第4章 金属的塑性变形与回复再结晶
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
一文看懂回复和再结晶
一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。
这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。
性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。
（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。
晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。
显微组织的变化：回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。
再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。
性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。
二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。
金属的塑性变形与再结晶
实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填）五、讨论、心得（必填）一、实验目的1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。
二、实验原理金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。
在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。
(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。
冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。
金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。
当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。
同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。
金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。
若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。
1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。
此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。
但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。
2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。
冷变形金属的回复、再结晶与长大
根据加热温度不同，发生回复、再结晶及晶粒长大过程，经塑性变形后的金的过程称之为“退火”.回复阶段，从光学显微镜下观察的组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形之后的纤维状；在再结晶阶段，首先是出现新的无畸变的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止；晶粒长大阶段，是在界面能的驱动下，再结晶的新晶粒相互吞并而长大，以获得该温度下更为稳定的晶粒尺寸回复和再结晶的驱动力是内部储存的畸变能（内应力），在回复和再结晶过程中全部释放出来，不同的金属类型，再结晶以前释放的储能不同，从纯金属→不纯金属→合金，储能的释放增加；由于杂质和溶质原子阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程.三个阶段金属的性能变化如图所示：①电阻率在回复阶段就已明显下降，到再结晶时下降更快，最后恢复到变形前的电阻；②强度和硬度在回复阶段下降不多，再结晶开始后硬度急剧下降，降低的规律因金属的种类不同而不同；③内应力在回复阶段明显下降,宏观内应力在回复时可以全部或大部分被消除，微观内应力部分消除；在再结温度以上，微观内应力被全部消除.④材料的密度随退火温度升高而增加.所谓回复是指冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能的变化过程.回复动力学研究材料的性能向变形前回复的速率问题：①回复过程没有孕育期；②在一定的温度下，初期的回复速率很高，以后逐渐减慢，直到最后回复的速率为零.③每一个温度的回复过程都有一个极限值，退火温度越高，这个极限值越高，需要时间越短.R为回复时已恢复的加工硬化，σm σr σ0分别为变形后、回复后以及完全退火的屈服应力，R越大，（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度越大.回复过程的组织变化与回复机制多边形化：金属塑性变形后，滑移面上塞积的同号刃型位错沿原滑移面水平排列，高温时通过滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙，每组角度晶界分割晶粒成亚晶，这一过程称为位错的多边形化.只在产生単滑移的晶体中，多边形化过程最典型，多滑移情况下可能存在，更易形成胞状组织.胞状组织的规整化：过剩空位消失，变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并与胞壁中的异号位错互相抵消位错密度降低，位错变得平直较规整，当回复继续时，胞胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，单胞有所长大，构成亚晶粒.亚晶粒的合并：可能通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成.去应力退火：冷变形金属经回复后使内应力得到很大程度的消除，同时又能够保持效果，因此回复退火又称为去应力退火.工件中内应力的降低可以避免工件的变形或开裂，②异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消③亚晶粒长大；①位错攀移和位错环缩小；②亚晶粒合并；③多边形化；中温回复（0.3-0.5T m ）高温回复（≧0.5T m ）不同温度下对应的回复机制（T 表示熔点）温度回复机制低温回复（0.1-0.3T m ）①点缺陷移至晶界或位错处消失；②点缺陷①缠结中的位错重新排列而构成亚晶；.冷加工”塑性变形后的金属再进行加热仍是冷变形之后的纤维状；在周围的变形基体而长大，直到阶段，是在界面能的驱动粒尺寸的过程.回复和再结晶过程中全部释放金属→不纯金属→合金，储能，推迟再结晶过程.这个极限值越高，需要时间越短.后以及完全越大.沿原滑移面水平排列，高温时，每组位错墙均以小可能存在，更易形成胞状组织.被吸引到胞壁，并与胞壁中的时，胞内几乎无位错，单胞有所长大，构成亚晶粒.导致亚晶转动来完成.够保持冷变形的硬化开裂，并提高其耐腐蚀性.而抵消，位错密度下降；熔点）点缺陷合并；；0σσσσ--=m r m R质原子被吸附在晶界，织；②加工温度范围在速率敏感系数.状；抛光表面没有显示滑移线；，晶粒长大越明显；。
第四章金属及合金的塑性变形和再结晶2
（二） 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越 细，晶界总面积 越大， 越大，位错障碍 越多；需要协调 越多； 的具有不同位向 的晶粒越多， 的晶粒越多，使 金属塑性变形的 抗力越高。 抗力越高。
晶 粒 大 小 与 金 属 强 度 关 系
二、多相合金的塑性变形与弥散强化 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变 当合金的组织由多相混合物组成时， 形除与合金基体的性质 有关外， 有关外， 还与第二相的性质、形 还与第二相的性质、 态、大小、数量和分布 大小、 有关。 有关。
固溶体第二相) α+β钛合金 固溶体第二相 β钛合金(固溶体第二相
应变
脆性 材料 塑性材料
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化 细晶强化。 法称细晶强化。
三、合金的塑性变形
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种 单相固溶体 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属， 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 但常发现有孪晶存在， 子重新排列时发生错排而产生的， 退火孪晶。 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似 多晶 单个晶粒变形与单晶体相似,多晶 体变形比单晶体复杂。 体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 、 当位错运动到晶界附近时，受到 当位错运动到晶界附近时， 晶界的阻碍而堆积起来,称位错的 晶界的阻碍而堆积起来 称 塞积。要使变形继续进行 塞积。要使变形继续进行, 则必 须增加外力, 须增加外力 从而使金属的变形 抗力提高。 抗力提高。
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
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。
材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而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，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
材料科学基础4-回复、再结晶
Q Q A exp RT t1 A exp RT t2 1 2
t1 t2 exp exp 1 1 RT2 R T2 T1 e RT 1
晶粒长大--3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素
（1）温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大
G =G0exp（-QG /RT）
G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能
（2）第二相 晶粒长大的极限半径 R=kr/f K：常数 r：第二相质点半径 f：第二相的体积分数 ∴ 第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能 力越强。 （3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏 聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时， 晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。
§2
一、回复动力学 1．回复动力学曲线
回复
回复动力学特点：
（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发 生软化。 （2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐 变慢，直到最后回复速率为零。
（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高， 这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短
（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。
TC TA TB sin A sin B sin C
当界面张力平衡时： 因 为 大 角 度 晶 界 TA=TB=TC， 而 A+B+C=360o ∴A=B=C=120o
晶粒长大--晶粒长大的方式
（3）在二维坐标中， 晶界边数少于6的晶 粒，其晶界向外凸出， 必然逐渐缩小，甚至 消失，而边数大于6 的晶粒，晶界向内凹 进，逐渐长大，当晶 粒的边数为6时，处 于稳定状态。 在三维坐标中， 晶粒长大最后稳 定的形状是正十 四面体。
8材料科学基础课件-第四章回复与再结晶
ln t 如图：
斜率＝Q/R
ln t D Q / RT
或： ln
t1 Q 1 1 ( ) t2 R T1 T2
1 T
由实验斜率可求得Q，据此推算其机制。
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一般来讲，激活能Q ln t
不只是一个，常按回复温
度高低分为低温、中温和 高温回复。对应的激活能 为Q1、Q2、Q3。
Q3 Q2
第四章
回复与再结晶
变形金属的热行为
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章目录：
4.1 4.2 4.3 4.4 冷变形金属在加热时的变化 回 复
再结晶 再结晶后的晶粒长大
4.5
4.6 4.7
再结晶退火及其组织
金属的热变形 超塑性加工
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经冷变形的金属具有如下特点：
• 机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。
迁移的大角度晶界，成为核心。
• 特点：
（高层错能材料Al，Ni等）
位错易于攀移，位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。
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② 亚晶生长
通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。
（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如 Co、Ag、Cu、Au变量较小时）
A • 作ΔP — T℃曲线如图，能量释放 峰对应于新晶粒的出现 — 再结 0 A — 纯金属，B — 合金
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B
T℃
晶，在此之前为回复。
三、性能的变化
经冷变形的金属
缓慢加热，测其性能
的变化，如图所示。
性能急变区对应于新
晶粒的出现，再结晶
之前为回复，之后为
晶粒长大。
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总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要 经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
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。
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。
第四章金属材料的塑性变形与再结晶
滑移方向上原子间距的 小于孪生方向上的原
整数倍，较大。
子间距，较小。
很大，总变形量大。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切 压力 一般先发生滑移
所需临界分切应力远高于 滑移
滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果 分位错运动的结果 34
(二) 多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂
① 晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷
② 晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿 过。
35
当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积 起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加 外力, 从而使金属的变形抗力提高。
36
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
55
(4) 几何硬化：由晶粒转动引 起 由于加工硬化, 使已变形部 分发生硬化而停止变形, 而 未变形部分开始变形。没有 加工硬化, 金属就不会发生 均匀塑性变形。
未变形纯铁
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
变形20%纯铁中的位错
56
2 对力学性能的影响
利弊
d. 孪生本身对金属塑性变形的贡献不大，但形成 的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动， 间接对塑性变形有贡献。
33
总结
滑移
孪生
相同点
晶体位向
位移量 不 同 对塑变的贡献 点
变形应力
变形条件
1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不 改变结构。 不改变（对抛光面 改变，形成镜面对称关系 观察无重现性）。 （对抛光面观察有重现性）
1、晶粒取向和晶界对塑性变形的影响
实验指导书-金属的塑性变形、回复与再结晶
实验名称：金属的塑性变形、回复与再结晶一、实验目的•研究金属冷变形后，变形量对材料硬度的影响。
•研究同一退火温度下不同变形量对回复、再结晶后材料硬度的影响。
•研究再结晶温度对冷变形材料进行回复、再结晶后的硬度影响。
二、实验内容说明•金属经塑性变形后不但外形发生变化，而且晶粒内部结构和力学性能也发生明显的变化。
变形量越大，这些变化越明显。
•金属塑性变形后的退火处理可以导致材料产生回复与再结晶，退火温度对回复和再结晶过程有影响。
•冷变形量、热处理温度与时间的差异可导致材料回复与再结晶特征不同。
三、实验步骤1、实验用设备和材料•设备：轧机，游标卡尺，箱式电炉，热电偶及控温仪表，硬度计等；•材料：紫铜板片约20-40块。
2、实验内容与实验过程•紫铜试样作四种不同变形量的轧制变形；变形量20%-80%；•测量变形试样的硬度；•变形试样做不同温度（3-4个）的再结晶退火；温度范围200-500°C；退火时间约0.5小时；•测量退火试样的硬度；•做出材料硬度与变形和热处理工艺参数的关系曲线；•总结规律并且分析原因。
四、实验注意事项•全班学生拟分成3-4组；•先进行安全教育和设备使用的讲解；•关键步骤教师先进行示范，并全程监控学生实验。
五、实验报告要求•写出实验目的、原理和步骤；•绘出硬度与变形量、退火后硬度与变形量、退火后硬度与退火温度的关系曲线；•说明变形量对硬度的影响；•说明在相同的温度与保温时间条件下，变形量不同对再结晶后硬度的影响；•说明在相同的变形量与保温时间条件下，不同温度对再结晶后硬度的影响；•分析其中的原因。
六、思考题•分析金属的堆垛层错能高低对冷变形组织、静态回复、动态回复、静态再结晶和动态再结晶的影响。
•退火温度的升高，变形组织将依次发生哪些变化？•回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来哪些影响？•影响材料的硬度的主要因素有哪些？。
第四章金属的塑性变形与再结晶
第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷，需要经压力加工再使用。
金属的压力加工，就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。
压力加工不仅改变其外形尺寸，且使内部的组织和性能发生改变。
因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律，对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加工的工艺，提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。
第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形，掌握多晶体的塑性变形。
[教学重点] 多晶体的塑性变形。
[教学难点] 多晶体的塑性变形。
[教学方法] 讲授。
[教学内容]所有变形中，塑性变形对组织和性能的影响最大。
为认识塑性变形的规律，首先研究单晶体的塑性变形。
一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。
1 滑移切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动，称为滑移。
外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。
σN引发弹性变形和脆性断裂，断口呈金属光泽；τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂，断口灰暗无光泽。
滑移变形的5个要点：1)滑移只能在切应力作用下发生；2）滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
（原因：最密排晶面之间的距离最远；最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小）3）滑移必然伴随着晶体的转动（正应力引起）。
4）滑移是滑移面上的位错运动造成的。
位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。
如铜刚性滑移要1540MPa，实际只有1MPa。
二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中，晶界原子的排列不规则，局部晶格畸变严重，且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。
位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。
《机械工程材料(第2版)》电子教案 第4章 金属的塑性变形与再结晶
4.1金属的塑性变形 4.2冷塑性变形对金属性能与组织的影响 4.3回复与再结晶 4.4金属的热塑性变形
4.1 金属的塑性变形
4.1.1单晶体的塑性变形
单晶体受外力作用，当外力较小时，发生弹性变形，当外力超 过一定数值后，发生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以 滑移的方式进行的。即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向 相对于另一部分发生滑动。晶体中能够发生滑移的晶面和晶 向，称为滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向越多，金属 的塑性越好。
在工业生产中，为保持金属经冷塑性变形后的高强度，往 往采取回复处理，以降低内应力，适当提高塑性。例如冷拔 钢丝弹簧加热到250—300℃，青铜丝弹簧加热到120～150℃， 就是进行回复处理，使弹簧的弹性增强，同时消除加工时带 来的内应力。
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4.3 回复与再结晶
2.再结晶
当冷塑性变形金属加热到较高温度时，由于原子活动能力 增加，原子可以离开原来的位置重新排列。由畸变晶粒通过 形核及晶核长大而形成新的无畸变的等轴晶粒的过程称为再 结晶。再结晶过程首先是在晶粒碎化最严重的地方产生新晶 粒的核心，然后晶核吞并旧晶粒而长大，直到旧晶粒完全被 新晶粒代替为止。
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4.2 冷塑性变形对金属性能与组织 的影响
金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是 由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
1.形成纤维组织，性能趋于各向异性 2.产生冷变形强化 3.形成形变织构 （择优取向） 4.产生残留应力
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4.3 回复与再结晶
1.回复
当加热温度不太高时，原子活动能力有所增加，原子已能 作短距离的运动，使晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力 有所降低，这个阶段称为回复。然而这时的原子活动能力还 不是很强，所以金属的显微组织无明显变化，因此力学性能 也无明显改变。、硬度显著下降，塑性显著上升，使变形金属的组织 和性能基本上恢复到变形前的状态。
金属的冷变形强化、回复和再结晶
在临界变形速度 C之后，消耗于金属塑性变 形的能量转化为热能，即热效应。由于热效应的 作用，使金属温度升高，塑性上升，变形抗力减 小，金属易锻压加工。
3．应力状态 挤压时金属三个方向承受压应力，如图11-89a所示 。在压应力的作用下，金属呈现出很高的塑性。拉拔时 金属呈两向压应力和一向拉应力状态，如图 11-8b 所示 。拉应力易使金属内部的缺陷处产生应力集中，增加金 属 破 裂 倾 向 ， 表 现 出 金 属 的 塑 性 下 降 。
机械制造基础
第十一章
二、金属的冷变形强化、回复和再结晶
(一) 金属的加工硬化（冷变形强化） 金属在低温下进行塑性变形时，随着 变形程度的增加，金属的硬度和强度升高 ，而塑性、韧性下降，这种现象称为金属 的冷变形强化或加工硬化。
冷变形强化是强化金属的重要途径之一，尤其是对 一些不能用热处理强化的金属材料显得特别重要，如 低碳钢、纯铜、防锈铝、镍铬不锈钢等，可通过冷轧 、冷挤、冷拔、冷冲压等方法来提高金属强度、硬度 。
机械制造基础
第十一章
(二) 锻造比 锻造比是表示金属变形程度大小的参数。具体计算如下： y拔长 = S0／S（视频） y镦粗 = H0／H（视频） 式中 S0、S —— 拔长前、后金属坯料的横截面积； H0、H —— 镦粗前、后金属坯料的高度； 锻造比越大，热变形程度也越大，热加工流线也越明显， 其金属组织、性能改善越明显。
第四章金属及合金的塑性变形和再结晶3
在回复阶段，金属组织 在回复阶段， 变化不明显，其强度、 变化不明显，其强度、 硬度略有下降， 硬度略有下降，塑性略 有提高，但内应力、 有提高，但内应力、电 阻率等显著下降。 阻率等显著下降。 工业上，常利用回复现 工业上， 象将冷变形金属低温加 热，既稳定组织又保留 加工硬化， 加工硬化，这种热处理 去应力退火。 方法称去应力退火 方法称去过程， 和长大的过程，但不是相 变过程， 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。 全相同。
SEM-再结晶晶粒在原 再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核 再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上
冷变形奥氏体不锈钢 加热时的再结晶形核
由于再结晶后组织的复 原，因而金属的强度、 因而金属的强度、 金属的强度 硬度下降，塑性、 硬度下降，塑性、韧性 提高，加工硬化消失。 提高，加工硬化消失。
冷变形(变形量为 黄铜580C 冷变形 变形量为38%)黄铜 变形量为 黄铜 保温15分后的的再结晶组织 保温 分后的的再结晶组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
丝织构 板织构 无 有
各向异性导致的铜板 “制耳” 制耳”
形变织构示意图
二、对性能的影响 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高， 性、韧性下降的现象称加工硬化。 韧性下降的现象称加工硬化。 加工硬化
1040钢(0.4%C)
黄铜 黄铜 铜 1040钢 (0.4%C)
第三节 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 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 原子扩散能力小, 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 不稳定状态可长时间维持。 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 回复
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4.1.1 单晶体的塑性变形
孪生的特点 ① 改变晶体取向，与母体之间存在镜面对称关系 ② 在切应力下发生，通常出现在滑移受阻的应力集中
加热温度的高低可用约化温度TH表示
TH
T Tm
式中 T—用热力学温度表示的加热温度
Tm—用热力学温度表示的金属的熔点 低温回复：0.1<TH≤0.2
移动到晶界或位错处消失
点缺陷迁移 空位与间隙原子相遇复合
点缺陷密度下降
空位集结
去应力退火：对冷变形金属低温加热，既稳定组织， 降低内应力，又保留加工硬化
丝织构：拔丝时形成的织构，其各晶粒的某一晶向大 致平行于拔丝方向
板织构：轧板时形成的织构，其各晶粒的某一晶面和 晶向大致与轧面和轧向平行
4.4.2 塑性变形对金属性能的影响
(1)残余应力
残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形,甚至开裂, 或经淬火、磨削后表面会出现裂纹,还会严重影响塑性 、冲击韧性、疲劳强度。冷塑性变形的金属材料及工 件需要进行去应力退火处理。
⑤ 溶质原子与位错的交互作用越强，强化作用越好。
⑥ 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，强化效 果越明显。
4.4 塑性变形对金属组织和性能的影响
4.4.1 塑性变形对金属组织的影响 拉伸变形时,晶粒会沿拉伸方向伸长
4.4.1 塑性变形对金属组织的影响
纤维组织：当变形量很大时，晶粒变得细长，晶界模 糊不规则,呈现纤维状，分布方向即为材料流变伸展的 方向，沿纤维方向的强度高于横向强度
晶粒的过程 驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能 特征：
①形核长大过程 ②非相变过程，新、旧晶粒成分及晶格结构完全相同 ③组织复原，塑性、韧性提高，强度、硬度下降，加 工硬化作用消失
4.5.1 回复与再结晶过程
形核机制： ①凸出形核机制、②亚
晶合并机制、③亚晶迁 移机制
影响因素： ①变形程度、②原始晶
面心立方＞体心立方＞密排六方
4.1.1 单晶体的塑性变形
临界分切应力：滑移的发生需要外加应力在某一滑移 系上的分切应力达到临界值
设拉力F与滑移面的垂线方向的夹角为ϕ，拉力F 与滑移 方向的夹角为θ，则作用于滑移面沿滑移方向的分切应 力为
F cos F cos cos cos cos A0 / cos A0
4.5.1 回复与再结晶过程
中温回复：0.2<TH≤0.3
位错滑移
异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列
位错密度降低 亚晶规整化
高温回复：0.3<TH≤0.4 位错攀移＋滑移
位错垂直排列 （亚晶界）
弹性畸变能降低
多边化 （亚晶粒）
4.5.1 回复与再结晶过程
(2)再结晶 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代原变形
4.2 合金的塑性变形
(1)单相固溶体合金的塑性变形 影响：①固溶强化；②屈服现象；③应变时效现象 溶质原子的分布情况：①无序分布、②偏聚分布、③
短程有序分布，一般具ຫໍສະໝຸດ 微观不均匀性 溶质原子晶格畸变
位错运动受阻，克服内应力场
阻力大于纯金属
4.2 合金的塑性变形
(2)多相混合物合金的塑性变形
4.1.1 单晶体的塑性变形
单晶体滑移时，滑移面 晶面向外力轴方向转动， 滑移方向向最大切应力 方向转动，轴线发生偏 斜。
实际拉伸试验中，试样 受到夹头的限制，滑移 面会向拉伸轴方向转动， 且试样两端发生一定的 变形以适应外部约束。
4.1.1 单晶体的塑性变形
(2)孪生 孪生发生时，晶体的一部
(4)第二相强化 第二相呈网状分布：对合金的强度和塑性均不利 第二相呈片状分布：多晶体内晶界增加，增强金属的
强度和硬度，但降低塑性和韧性
4.3 金属及合金的强化机制
(5)弥散强化 第二相粒子以更细小的方式弥散在基体金属中，合金
的塑性、韧性略有下降，强度、硬度会有显著提高。 第二相粒子颗粒越小,分布越均匀,强化效果越好,这种强
4.1.1 单晶体的塑性变形 (1)滑移 单晶体受到拉力作用会产生变形，在试样表面产生许
多与拉伸轴成一定角度的细线，表面呈现高低不一的 台阶状，通常称为滑移带。
4.1.1 单晶体的塑性变形
滑移线：一个滑移带内存在多个更小的相互平行的台 阶，滑移线之间的距离约100个原子间距左右,每个滑移 线的滑移量可达到1000个原子间距左右。
宏观残余应力
工件不同部分的宏观变形不均匀性， 存在于变形体各区域之间
微观残余应力
晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性， 存在于各晶粒之间
点阵畸变
工件在塑性变形中形成的大量点阵缺 陷，存在于晶体内部
4.4.2 塑性变形对金属性能的影响
(2)性能变化 ①加工硬化 ②引起金属的电阻率的增加，增加的程度与形变量成
粒尺寸、③微量溶质原 子、④第二相粒子、⑤ 再结晶退火工艺参数
铁素体变形80%
650℃加 热
670℃加热
4.5.1 回复与再结晶过程
再结晶温度：冷变形金属进行再结晶的最低温度。工 业上指经较大冷变形量(>70%)的金属，在一小时内完 成再结晶(体积分数≥95%)所对应的温度。
再结晶温度TR与其熔点Tm之间的关系为
4.5.1 回复与再结晶过程
(3)晶粒长大 再结晶后得到的晶粒一般为细小的等轴晶粒，继续提
高加热温度或延长保温时间，晶粒会自发长大。 晶粒长大是通过晶界的迁移进行的，是大晶粒吞并小
晶粒的过程。 晶界移动的驱动力：总界面能的降低 晶粒长大方式：正常晶粒长大、异常晶粒长大
(2)细晶强化 晶粒越细，强度越高，改善塑性和韧性： ①晶界阻碍位错运动，导致位错在晶界处的塞积 ②多滑移系的同时运动导致位错相互交割
Hall-Patch公式：多晶体屈服强度σs—晶粒平均尺寸d
1
s 0 Kd 2
式中 σ0—单晶的屈服强度； K —晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关
化方式称为弥散强化。
第二相粒子来源： ①粉末冶金法，通常属于不可变形粒子，其作用原理
可由奥罗万机制解释。 ②热处理产生的沉淀相：多属于可变形，其强化作用
多来源于位错对于第二相粒子的切割
4.3 金属及合金的强化机制
固溶强化的特点: ④ 间隙原子在体心立方晶体中引起的点阵畸变是非对
称性的，强化效果好于面心立方晶体，但由于固溶度 有限，强化效果也有限。
4.3 金属及合金的强化机制
(3)固溶强化 与纯金属相比，固溶体合金的强度和硬度较高，而塑
性和韧性下降。
固溶强化的特点: ① 合金溶解度范围内，溶质浓度越高，强化效果越好 ② 溶质与溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越好。 ③ 间隙原子所能引起的晶格畸变更大，故而间隙固溶
体的强化效果好于置换固溶体。
4.3 金属及合金的强化机制
固溶强化的特点: ④ 间隙原子在体心立方晶体中引起的点阵畸变是非对
称性的，强化效果好于面心立方晶体，但由于固溶度有 限，强化效果也有限。
⑤ 溶质原子与位错的交互作用越强，强化作用越好。
⑥ 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，强化效 果越明显。
4.3 金属及合金的强化机制
TR 0.35 ~ 0.45Tm
4.5.1 回复与再结晶过程
再结晶温度影响因素： ① 变形程度的影响 冷变形越大，储能越多，驱动力越大 →长大越快，T再越低 ② 原始晶粒 晶粒越细，变形抗力越大，变形后的储能越高 →T再越低 ③ 微量溶质 易于位错交互作用，阻碍形核和长大→提高T再 ④第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度 ⑤退火工艺：加热速度、加热温度、保温时间等
正火态
变形40%
工业纯铁在塑性变 形前后的组织变化
变形80%
4.4.1 塑性变形对金属组织的影响
位错在滑移过程中不断增殖、相互交割，形成位错缠 结，逐渐发展成胞状亚结构。
位错呈不均匀分布，高密度缠结位错集中区域形成胞 壁,胞内部的位错密度相对较低
4.4.1 塑性变形对金属组织的影响
形变织构：塑性变形过程中,各晶粒的滑移系会向主变 形方向旋转,形成择优取向
式中 A0 —试样横截面积 σ=F/A0—拉伸应力 cosφcosθ —取向因子，即Schmid因子
4.1.1 单晶体的塑性变形
当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45°角时，滑 移面上的切应力最大，滑移最易发生
当滑移面和滑移方向都与外力轴方向垂直或平行时， 滑移面上的切应力为0，不发生滑移。
区，临界切变应力大于滑移 ③ 均匀切变，每一层原子相对于孪生面的切变量与其
到孪生面的距离成正比 ④ 原子位移小于孪生方向原子间距
孪晶对于变形的贡献主要在于改变晶体取向，使原先 不利于滑移的取向改变为有利取向。
4.1.1 单晶体的塑性变形
孪生的分类
机械孪晶或变形孪晶：变形方式形成的孪晶，通常呈 透镜状或片状
4.5.1 回复与再结晶过程
(1)回复 回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和
性能变化的阶段 变化：
①点缺陷和位错会发生近距离迁移，如空位会和其它 缺陷合并,异号位错相遇而相互抵消等。
②多边形化，即位错运动导致其由冷塑性变形时的无 序状态变为垂直分布，形成亚晶界。
4.5.1 回复与再结晶过程
正比 ③影响磁化率，使抗磁性降低 ④最大磁导率随冷加工变形而减小,矫顽力随压缩率增
大而增大 ⑤应力方向与磁致伸缩系数为正的金属的伸缩同方向
时，促进磁化，反之起阻碍作用