第五章金属的塑性变形与再结晶
上海交大材基-第五章塑性变形与回复再结晶--复习提纲.
第5章材料的形变和再结晶提纲5.1 弹性和粘弹性5.2 晶体的塑性变形（重点）5.3 回复和再结晶（重点）5.4 高聚物的塑性变形学习要求掌握材料的变形机制及特征，以及变形对材料组织结构、性能的影响；冷、热加工变形材料的回复和结晶过程。
1．材料的弹性变形本质、弹性的不完整性及黏弹性；2．单晶体塑性变形方式、特点及机制（滑移、孪生、扭折）3．多晶体、合金塑性变形的特点及其影响因素4．塑性变形对材料组织与性能的影响；5．材料塑性变形的回复、再结晶和晶粒长大过程；6．影响回复、再结晶和晶粒长大的诸多因素（包括变形程度、第二相粒子、工艺参数等）7、结晶动力学的形式理论（J-M-A方程）8、热加工变形下动态回复、再结晶的微观组织特点、对性能影响。
9、陶瓷、高聚物材料的变形特点重点内容1. 弹性变形的特征，虎克定律（公式），弹性模量和切变弹性模量；材料在外力作用下发生变形。
当外力较小时，产生弹性变形。
弹性变形是可逆变形，卸载时，变形消失并恢复原状。
在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即服从虎克(Hooke)定律：式中E为正弹性模量，G为切变模量。
它们之间存在如下关系：弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结构不敏感参数。
在工程上，弹性模量则是材料刚度的度量。
2. 弹性的不完整性和粘弹性；理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。
3. 滑移系，施密特法则（公式），滑移的临界分切应力；晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成。
fcc和bcc，bcc的滑移系？滑移系多少与塑性之间的关系。
滑移的临界分切应力：如何判断晶体中各个滑移系能不能开动？解释几何软化和几何硬化？为何多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑移？4. 滑移的位错机制，派－纳力（公式）；为什么晶体中滑移系为原子密度最大的面和方向？5. 比较塑性变形两种基本形式：滑移与孪生的异同特点；6. 多晶体塑性变形的特点：晶粒取向的影响，晶界的影响；会判断多个晶体中哪些晶体会优先发生塑性变形？7. 细晶强化与Hall-Petch 公式， 高温晶界弱化的原因；晶粒细化为何能同时提高材料的强韧性？位错塞积群效应（应力集中区的应力数值等于外加切应力n 倍）可启动临近晶粒滑移，故高温合金为何要采用定向凝固技术获得单晶？晶界滑动机制和扩散性蠕变8. 固溶强化，屈服现象（吕德斯带），上下屈服点的柯垂耳理论和一般位错增殖理论，应变时效；d c dcττ= 金属有四大著名的强化机制，请给出这几种机制的名称，物理实质，定量描述其强化效果的数学公式。
金属的塑性变形与再结晶实验实验报告资料
金属的塑性变形与再结晶实验实验报告资料实验目的：通过实验研究金属的塑性变形与再结晶的过程，了解金属材料的性质及其应用。
实验原理：1.金属的塑性变形金属的塑性变形是指在外力作用下，金属发生形变而不断展开的一种过程。
金属的塑性变形具有以下特点：①金属塑性变形具有可逆性，即当外力解除时形变可回复。
②金属的塑性变形是沿晶的，即沿晶体内的晶体结构变形。
③金属的塑性变形具有连续性，即在一定应变范围内，应力与应变呈线性关系。
2.金属的再结晶金属的再结晶是指在金属塑性变形的过程中，原来的组织结构发生了某些变化，而在恰当的条件下，这些组织结构又恢复到了原来的状态，这种过程就叫做金属的再结晶。
金属的再结晶的特点如下：①金属的再结晶是晶体内部的结构调整。
②金属的再结晶能够使金属的内部应力有所缓和。
实验步骤：1.制备试样：准备金属的坯料，在坯料上打上“X”形切口，切口至深为材料厚度的1/2。
2.进行冷加工：采用箔冷机或轧制机进行冷加工，进行一定程度的压缩形变。
在经过一定拉伸形变后，在X形切口处出现了明显的变形。
3.进行再结晶退火：将试样放入电阻炉中进行再结晶退火，然后进行空冷，使试样的晶粒细化，且Z形切口处无明显变形。
4.进行显微组织观察：将试样进行金相试样制备和显微组织观察。
在加工前，金属材料的结构均匀且颗粒晶粒较大，大量晶界分布而成急促晶界。
在加工后，晶粒较小，分布均匀；试样表面被拉伸，并且形成了急促晶界。
在经过再结晶退火处理后，试样中的晶粒再次变小，形成了勾芡状晶粒，Z形切口处没有变形出现，晶界清晰。
实验结果：通过本次实验，我们得到了以下实验结果：1.金属材料在冷加工的过程中，晶粒会发生变形，形成急促晶界。
2.金属在经过适当的再结晶退火处理后，晶粒又会重新排列，形成勾芡状的晶籍，并且试样中没有变形现象。
实验分析：本次实验从实验原理、实验步骤、实验结果三方面说明了金属塑性变形和再结晶的过程，得到了较好的结果。
同时我们也认识到，产生分析实验结果的原因不外乎通往实验目的的基本原理和实验的步骤。
第五章塑性变形与回复再结晶--习题集
psi是一种压力单位，定义为英镑/平方英寸，145psi=1MpaPSI英文全称为Pounds per square inch。
P是磅pound，S是平方square，I 是英寸inch。
把所有的单位换成公制单位就可以算出：1bar≈14.5psi1 KSI = 1000 lb / in.2 = 1000 x 0.4536 x 9.8 N / (25.4 mm)2 = 6.89 N / mm2材料机械强度性能单位，要用到试验机来检测Density of Slip PlanesThe planar density of the (112) plane in BCC iron is 9.94 atoms/cm2. Calculate the planar density of the (110) plane and the interplanar spacings for both the (112) and the (110) planes. On which type of plane would slip normally occur?(112) planar density:The point of this problem is that slip generally occurs in high density directions and on high density planes. The high density directions are directions in which the Burgers' vector is short, and the high density planes are the "smoothest" for slip.It will help to visualize these two planes as we calculate the atom density.The (110) plane passes through the atom on the lattice point in the center of the unit cell. The plane is rectangular, with a height equal to the lattice parameter a0and a width equal to the diagonal of the cube face, which is 2 a0.Lattice parameter (height):Width:Thus, according to the geometry, the area of a (110) plane would beThere are two atoms in this area. We can determine that by counting the piece of atoms that lie within the circle (1 for the atom in the middle and 4 times 1/4 for the corners), or using atom coordinates as discussed in Chapter 3. Then the planar density isThe interplanar spacing for the (110) planes isFor the (112) plane, the planar density is not quite so easy to determine. Let us draw a larger array of four unit cells, showing the plane and the atoms it passes through.This plane is also rectangular, with a base width of √2 a0 (the diagonal of a cube face), and a height of √3 a0 (the body diagonal of a cube). It has four atoms at corners, which are counted as 1/4 for the portion inside the rectangle (4 x 1/4) and two atoms on the edges, counted as 1/2 for the portion inside the rectangle (2 x 1/2). This is a total of 2 atoms.Base width:Height:Hence, we can calculate the area and density as for the (110) plane.The planar density and interplanar spacing of the (110) plane are larger than that of the (112) plane, thus the (110) plane would be the preferred slip plane1．有一根长为5 m，直径为3mm的铝线，已知铝的弹性模量为70GPa，求在200N的拉力作用下，此线的总长度。
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。
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。
工业纯铝的塑性变形与再结晶实验方案
实验方案金属的塑性变形与再结晶一，实验目的1、观察显微镜下滑移线、变形孪晶的特征；2、了解金属经冷加工变形后显微组织及性能的变化；二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。
所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动实质为位错沿滑移面运动的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微姐织是由许多滑移带所组成。
另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的—部分以一定的晶面为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。
所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。
2、变形程度对金属组织和性能的影响变形前金属为等轴晶粒，轻微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长，当变形程度很大时，则加剧剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。
由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。
随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。
3、形变金属在加热后组织和性能的影响变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常，但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。
这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。
变形后金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。
金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（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。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
材料科学基础A习题答案第5章[1]解析
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材料科学基础A习题第五章材料的变形与再结晶1、某金属轴类零件在使用过程中发生了过量的弹性变形，为减小该零件的弹性变形，拟采取以下措施：（1）增加该零件的轴径。
（2）通过热处理提高其屈服强度。
（3）用弹性模量更大的金属制作该零件。
问哪一种措施可解决该问题，为什么？答：增加该零件的轴径，或用弹性模量更大的金属制作该零件。
产生过量的弹性变形是因为该金属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减小其承受的应力，故可减小其弹性变形；用弹性模量更大的金属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能力，也可减小其弹性变形。
2、有铜、铝、铁三种金属，现无法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这几种金属的其他各种数据可以查阅到。
请通过查阅这几种金属的其他数据确定铜、铝、铁三种金属弹性模量大小的顺序（从大到小排列），并说明其理由。
答：金属的弹性模量主要取决于其原子间作用力，而熔点高低反映了原子间作用力的大小，因而可通过查阅这些金属的熔点高低来间接确定其弹性模量的大小。
据熔点高低顺序，此几种金属的弹性模量从大到小依次为铁、铜、铝。
3、下图为两种合金A、B各自的交变加载-卸载应力应变曲线（分别为实线和虚线），试问那一种合金作为减振材料更为合适，为什么？答：B合金作为减振材料更为合适。
因为其应变滞后于应力的变化更为明显，交变加载-卸载应力应变回线包含的面积更大，即其对振动能的衰减更大。
4、对比晶体发生塑性变形时可以发生交滑移和不可以发生交滑移，哪一种情形下更易塑性变形，为什么？答：发生交滑移时更易塑性变形。
因为发生交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易塑性变形。
5、当一种单晶体分别以单滑移和多系滑移发生塑性变形时，其应力应变曲线如下图，问A、B中哪一条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？应力滑移可导致不同滑移面上的位错相遇，通过位错反应形成不动位错，或产生交割形成阻碍位错运动的割阶，从而阻碍位错滑移，因此其应力-应变曲线的加工硬化率较单滑移高。
第5章 材料的形变和再结晶4
steel or, lead. Platinum and white gold are, at present, the most popular materials.
White gold（白金） is an alloy of gold (i.e., it is gold and silver or palladium（钯）. This is where the concept of Karat (开，克拉) comes in. Karat is a measure of the purity of the material.
2. 晶粒越细，塑韧性提高
细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生； 晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较 多能量,表现出高韧性。
晶界在塑性变形中的作用
协调作用：协调相邻晶粒变形
障碍作用：阻碍滑移的进行 促进作用：高温变形时两相邻晶粒沿晶界滑动 起裂作用：晶界阻碍滑移晶界应力集中
Strength or elongation
Cu
回答：为什么钻戒不用纯金而是用白金作为托 架的问题？
利用合金固溶强化理论，白金的硬度显然比纯金的高 ，以保证钻石不会从戒指中脱落。
4）屈服现象与应变时效
①屈服现象
上屈服点：试样开始屈服时对应的应力
下屈服点：载荷首次降低的最低载荷 屈服伸长：试样在此恒定应力下的伸长
拉伸试验时， p 接近于恒定。
m'
塑形变性前，ρm很低，v很大，τ 很大；这就是上屈服点 高的原因。
3. 弥散强化 4. 加工硬化
6. 应变时效
7. 柯氏气团 8. 形变织构
Questions?
1. 为什么工程上很少用纯金属？
第五章-材料的形变和再结晶
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
精选2021版课件
5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
实验五--金属的塑性变形与再结晶--实验报告
一，实验目的1、观察显微镜下滑移绒、变形孪晶与退火孪晶的特征；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、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。
所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微姐织是由许多滑移带(平行的黑线)所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：各晶粒内滑移带的方向不同(因晶粒方位各不相同)，各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多(即变形量大)，有的晶粒内滑移带少(即变形量小)；在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象(在面心立方晶格情况下很易发现)，即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的—部分以一定的晶面(孪晶面或双晶面)为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。
所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。
在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。
对体心立方结构的a一F，在常温时变形以滑移方式进行，而e在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形，而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。
第五章 金属的塑性变形及再结晶
孪生所需要的切应力很大。
滑移易进行。
二、多晶体金属的塑性变形
1、多晶体拉伸试验
（1）多晶体和单晶体对比试验
（2）两个晶粒试样拉伸
2、多晶体塑性变形的特点
1）每个晶粒内：滑移和孪生； 2）整个晶体：既要克服晶界的阻碍，又要同周围晶粒同时发生相 适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否 则会导致晶体破裂。
三种典型金属晶格的滑移系
（A）体心立方晶格滑移系： 6 ×2 = 12
滑移面： {110} 6个 滑移方向：<111> 2个。
{110} <111>
（B）面心立方晶格滑移系： 4 ×3 = 12
滑移面： {111} 4个 滑移方向：<110> 3个
<110>
{111}
（C）密排六方晶ห้องสมุดไป่ตู้滑移系： 1 ×3 = 3
第五章 金属的塑性变形及再结晶
锻造 挤压
车 铣
轧制
成形加工工艺
金属获得一定的形状和尺寸
拉拔
金属塑性变形
刨
切削加工工艺
金属内部组织与结构变化
钻
改变晶粒大小、形态、分布
金属加热再结晶
改善金属材料的性能
§2-1 金属的塑性变形
P
一、单晶体金属的塑性变形
在室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。
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。少数处于优越条件 的晶粒优先长大，迅速吞食周围的大量小晶粒，最后得到异常粗 大的晶粒，也称“二次再结晶”。
金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形冷塑
3.1.2 冷塑性变形对金属性能与组织的影响
1.冷塑性变形对金属显微组织的影响 2.亚结构的变化 3.形变织构的产生 形变织构有两种类型: ①拔丝时形成的形变织构称为丝织构，其主要特 征为各晶粒的某一晶向趋于平行于拉 拔方向。 ②轧板时形成的形变织构称为板织构，其主要特 征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋 于平行于 轧制面和轧制方向。
3.2 高分子材料的变形特点
3.2.1 高聚物的弹性变形 图3-7是橡胶的拉伸曲线。
图3-7 橡胶的拉伸曲线
3.2.2 高聚物的黏弹性变形 3.2.3 线型高聚物的变形特点 如图3-8(a)所示。
图3-8 线型高聚物的应力-应变曲线
3.2.4 体型高聚物的变形特点
图3-9 环氧树脂在室温下 单向拉伸和压缩时的应力-应变曲线
思考题
3-1 什么是滑移?
3-2 单晶体塑性变的最基本方式是什么?在实际晶体中，它是通过 什么来实现的?
3-3 多晶体的塑性变形比单晶体复杂，它的不同点主要表现在哪几个 方面?
3-4 塑性变形对金属性能的影响有哪些?
3-5 什么是加工硬化?它在生产中有何利弊?如何消除加工硬化?
3-6 简述加热温度对冷塑性变形金属的组织和性能的影响。
3-7 实际生产中，金属的再结晶温度是如何确定的?
3-8 热加工与冷加工的本质区别是什么?它对金属的组织和性能有何 影响?
3-9 简述高聚物的变形特点。
3-10简述陶瓷的变形特点。
目录
3.晶粒长大
3.1.4 金属的热塑性变形
1.热加工与冷加工的本质区别 金属的冷塑性变形加工和热塑性变形加工是以再结 晶温度来划分的。 凡在金属的再结晶温度以上进行的加工，称为热加 工，如锻造热轧等; 在再结晶温度以下进行的加工称为冷加工，如冷轧 冷拉等。 2.热加工对金属组织和性能的影响 (1)消除铸态金属的组织缺陷 (2)细化晶粒 (3)形成纤维组织 (4)形成带状组织
第5章 材料的形变和再结晶3
常见金属加工方法
(a) Rolling. (b) Forging (open and closed die). (c) Extrusion (direct and indirect).(d) Wire drawing. (e) Stamping.
正应力（Normal stress）的作用
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原
子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形； 正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现
断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形， 但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向
三种典型晶格的滑移系
6 <11-20>
(0001)
48
面心立方 的滑移系
BCC: {110}6<111>2+{112}12<111>1+{123}24<111>1 =48
面心立方晶体中的滑移系
密排六方晶体中的滑移系
基面滑移面 圆锥滑移面
棱柱滑移面 按室温以上热激活能力的顺序密排六方镁的滑移面和滑移方向
Density)。
滑移系：由滑移面和此面上的一个滑移方向所组成。
FCC (111)Plane <110>direction
为什么滑移面往往是原子最密排的晶面？
这个问题将在后面回答
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？。
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。
第五章、形变和再结晶
形变和再结晶弹性变形时，出现的有别于理想弹性变形的现象，称之为弹性的不完整性包申格效应弹性的不完整性材料经预先加载产生少量塑性变形。
而后同向加载则屈服强度增加，反向加载则屈服强度降低。
弹性后效在弹性极限内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象弹性滞后应变落后于应力，在应力-应变曲线上加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后滑移系数目：BCC﹥FCC﹥HCP滑移的临界分切应力（定值）反映单晶体受力起始屈服的物理量晶体中的多个滑移系并非同时参与滑移，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，该滑移系方可首先进行滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力F／A ＝σs滑移面趋向于与轴向平行滑移方向趋向于最大分切应力方向取向因子（施密特因子）任一给定Φ角，若Φ+λ＝90°，滑移方向位于F与滑移面法线所组成的平面上，沿此方向，所需切应力较小，得到以下两个结论❶当Φ=45°时，取向因子具有最大值0.5。
以最小的拉应力达到发生滑移所需的分切应力，σs最小❷Φ=90°/λ=90°，取向因子为0，不能产生滑移Φ由45→0°或由45→90°，σs↑(变硬)取向因子大的为软取向取向因子小的为硬取向hcp晶体软/硬取向σs差距很大fcc晶体软/硬取向σs差距不大(2倍)——思考：为什么？•b——滑移方向上的原子间距• a ——滑移面的面间距•ν——泊松比•W=a/(1-ν)——位错宽度τP-N= 2G/(1-ν)exp(-2πW/b) 派一纳（P-N）力滑移的特点：滑移总是沿密排面上的密排方向进行（P-N）力小，则屈服应力低，反之亦然（3）滑移和孪生1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。
——同2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生——异3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化；孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移——异4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％），但引起的晶格畸变大。
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
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7
第一节 金属的塑性变形
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性 也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 大。
面心立方晶格＞体心立方晶格＞密排六方晶格
Cu、Al
Fe
Mg、Ti、Zn
2021/3/11
8
第一节 金属的塑性变形
⑶ 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的 整数倍。
滑移的结果在晶体 表面形成台阶，称 滑移线，若干条滑 移线组成一个滑移 带。
㈠ 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶
面和晶向相对于另一部分发生滑动 位移的现象。
2021/3/11
4
第一节 金属的塑性变形
1、滑移变形的特点（难点）
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最
小切应力称临界切应力 K
2021/3/11
5
第一节 金属的塑性变形
⑵ 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 密度最大的晶面和晶 向之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑 移所需切应力最小。
2021/3/11
9
第一节 金属的塑性变形
滑移带
2021/3/11
铜拉伸试样表面 滑移带
10
第一节 金属的塑性变形
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动
2021/3/11
11
第一节 金属的塑性变形
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动，所需的理论临界切应力值
比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。 实际上，滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
多脚虫 的爬行
2021/3/11
12
第一节 金属的塑性变形
晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错 中心的少数原子发生移动，它们移动的距 离远小于一个原子间距，因而所需临界切 应力小，这种现象称作位错的易动性。
2021/3/11
13
第一节 金属的塑性变形
㈡ 孪生
孪生是指晶体的一部 分沿一定晶面和晶向 相对于另一部分所发 生的切变。
生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹
性变形便成为塑性变形晶粒
的变形阻力。由于晶
粒间的这种相互约束，
使得多晶体金属的塑
空隙
重叠
性变形抗力提高。
2021/3/11
18
第一节 金属的塑性变形
㈡ 多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是位向处于有利于变形的晶 粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻 晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系 上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在
外 力
任何晶面上都可分解为
在 晶
正应力和切应力。正应
面 上
力只能引起弹性变形及
的 分
解
解理断裂。只有在切应
力的作用下金属晶体才
能产生塑性变形。
2021/3/11
切
锌
应
单
力
晶
作
的
用
拉
下
伸
的
照
变
片
形
3
第一节 金属的塑性变形
塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发 生塑性变形。
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，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子重新排
列时发生错排而产生的。
2021/3/11
16
第一节 金属的塑性变形
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。
韧性下降的现象称加工硬化。
1040钢(0.4%C)
屈服强度，MPa 伸长率，%
黄铜 铜
2021/3/11
冷塑性变形量，%
黄铜
1040钢 (0.4%C) 铜
23
冷塑性变形量，%
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
产生加工硬化的原因是： 1、随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交 互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。
2021/3/11
孪生面
14
孪生带
第一节 金属的塑性变形
• 孪生的结果使孪生面第一节 金属的塑性变形
与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速； 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
种现象称织构或择优取向。
形变织构使金属呈现各 向异性，在深冲零件时， 易产生“制耳”现象，
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
丝织构
板织构
使零件边缘不齐，厚薄
不匀。但织构可提高硅 钢片的导磁率。 2021/3/11
形变织构示意图
22
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
二、加工硬化 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方
向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
2021/3/11
6
一个滑移面和
其上的一个滑
移方向构成一
个滑移系。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面{110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
密排六方晶格
滑移系 2021/3/11
晶粒，当有大量晶
粒发生滑移后，金
属便显示出明显的
塑性变形。
σ
σ
2021/3/11
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带
19
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
（重点）
一、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其
内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变
得模糊不清。
2021/3/11
20
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
工业纯铁在塑性变形前后 的组织变化
(a)正火态
2021/3/11
(b)变形40%
(c)变形80%
21
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
由于晶粒的转动，当塑性变形达到 一定程度时，会使绝大部分晶粒的
某一位向与变形方向趋于一致，这
㈠ 晶界及晶粒位向的影响
1、晶界的影响
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。
（晶界强化） 2021/3/11
17
第一节 金属的塑性变形
2、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变
形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发
第五章 金属的塑性变形与再结晶
2021/3/11
1
第一节 金属的塑性变形
塑性变形：外力去除后永久残留的变形，塑 性是材料断裂前变形的能力
实际生产中，有的是直接利用塑性变形对材 料进行加工（如锻、轧、拉拔、挤压），有 的是力求避免或减少塑性变形（如铸造、焊 接、热处理）。
2021/3/11
2
第一节 金属的塑性变形