华南理工大学机械工程材料第三章

T0—金属熔点温度
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第四节 回复与再结晶
二、再结晶——再结晶过程
T↑↑，原子活动能力↑↑ ●显微组织明显变化→新的等轴晶 ●加工硬化↓↓， 力学性能和物理性能恢复 再结晶退火：消除加工硬化
重结晶：固态金属及合金在加热(或冷 却)通过相变点时，从一种晶体结构转 变为另一种晶体结构的过程。 再结晶与重结晶的异同： ① 都是形核与长大的过程 ② 再结晶的晶格类型、成分不变，在一个温度范围内进行 ③ 重结晶的晶格类型变化——相变过程，恒温进行
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——孪生
在切应力的作用下晶体的一部分沿一定的晶面 (孪生面) 和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分作均匀切变。
孪生变形示意图
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——孪生
在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪 晶面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍。
hcp
hcp: {0001} 1 × <1120> 3 = 3
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点 bcc: {110} 6 × <111> 2 = 12 fcc: {111} 4 × <110> 3 = 12 hcp: {0001} 1 × <1120> 3 = 3
三种典型金属晶格的滑移系
二、多晶体的塑性变形
基本形式：滑移、孪生 不同点：晶界、位向差 ● 特点: (1) 不同时性——逐批进行
立体图 前视图
(2) 相互协调性——变形抗力比单晶体高
(3) 不均匀性——造成内应力
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第二节 金属的塑性变形
二、多晶体的塑性变形 ● 晶粒大小的影响
晶粒细而均匀：
(1) σb↑: 晶界↑，塑变抗力↑，强度↑
(3) 点阵畸变（第三类）——缺陷（位错和空位）↑↑ 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。
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第四节 回复与再结晶
经过塑性变形的金属，其组织结构发生了变化，即晶 格畸变严重，位错密度增加，晶粒碎化，并因金属各部分 变形不均匀，引起金属内部残留内应力，这都使金属处于 不稳定状态，使它具有恢复到原来稳定状态的自发趋势。
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 。

当一根位错移动到晶体表面时，便产生一个原子间距
的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则在
晶体表面形成一条滑移线。 滑移带：多根滑移线构成一条滑移带。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
（2）亚结构细化、位错密度增加
亚结构直径：10-2cm → 10-4～10-6cm →位错密度↑
金属冷加工后的亚结构示意图
5%冷变形纯铝中的位错网
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
2、产生加工硬化
加工硬化：塑性变形程度↑，强度、硬度↑，塑性、韧性↓ 产生原因： 位错运动、互相交割→塞积、割阶、固定、缠结等 → 阻碍
——晶界强化
细晶强化——工业生产中重要的强化方法； (2) 塑性、韧性↑：变形分散、均匀，变形量↑→塑性、 韧性↑； (3) 内应力↓。
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
1、晶粒变形
（1）纤维组织： 金属经塑性变形后晶粒沿变形方向拉长、压扁，当变形
量↑↑时, 成细条状或纤维状 ——性能具有明显的方向性
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பைடு நூலகம்
第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
(3) 滑移是由于滑移面上的位错运动造成的 额外半原子面 额外半原子面
额外半原子面
位错运动方向
滑移线： 因位错滑移导致大量的位错线不断 移出而在晶体表面形成的滑移台阶。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点

晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数
在常温下，由于金属原子的活动能力很弱，这种恢复 过程很难进行。如对塑性变形的金属进行加热，则因原子 活动能力增强，就会发生，一系列组织与性能的变化。 随着加热温度的升高，这种变化过程可分为回复、 再结晶及晶粒长大三个阶段。
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第四节 回复与再结晶
温度↑ ，保温时间 ↑ → 回复、再结晶和晶粒长大
变形金属在加热时组织与性能变化示意图
这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向
发生变化。 变形部分与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对 称的位向关系。通常把对称的两部分晶体称为孪晶或双晶。 形成孪晶的过程称为孪生。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——孪生
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;
铁的变形织构示意图
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3、变形织构

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，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高
硅钢片的导磁率。
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
4、残留内应力和点阵畸变
金属塑性变形时，外力所作的功大部分转化为热能，还有一小部分 (<10%)保留在金属内部，成为储存能，表现为残留内应力和点阵畸变。
晶格 滑移面 {110} {110} 滑移 方向 滑移系
体心立方晶格 {111}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
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第二节 金属的塑性变形
滑移系数越多，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。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。
孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
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，称
退火孪晶。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的两种塑性变形比较
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
(4) 滑移的同时伴随着晶体的转动。 外力作用在单晶体上，它在某晶面 上所分解的切应力使晶体发生滑移， 而正应力则组成一力偶，使晶体滑 移面向外力方向转动，滑移方向向 最大切应力方向转动。 转动的原因：晶体滑移后 使正应力分量和切应力分 量组成了力偶。
F A
0
A
1
F
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
金属的变形特性和常用力学性能指标 金属的塑性变形 塑性变形对组织和性能的影响 回复与再结晶 金属的热加工
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第三章 金属的塑性变形与再结晶
铸态组织： 晶粒粗大、组织不均匀、成分偏析及组织疏松 压力加工（塑性变形）： 1、得到预期外形的工件 2、改善金属内部组织，提高金属的强度和韧性
2
第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形—滑移、孪生
滑移——主要变形方式
晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)和晶
向(滑移方向)发生相对位移。
锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
单晶体滑移示意图
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
(1) 只能在切应力作用下发生。
产生滑移的最小切应力称临界
软位向：Φ=45°, λ=45°. 当滑移面法线、滑移方向、外力轴处于 同一平面，且Φ=45°、λ=45°，取向因子 =0.5，分切应力最大，最有利于滑移。 硬位向： Φ =900或λ=900 ∵外力∥滑移面(Φ=900)或垂直 (λ=900)时，取向因子=0，σs=∞，滑移无法进行。
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第二节 金属的塑性变形
(1) 宏观内应力（第一类）——各部分变形不均匀而造成
(2) 微观内应力（第二类）—— 各晶粒或亚晶粒内变形不
均匀而造成 (3) 点阵畸变(第三类）——缺陷（位错和空位）↑↑ ① 强度、硬度↑ ② 变形金属能量↑ ——热力学不稳定状态 “回复与再结晶”驱动力
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
4、残留内应力和点阵畸变
滑移的临界分切应力—开始滑移所需要的最小分切应力
设 ：一圆柱形单晶体受到轴向拉力 F的
作用，晶体的横截面积为A，F与滑移方 向 的 夹 角为 Φ ， 那么 滑 移 面的 面 积 为 A/cosΦ，F在滑移方向上的分力为Fcosλ。
外力F在滑移方向上的分切应力为：
F cos F cos Φ cos A / cos Φ A
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第四节 回复与再结晶
一、回复——去应力退火
特点：组织、性能变化不大，但电阻率和微观内应力显著降低 随T↑，分两个阶段： 1. 点缺陷密度↓:点缺陷运动→晶界、位错或相互作用消失 电阻率↓ 。 2. 多边形化：位错从高能量混乱排列→低能量规则排列，成 小角度亚晶界 内应力↓ ↓
回复温度 = (0.25~0.3) T0
原晶粒 原晶粒
变形晶粒 变形晶粒
新形成的小晶粒 新形成的小晶粒
全部新晶粒 全部新晶粒
残留的变形晶粒 残留的变形晶粒
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
工业纯铁不同变形度的显微组织
变形10% 100×
变形40% 100×
变形80%
100× 纤维组织
当金属中有杂质存在时，杂质也会沿变形方向拉长为细带状 （塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质）。
滑移方向 <1 1 0> <1 1 1> <1 1 1> <1 1 2 0> <1 1 2 0>
密排六方
Be、Co、Mg、Zn、Cd α-Ti
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第二节 金属的塑性变形
bcc fcc
bcc: {110} 6 × <111> 2 = 12 fcc: {111} 4 × <110> 3 = 12
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第二节 金属的塑性变形
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
滑 移 系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。 滑移系数：滑移面数×滑移面上的滑移方向数
滑移系数↑（滑移系相同时滑移方向↑），塑性↑
晶体结构 面心立方 体心立方
材料 Al、Cu、Ni α-Fe Mo、Nb、Ta
滑移面 {1 1 1} {1 1 0}{1 1 2}{1 2 3} {1 1 0} {0 0 0 1} {1 0 1 0}
位错进一步运动→变形抗力↑
意 义： 1.使压力加工制品截面均匀；
2.提高金属强度、硬度和耐磨性。
——不能热处理强化的纯金属和某些合金
3.不利于继续变形—须用再结晶退火消除之。
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
3、变形织构
当变形量↑↑↑时，因晶粒转动而使各晶粒的取向会趋于一致 而形成的结构。 ● 某晶面（晶向）//外力方向：板（丝）织构； ● 产生织构后：性能有方向性，纵优于横， 一般不利（如冲压时的制耳现象 有时可利用，如硅钢片〈100〉丝织构，导磁率↑
当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值， 滑移就会在该滑移系上进行，此时，F/A=σs（屈服极限）。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
滑移的临界分切应力(τk)—开始滑移所需要的最小分切应力。
k s cos cos k 或 s cos cos cos cos称为取向因子
切应力. 外力分解：
切应力：平行于滑移面。 使晶格在发生弹性歪扭之后 进一步造成滑移。 正应力：垂直于滑移面， 使晶格弹性伸长，甚至进一 步把晶体拉断（正断）。
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
(2) 沿晶体中原子密度最大的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)发生 因为最密排晶面之间的面间距和最密排晶向之间的原子列间 距最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下便能引起 它们之间的相对滑动。 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。 在体心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是{110}，具有 最大原子密度的晶向是<111> 在面心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是{111}，具有 最大原子密度的晶向是<110>
滑移时晶体转动示意图
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第二节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形——滑移的特点
(4) 滑移的同时伴随着晶体的转动 因晶体的转动使滑移面法向 与外力轴的夹角越来越远离 45°， 滑移越来越困难，这种现象称为 “几何硬化” (5) 滑移前后晶体点阵类型不变， 晶体位向也不变。
F F A
0
A
1
滑移时晶体转动示意图