%压缩率
强化。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
3. 影响固溶强化的因素 ① 固溶体中溶质原子的含量越高，强化作用越大； ② 溶质原子与溶剂原子的原子半径相差越大，强化 作用越大； ③ 间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有更大的固
溶强化效果；
④ 溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，固溶 强化作用越显著。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
切应力
增大，加工硬化十分显著，
II 大；
纯金属单晶体的典型应力应变曲线
第III阶段—抛物线型硬化阶段：随应变量增加，应力上
升缓慢，呈抛物线型，III逐渐减小。
7-2 多晶体的塑性变形
一、晶粒取向和晶界对多晶体塑性变形的影响
（一）晶粒取向和晶界对多晶体塑性变形的影响 1. 晶粒取向的影响:（1）位向不同的各个晶粒所受应
（3）孪晶与未切变的晶体间形成镜面对称的位向关系；
（4）与滑移相比，孪生对晶体变形量的直接贡献较小，但 孪晶的形成可改变晶体的位向，激发进一步的滑移和
晶体变形。
7-1 单晶体的塑性变形
三、加工硬化
（一）加工硬化的概念 金属材料经冷加工变形后，其强度、硬度显著提高，
而塑性、韧性则急剧下降，这种现象即称为加工硬化。
7-1 单晶体的塑性变形
（二）孪生变形过程
孪生面
孪生面
a来自百度文库
b 面心立方晶体孪生变形示意图
a—孪生面和孪生方向; b—孪生变形时原子的移动情况
7-1 单晶体的塑性变形
7-1 单晶体的塑性变形
（三）孪生面、孪生方向和孪生要素 孪生面：孪生时所沿晶面。 孪生方向：孪生时所沿晶向。 孪生要素：一个孪生面和该面上的一个孪生方向。 密排六方结构金属：孪生面{101 2}，孪生方向<10 11>
7-1 单晶体的塑性变形
（五）单滑移、多滑移和交滑移
单滑移：滑移只沿着一个滑移系进行。
多滑移：滑移沿着两个或两个 以上滑移系同时进行。 交滑移：在两个或多个滑移面上 沿某一个共同的滑移方
向同时或交替进行。
面心立方晶体中拉力轴 为 [001]时造成的多滑移
7-1 单晶体的塑性变形
二、孪生
（一）孪生的概念 孪生：在相当大的切应力作用下，晶体沿着一定晶面 上的某一特定晶向发生均匀切变。 孪生是晶体塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑 移难于进行时的补充。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
（二）弥散型合金的塑形变形 第二相以细小弥散的粒子形式均匀分布于基体相中时，
将会产生显著的强化作用。
1. 第二相粒子的类型 通常可将第二相粒子分为 “不可变形的”和“可变形的”
两大类：一般地，弥散强化型合金中的第二相粒子（借助粉
末冶金方法加人的）属于不可变形的，而沉淀相粒子（通过 时效处理由过饱和固溶体中析出）多属可变形的，但当沉淀 相粒子在时效过程中长大到一定程度后，也能起到不可变形 粒子的作用。
二、多相材料的塑性变形
（一）聚合型合金的塑形变形
（1）当组成聚合型合金的两相均为塑性相时，合金的变形能
力取决于两相的体积分数。此类合金发生塑性变形时，滑移往往 首先发生在较软的相中。如果较强相的体积分数较少，则强化效 果甚微，只有当较强相的体积分数大于30%时，才有可能起到明 显的强化作用。 （2）当聚合型合金的两相中一个是塑性相而另一个是脆性相 时，则合金的性能不仅取决于两相的相对数量，而且与脆性相的 形状、大小和分布密切相关。
7-4 塑性变形后材料的组织与性能
四、形变织构
随着变形量的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向将向 主变形方向转动，多晶体中各个晶粒的取向逐渐趋于一致， 这一现象称为择优取向，相应的组织状态称为形变织构。 随加工变形方式不同，形变织构主要有两种类型：拔丝 时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向 大致与拔丝方向相平行；轧板时形成的织构称为板织构，其 主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于同轧面与轧向
2G 2a ex p 可知，滑移沿最密晶面和 1 (1 )b
最密晶向进行。
7-1 单晶体的塑性变形
滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向。
晶体的滑移面有主次之分，故滑移系也有主次之分。 通常主滑移系数目决定着晶体滑移的难易程度。 面心立方晶体主滑移系：{11l}<110>，共有4 3=12个 体心立方晶体主滑移系：{110}<111>，共有6 2=12个 密排六方晶体主滑移系：{0001}<112 0>，共有1 3=3个 滑移由易到难依次为：面心立方体心立方密排六方
思考题： 1. 单相固溶体合金的强度均高于纯溶剂组元
的强度，试用位错理论分析之。
2. 合金化是提高材料强度的一种有效途经，
试运用所学理论分析合金化可以提高材料强度的
原因。
7-4 塑性变形后材料的组织与性能
一、显微组织的变化
随着变形量的增加，等轴晶粒将逐渐沿着变形方向伸
长，当变形量很大时，形成纤维组织。
7-1 单晶体的塑性变形
（三）临界分切应力
沿某一滑移系发生滑移所需的 最小分切应力。 （四）施密特定律 外力在某一滑移系上的分切应
F 力为: cos cos cos cos A c s cos cos 施密特定律：
cos cos 称为取向因子或施密特因子。
经20%室温变形后，纯铁 中的胞状亚结构
经冷轧变形2%后，不锈钢 中的复杂位错网络
7-4 塑性变形后材料的组织与性能
三、性能变化
（一）力学性能 强度、硬度显著提高，塑性、韧性则明显降低。
（二）物理性能
电阻率明显增高，电阻温度系数降低，热导率和磁导率 下降，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。 （三）化学性能 金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。
二、多相材料的塑性变形
多相合金与单相固溶体合金的不同之处在于：除基体相 外，尚有其他相（统称为第二相）存在。 根据第二相粒子的尺寸大小可将多相合金分为两大类： 第二相粒子尺寸与基体相晶粒尺寸属同一数量级的多相合金
称为聚合型合金；第二相粒子细小而弥散地分布在基体相晶
粒中的多相合金称为弥散型合金。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
7-3 单相与多相材料的塑性变形
一、单相材料的塑性变形
（一）单相固溶体合金的塑性变形方式 单相固溶体合金的塑性变形方式也以滑移和孪生为主。 （二）固溶强化现象及固溶强化机制 1. 固溶强化现象：单相固溶体中存在溶质原子，这种溶
质原子无论以置换还是间隙方式溶入溶剂金属中，都会和位
错之间发生交互作用，增加位错滑移的阻力，故单相固溶体 的塑性变形抗力（强度、硬度）高于纯溶剂金属。
7-3 单相与多相材料的塑性变形
（2）切过机制
当第二相粒子为可变形粒子时，位错将切过粒子并使之 随同基体一起变形，由于 位错切过粒子后会增加界 面面积，同时粒子和基体 相的晶体结构不同、比容 不同以及滑移面取向不一 致，会对位错滑移产生阻
碍作用，引起强化。
位错切过第二相粒子示意图
7-3 单相与多相材料的塑性变形