东南大学考研专用材料科学基础第9章 塑性变形
《材料科学基础》材料的塑性变形
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
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1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
34
35
第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
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多晶体中晶粒取向
37
一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于 另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑 移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
一、4.塑性变形及其性能指标
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4.6.1 缩颈
描述：一些金属材料和高分子材料在拉伸时，变 形集中于局部区域的特殊状态，它是在应变硬化 与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑 性变形的发展，使变形集中于试样局部而产生的。
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4.6.2 产生缩颈的工程应力
应变硬化 系数K
应变硬化 指数n
n b K e
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小结
金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、 应力状态、温度等极为敏感的力学性能。 改变金属材料的成分或热处理都可使屈服 强度产生明显变化。
对金属材料感兴趣的同学可以参考金属学方 面的参考书和资料。
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4.5 应变硬化
定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后， 随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称 为应变硬化。 应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性
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4.2.2.3 屈服强度的应用
屈服强度是工程技术上最重要的力学性能 指标之一。
作为防止过量塑性变形的参考依据。 根据屈服强度与抗拉强度比的大小，衡量材 料进一步产生塑性变形的倾向。如：金属冷 加工和防止脆断。
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4.3 影响金属材料屈服强度的因素 4.3.1 晶体结构 金属材料的屈服过程主要是位错的运动。 纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错 开始运动所需的临界切应力，由位错运动所 受的各种阻力决定，包括：晶格阻力、位错 间交互作用产生的阻力等。
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4.1 塑性变形机理
材料的塑性变形：是微观结构的相邻部分 产生永久性位移，但并不引起材料破裂的 现象。
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4.1.1 金属材料的塑性变形
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4.1.1.1 金属材料变形的机理
晶体的滑移
晶体的孪生
材料科学基础——塑性变形
材料科学基础——塑性变形在材料科学的广阔领域中，塑性变形是一个至关重要的概念。
它不仅影响着材料的性能和应用，还在众多工程和制造领域中发挥着关键作用。
让我们先来理解一下什么是塑性变形。
简单来说，塑性变形就是当材料受到外力作用时，其形状和尺寸发生了永久性的改变，而且在去除外力后，这种改变依然保持。
与弹性变形不同，弹性变形在力去除后材料会恢复到原来的形状和尺寸。
塑性变形的发生通常与材料内部的原子或分子的运动和位错的滑移密切相关。
位错，这是材料科学中的一个重要概念，它就像是材料内部结构中的一种“缺陷”。
但别小看这种缺陷，正是位错的滑移使得塑性变形成为可能。
想象一下，材料内部的原子排列就像是整齐排列的士兵方阵。
当施加外力时，位错就像是方阵中的个别士兵开始“溜号”，它们的滑移带动了周围原子的移动，从而导致了材料整体的变形。
而且，随着外力的增加，位错的滑移会越来越多，塑性变形也就越来越明显。
不同的材料具有不同的塑性变形能力。
像金属材料，通常具有较好的塑性，这使得它们能够通过锻造、轧制、拉伸等工艺被加工成各种形状复杂的零件。
而陶瓷材料，一般塑性较差，在受到外力时更容易发生断裂。
塑性变形对材料性能的影响是多方面的。
首先，它会改变材料的强度。
经过塑性变形，材料内部会产生各种微观结构的变化，比如位错密度的增加、晶粒的细化等，这些都会使材料的强度提高，这就是所谓的加工硬化。
但同时，塑性变形也可能导致材料的韧性下降。
在实际应用中，我们常常利用塑性变形来改善材料的性能。
例如，通过冷加工可以使钢材的强度大幅提高，而通过适当的热处理，可以消除加工硬化带来的不良影响，恢复材料的部分塑性。
此外，塑性变形还与材料的疲劳性能密切相关。
在反复加载的情况下，塑性变形的累积可能导致材料出现疲劳裂纹，最终导致材料失效。
为了研究塑性变形，科学家们使用了各种各样的方法和技术。
其中，电子显微镜是一种非常强大的工具，它可以让我们直接观察到材料内部位错的运动和微观结构的变化。
东南大学考研材料科学基础108个重要知识点
东南大学---材料科学基础108个重要知识点1.晶体–原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
2.中间相–两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
3.亚稳相–亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。
4.配位数–晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
5.再结晶–冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。
（指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程）6.伪共晶–非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。
7.交滑移–当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。
8.过时效–铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ”，θ’，和θ。
在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。
9.形变强化–金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。
10.固溶强化–由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。
11.弥散强化–许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。
12.不全位错–柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。
13.扩展位错–通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。
东南大学材料成型基础第三章
第3章 金属材料的塑性变形
1.单晶体的滑移
第3章 金属材料的塑性变形
锌单晶体的滑移变形示意图
滑移特点：①滑移是在切 应力作用下完成的；②滑 移时移动的距离是原子间 距的整数倍；③滑移的同 时由于正应力组成的力偶 作用，推动晶体转动，力 图使滑移面转向与外力一 致的方向。④滑移的实质 是位错运动的结果。因此 滑移的实际临界切应力远 远大于理论临界切应力。
第3章 金属材料的塑性变形
多晶体塑性变形示意图
第3章 金属材料的塑性变形
2.晶界对塑性变形的影响
第3章 金属材料的塑性变形
3.2金属的形变强化
3.2.1形变强化现象 3.2.2塑性变形后金属的组织结构的变化 (1)晶粒破碎,亚结构增多 (2)晶粒拉长,出现纤维组织或织构(产生各向异性) 3.2.3塑性变形产生的残余应力 残余应力的危害: (1)降低工件的承载能力 (2)使工件的形状和尺寸发生变化 (3)降低工件的耐蚀性
第3章 金属材料的塑性变形
变形速度的影响
塑 性 、 变 形 抗 力
第3章 金属材料的塑性变形
应力状态的影响
挤压时金属应力状态
拉拔时金属应力状态
第3章 金属材料的塑性变形
本章小结
锻造、轧制、挤压、冲压等都是塑性变形。这 些塑性变形的目的不仅是为了得到零件的外形和尺 寸，更重要的是为了改善金属的组织和性能。 塑性变形的主要形式是滑移和孪生，是在切应 力的作用下进行的，塑性变形将产生形变强化，形 成纤维组织，具有各向异性。塑性变形后的 金属加 热时会产生回复或再结晶及晶粒长大，其形变强化 现象消除。
第3章 金属材料的塑性变形
作用于金属的外 力可分为正应力和 切应力，正应力使 金属产生弹性变形 或破断
东南大学弹塑性力学(答案版)
qb 2 a 2 (1 − µ ) [ −1− µ ] a 2 + b 2 + µ (b 2 − a 2 ) r2
5、单位宽度集中力 p，应力函数 ϕ = rθ ( A cos θ + B sin θ ) ，求平面体应力分量
书上例题
6、简单弹塑性力学部分
(σ y ) (τ yx )
y=
h 2 h 2Biblioteka =0 = −q1(τ yx )
h y= − 2
y=
(u ) x =l = 0
y =0
位移边界条件：右面（x= l ）: (v) x =l = 0
y =0
(
3 求解各应力，应力函数 Φ = A
∂v ) x =l = 0 ∂x y =0
3 2
x +Bx
y + Cx y + D y
2
3
A=0 B=0 C=
σ y = − ρ gy cot α 2 τ xy = − ρ gy cot α 1 2 D = − ρ g cot α 3
ρg
σ x ρ gx cot α − 2 ρ gy cot 2 α =
4、求圆环内部应力，外径 b，内径 a ，内部固定
σ r =− σθ
qb 2 a 2 (1 − µ ) [ +1+ µ] a 2 + b 2 + µ (b 2 − a 2 ) r2
1 简述弹性力学与塑性力学的区别与联系 弹性力学主要研究弹性体在外力作用或者环境温度改变下发生的应力、 变形和位移。 弹性力 学的任务， 是分析各种弹性体包括结构和构件在弹性阶段的应力和位移， 校核它们是否具有 所需的强度、刚度和稳定性。 塑性力学的主要使命是研究物体发生塑性变形的条件以及发生塑性变形后物体内应力和应 变的分布规律。 弹性力学和塑性力学的差别主要表现在应力与应变的物理关系上。 弹性力学和塑性力学都是固体力学的一个分支。 应力平衡方程和应变与位移间的几何关系同 材料性质无关，因此它们在弹性力学和塑性力学中都是一样的。 2 写出各边边界条件
材料科学基础I 第九章 (金属与合金的塑性变形)
金属 晶体 纯度 结构 %
滑移系
Al FCC -
{111}〈110〉
Cu
99.9
Ni
99.8
Fe BCC 99.96 {110}，{112}〈111〉
Nb
-
{110}〈111〉
Mg HCP 99.95 （0001）〈11-20〉
Ti
99.99 {10-10}〈11-20〉
τc(MN/m2)
0.79 0.49 3.24~7.17 27.44 33.80 0.81 13.70
2、孪生变形的特点
孪生与滑移的差别：
❖孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移 面上进行；
❖孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，而滑移后晶体各部 分位向均未改变；
❖孪生面、孪生方向与晶体 结构有关；
❖孪生的应力-应变曲线与 滑移的不同，有锯齿状波动。
孪生对塑性变形的直接贡献比滑 移小得多，但孪生改变了晶体位向， 使硬位向的滑移系转到软位向，利 于滑移的进行。
cscocsos
对于一定的晶体， τc为定值。取向因子cos φ cosλ的值越大， 则σs越小，晶体越容易滑移。当φ和λ都接近45º时，取向因子 cos φ cosλ=0.5(极大值)， σs最小，晶体最容易滑移。此位向称 为软位向。同理， 90º则称为硬位向，此时σs趋近于无穷大。
一些金属单晶体的临界分切应力τc
1、聚合型两相合金的塑性变形
第二相晶粒与基体相晶粒尺寸属同一数量级时，称为聚合型。
❖ 聚合型合金的两相都具有塑性，则合金的力学性能决定于两 相的体积分数。如黄铜，右图。
❖ 一个是塑性相而另一个是硬脆相时，则合金的力学性能主要 取决于硬脆相的存在情况。如珠光体(F+Fe3C)，左图。
第9章 塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
2、应变时效现象
时效后
9.2 金属的塑性变形
3、屈服现象的解释 1） 气团理论：
在固溶体中，溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶
质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是
溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团，即所谓的
柯垂尔（Cottrell）气团。 可以解释大部分晶体中出现的屈服现象。
9.2 金属的塑性变形
滑移带形成示意图
9.2 金属的塑性变形
2、滑移系 滑移面和滑移方向：晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面 上一定的晶体学方向进行。 滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。 (1) 面心立方
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
(2) 体心立方 滑移面并不稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为
9.2 金属的塑性变形
9.1.3 合金的塑性变形与强化
一、固溶体的塑性变形 1）固溶强化 强度、硬度随溶质含 量增加而增加，而塑 性指标则相反
9.2 金属的塑性变形
溶质原子的加入通常同时提高了屈服强度和整个应力－应变曲
线的水平，并使材料的加工硬化速率增高
铝溶有镁后的应 力－应变曲线
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
单轴拉伸时晶体转动的力偶
9.2 金属的塑性变形
5、复滑移
滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑
移过程就称为复滑移，又称多滑移。
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
6、交滑移 两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进
行滑移的现象，称作交滑移。
1东南大学材料科学基础大纲
1、晶体学基础：熟练掌握晶体的周期性和空间点阵、布拉菲点阵、晶向指数和晶面指数、晶面间距、晶面夹角和晶带定理；掌握晶体的对称性、极射投影。
2、固体材料的结构：掌握元素的晶体结构、典型金属的晶体结构、合金相的晶体结构；掌握陶瓷材料的典型结构，了解硅酸盐的结构、玻璃的结构；了解高分子的链结构及聚集态结构、准晶和纳米晶。
3、固体中的扩散：掌握扩散第一及第二定律及其应用、扩散微观理论与机制、柯肯达尔效应、达肯方程；了解扩散的热力学分析、及影响扩散的因素；了解反应扩散。
4、凝固：了解液体（含高分子溶液）的性能与结构；掌握金属的凝固与结晶。
5、相图：掌握相图的表示和测定方法；掌握二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图、二元相图的分析与使用；了解部分实际二元相图；掌握两相平衡的三元相图、三相平衡的三元相图、四相平衡的三元相图、形成稳定化合物的三元相图；了解部分实际三元相图。
6、相变的基本原理：了解相变热力学、固态相变的分类与特征、扩散型相变、非扩散型相变。
7、晶体中的缺陷：掌握点缺陷形成、点缺陷的平衡浓度、点缺陷的移动；了解过饱和点缺陷、点缺陷对材料性能的影响；掌握位错概念、位错类型和柏氏矢量、位错的滑移和攀移；掌握位错的弹性应力场、位错的应变能、位错的线张力、作用在位错上的力、位错间的相互作用、位错的塞积、位错的交割、位错与点缺陷的交互作用；了解位错的生成与增殖；掌握实际晶体结构中的位错、堆垛层错、不全位错、位错反应；了解FCC中位错反应的Thompson四面体表示方法。
8、表面与界面：掌握晶体中的界面类型与结构、界面能量；掌握晶体中界面的迁移驱动力，了解影响界面迁移的因素；了解界面与组织形貌。
9、材料的变形与再结晶：掌握单晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形、合金的变形与强化、变形后的组织与性能；掌握冷变形晶体的回复、冷变形金属的再结晶、再结晶后的晶粒长大；了解金属的热变形、蠕变与超塑性。
材料科学基础——塑性变形
滑移带
Slip band
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 3. 临界分切应力 (Critical resolving shear stress)
6.2
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 临界分切应力
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 2. 滑移带与滑移线(Slip band and Slip line)
6.2
Al 单 晶
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 滑移线
6.2
Slip line
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
扭折(Kink)
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
6.2.2 滑移(Slip)
滑移：外力作用下晶体的一部分相对于另一部分 沿一定晶面和晶向发生滑动位移，且不破坏晶体 内部原子排列规律性的塑性变形机制。
成分和组织：金属越纯，塑性越好
晶粒度：晶粒细小，强度、塑韧性均好 外因： 温度：低温易脆断 应力状态和裂纹：微裂纹大，拉应力状态，易脆断
应变速率：应变速率大，易发生脆性断裂
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
滑移 (Slip)
孪生(Twin)
即使完全消除装置的各种阻力其摆动振幅也会
东南大学材料科学基础习题6+答案
塑性变形再结晶 习题一、试分析金属塑性变形行为对下列材料与零件的重要意义：1、冲压钢板；2、汽车板簧；3、铆钉；4、高压蒸汽管道法兰盘的紧固螺栓。
二、单滑移、复滑移及交滑移的滑移带形貌有什么特征？试结合图解说明。
三、若平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的纯铁的屈服强度分别为112.7MPa 和196MPa ，则平均晶粒直径为0.0196mm 的纯铁的屈服强度为多少？ 四、面心立方晶体的)111(和)111(面各有几个密排方向？共可组成几个滑移系？这些滑移系能否有数个共同发生作用的情况？若有，是复滑移还是交滑移？五、有一铝单晶体细圆棒，其轴线与晶体的[001]晶向一致，若沿棒的轴向施以拉应力，在多大拉应力下晶体开始发生塑性变形？六、体心立方晶体可能的滑移面是{110}、{112}及{123}，若滑移方向为]111[，具体的滑移系是哪些?七、通常强化金属材料的方法有哪些？试述它们强化金属的微观机理，并指出其共同点。
八、厚度为40mm 厚的铝板，轧制成一侧为20mm 另一侧仍保持为40mm 的楔形板，经再结 晶退火后，画出从20mm 的一侧到40mm 一侧的截面的组织示意图。
并说明。
九、对某变形铝合金的研究发现，当其组织中存在大量尺寸较大（约1μm ）和尺寸较小（约50nm ）的两类第二相颗粒情况下，经适当的塑性变形和再结晶处理后，能获得最小的晶粒尺寸，试述此过程中上述两类颗粒的作用机理。
一、试分析金属塑性变形行为对下列材料与零件的重要意义：1、冲压钢板；2、汽车板簧；3、铆钉；4、高压蒸汽管道法兰盘的紧固螺栓。
答：1、塑性变形成型；2、不允许塑变；3、塑性变形卡住；4、不塑变、安全二、单滑移、复滑移及交滑移的滑移带形貌有什么特征？试结合图解说明。
答：1、单滑移－一系列平行滑移带；2、复滑移－交叉的平行滑移带；3、交滑移－平行滑移带上出现小折线段。
三、若平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的纯铁的屈服强度分别为112.7MPa 和196MPa ，则平均晶粒直径为0.0196mm 的纯铁的屈服强度为多少？答：根据210-+=kd s σσ，可得所求屈服强度为283.4MPa四、面心立方晶体的)111(和)111(面各有几个密排方向？共可组成几个滑移系？这些滑移系能否有数个共同发生作用的情况？若有，是复滑移还是交滑移？答：各有三个密排方向：]110[、]101[、]110[及]011[、]101[、]011[，共构成六个滑移系。
单晶体的塑性变形-1
σ
τ R = σ /2 λ =45º φ =45º
Adapted from Fig. 7.8, Callister 6e.
二、滑移的位错机制
晶体的滑移借助位错在滑移面上的运动逐步实现的
DISLOCATION MOTION
• Produces plastic deformation, • Depends on incrementally breaking bonds.
CRITICAL RESOLVED SHEAR STRESS
• Condition for dislocation motion:
τR > τCRSS
typically 10 -4 G to 10 -2 G
• Crystal orientation can make it easy or hard to move disl.
σ
τR = σ cos λ cos φ
σ
σ
τR = 0 λ=90º
τR = 0 φ=90º
τR = σ/2 λ=45º φ=45º
λ=90º- φ 当 φ=45º 时，取向因子有最大值 1/2 ，此时得 到最大分切应力，滑移处于最有利的取向，也 称软取向。 当 φ=00 、 90o 时 ， 取 向 因 子 为 0 ， 称 为 硬 取 向。 最大分切应力正好落在与外力轴成45º角的晶 面以及与外力轴成45º角的滑移方向上。
两根互相垂 直的刃型位 错的交割 刃型位错中 的割阶与扭 折形成 两个螺型位 错的交割 刃型位错与 螺型位错的 交割 带割阶位错 的运动
材料的变形与再结晶
如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带
交叉形的滑移带
3. 交滑移
螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑 移面转到另一个滑移面的过程。
塑性变形知识点总结
塑性变形（3）1.冷变形金属在退火过程中显微组织的变化：在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状,从光学显微组织上几乎看不出变化。
在再结晶阶段，首先是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，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
最后，在晶界表面能的驱动下,新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸,这称为晶粒长大阶段。
2.回复：是指冷变形后金属在加热温度较低时，原子活动能力不在,金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使得晶格畸变逐渐减少，内应力逐渐降低的过程。
回复的驱动力：弹性畸变能（特征：1.金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度，硬度和塑性等机械性能变化不大；2.内应力及电阻率等物理性能显著不为降低。
（宏观内应力））3.回复机制：a.低温回复：回复主要与点缺陷的迁移有关。
b.中温回复：温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。
机制主要与位错滑移和位错密度降低有关。
c.高温回复（～0.3Tm）,刃型位错可获得足够能量产生攀移，位错密度下降，位错重排成较稳定的组态----亚晶结构。
4.再结晶：将冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称之为再结晶。
再结晶的驱动力：是变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的90%）5.储存能：塑性变形中外力所作的功除去大部分转化为热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存在形变材料内部，这部分能量叫做储存能。
6．残余应力：一种内应力。
它在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀性，以及相互间的牵制作用所致。
7.再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。
》》通常，把对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”,一般金属的临界变形度约为2%~10%。
东南大学材料科学基础考研必会重点题分析与预测
Ⅳ历年考题风格与解法剖析一、历年考题风格分析从考题风格上来看，东南大学材料科学基础科目注重对基础概念的考查，同时也考查考生对基本概念的理解和应用，选择题比较容易，简答题尤其关注对书上的基本概念的理解。
参考书最好为红皮书，薛峰、陶杰老师编写的。
对于简答题，重复率很高，尤其对于相图部分，从往年真题来看，对于简答题部分一般都会有2到3题与往年完全一样。
简答题考试的重点章节是：第一章的晶体结构，考查画图题；第五章的相图，会考3到4题；第九章的金属材料的变形与再结晶也会考查3题左右，一般都是书本上的机理，比如强化理论。
对于材料科学基础科目的考试，关键就是把书本吃透，需要背诵的内容很多，知识点很杂。
考生切不可只抓住往年真题对应的重点知识点，书本上的有些知识点虽然好几年没有考，但还是很有可能会考到的，比如2013年考到了投影图的题目，这些都是好多年没考了，还有就是比较间隙相和间隙固溶体的区别。
考试的大趋势是不会变的，铁碳合金相图是肯定会考到的，让考生计算冷对到一定温度相的成分和组织的成分以及形貌这些都是每年的必考点。
给出几个一定温度的平衡反应让考生画出合金相图，也是连续考到。
合金的几种强化机理，也是每年必考的知识点，每年都会考其中的某一个强化机理，考生对于强化机理的记忆一定要有条理，最好是分点来记，因为改卷也是分点给分，切勿围绕一个点而展开长篇大论。
二、题型特点与解法剖析东南大学材料科学基础科目的考试题型比较固定，即选择题和简单题。
其中，简答题的第一题一般是画图，关于晶面指数和晶向指数。
1.选择题选择题考查的重点比较固定，考生把往年真题吃透，摸清重点即可。
题目比较简单，做起来应该比较顺手。
比如2006年考到一道选择题，位错的割阶是在什么过程中形成的，给出的几个选项都很相似，这就需要考生对定义要有很好的把握。
再例如2004年的真题的第一题就是考空间点阵和晶体结构的关系，这也需要考生对基本定义的一个很好的理解，而不仅仅是死记硬背。
材料科学基础-第九章
位错运动与晶体滑移的关系和特点
Material
❖位错运动与晶体滑移的关系
滑移是位错切应力作用下逐步移动的结果。一条位错移出晶体后， 晶体产生一个b大小的滑移量。一系列滑移面上的位错滑出晶体后产 生的滑移量累积起来就造成了晶体宏观上的塑性变形。
❖位错运动与晶体滑移的特点
位移移动的方向总是与位错垂直。晶体滑移的方向总是与相应的 切应力τ方向一致。
2022/11/5
Introduction to Materials Science
第九章－14
几个概念
Material
转动特点
Materials Science
Ⅵ 滑移时晶体的转动
拉伸时的滑移面朝着与拉伸轴平行的方向发生转动。压缩时滑移 面朝着与压力垂直的方向发生转动。
几何硬化、几何软化
晶体发生转动后，各滑移系的取向和分切应力不断变化，可能使一 些原处于软取向的滑移系转到硬取向，使继续所需的外力增加（几 何硬化）；而另一些原处于较硬取向的滑移系转到软取向，从而继 续进行滑移（几何软化）。
第九章－9
Materials Science
Ⅲ 滑移的临界分切应力
临界分切应力的导出
Material
临界分切应力（ τc）：开始滑移时所需的最小分切应力。
s m
式中， σs ——屈服强度。
当 φ（或 λ）接近45°时，m最大， σs最低，金属最易发生塑性变
形，称之为软取向。
当 φ（或 λ） 接近90°时，σs ∞ ，金属难以发生塑性变形，称
在光学显微镜下观察表现为 一条线。
2022/11/5
单晶体金属拉伸后的电镜观察
Introduction to Materials Science
《材料科学基础》材料的塑性变形共93页文档
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
《材料科学基础》材料的塑性变形
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
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1) 相同点： 宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形； 微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体的一部
分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程； 两者都不会改变晶体结构； 从机制上看，都是位错运动结果。
9.2 金属的塑性变形
三、晶体的扭折
9.2 金属的塑性变形 9.1.2 多晶体的塑性变形
区或富集在压缩区均产生固溶强化。研究表明，在钢中这种强化
效果仅为弹性交互作用的1/3—1/6，且不受温度影响。
9.2 金属的塑性变形
③化学交互作用
这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，
因此晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分
的偏聚也会导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区 增宽，这也会产生强化作用。化学交互作用引发的固溶强化效
9.2 金属的塑性变形
1、孪生的形成过程
a. 变形前
b. 滑移
c. 孪生
晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图
9.2 金属的塑性变形
铜单晶在4.2K的拉伸曲线
1、孪生的形成过程 9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
孪生： 但位向发生了变化，与未切变区呈镜面对称
9.2 金属的塑性变形
3、滑移的临界分切应力
F cos F cos cos A cos A cos cos
临界分切应力
s s cos cos
取向因子(schmid因子)：
cos cos
9.2 金属的塑性变形
镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系
4、滑移时晶面的转动 9.2 金属的塑性变形 4、滑移时晶面的转动
霍尔－佩奇（Hall-Patch）
关系：
1 2
s i Kd
9.2 金属的塑性变形
等强温度
9.2 金属的塑性变形
二、屈服 1、屈服现象
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
2、应变时效现象
时效后
9.2 金属的塑性变形
3、屈服现象的解释 1） 气团理论：
m = f1 1 + f2 2
如果应力相等，则对于一定应力时合金的平均应变为：
m = f1 1 + f2 2
9.2 金属的塑性变形
2、弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化 作用。 沉淀强化或时效强化 : 强化相颗粒通过过饱和固溶体的时
效处理沉淀析出
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
双交猾移
思考：交滑移和层错能的关系
9.2 金属的塑性变形
7、滑移的位错机制 宏观上标志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克 服位错运动阻力的外力相等： ①位错运动的阻力首先来自于点阵阻力 派尔斯（Peierls）和纳巴罗（Nabarro）首先估算了这个 力，所以又称为派－纳力（ P-N 力），它相当于简单立方晶体
材 料 科 学 基 础
白 晶 东南大学材料科学与工程学院
2010.5
金属材料的变形与再结晶
1 2 金属的应力－应变曲线 金属的塑性变形 回复与再结晶 金属热变形、蠕变与变曲线
9.1.1 工程应力－应变曲线
P A0
l l0 l0
9.1 金属的应力－应变曲线
定义：
切应力作用下，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）相对于另一部分发生均匀切变的过程。
（产生孪晶(twin)的过程） 孪晶指晶体中原子排列以某一晶面成镜面对称的部分。 形成条件： 滑移系较少的密排六方晶体（如Mg、Zn）； 低温（如Cu在4.2K）； 高应变速率（如Fe爆炸变形）。
9.2 金属的塑性变形
滑移带形成示意图
9.2 金属的塑性变形
2、滑移系 滑移面和滑移方向：晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面 上一定的晶体学方向进行。 滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。 (1) 面心立方
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
(2) 体心立方 滑移面并不稳定，一般在低温时多为 {112} ，中温时多为
滑移是全位错运动的结果，孪生是不全位错运动的结果；
滑移比较平缓，应力应变曲线较光滑、连续，孪生则呈
两者发生的条件不同，孪生所需临界分切应力值远大于 滑移产生的切变较大（取决于晶体的塑性），而孪生切
锯齿状；
滑移，因此只有在滑移受阻情况下晶体才以孪生方式形变； 变较小，取决于晶体结构。
9.2 金属的塑性变形
果，较弹性交互作用低一个数量级，但由于其不受温度的影响， 因此在高温形变中具有较重要的作用。
9.2 金属的塑性变形
2）有序强化 超结构
有序畴
9.2 金属的塑性变形
二、多相合金的塑性变形 聚合型合金
弥散型合金
9.2 金属的塑性变形
1、聚合型两相合金的塑性变形 对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金 的塑性变形决定于两相的比例： 如果应变相等，则对一定应变时合金的平均流变应力为：
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
Al-1.6%Cu合金
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2.4 变形后的组织与性能 一、显微组织的变化
铜经不同程度冷轧后的光学 显微组织 30%, 50%, 99% （3000×）
9.2 金属的塑性变形
二、亚结构的变化
位错密度：从退火的106～1010/cm2增至1011－1012/cm2。
{110} ，而高温时多为 {123} ，不过其滑移方向很稳定，总为
<111>，因此其滑移系可能有12-48个。 (3) 密排六方晶体中的滑移系 密排六方晶体中，滑移方向一般都是 <11-20> ，但滑移面与 轴比有关，当c/a接近或大于 1.633时， {0001}为最密排面，滑 移 系 即 为 {0001}<11-20> ， 共 有 三 个 ； 当 c/a 小 于 1.633 时 ， {0001} 不再是密排面，滑移面将变为柱面 {10-10} 或斜面 {1011}，滑移系分别为三个和六个。
弥散强化:借助粉末冶金或其它方法加入
9.2 金属的塑性变形
1）不可变形颗粒的强化作用
9.2 金属的塑性变形
根据位错理论，位错弯曲至半径R时所需切应力为：
Gb 2R
而当R为颗粒间距
的一半时，所需切应力最小：
Gb
这就是奥罗万（Orowan）机制
9.2 金属的塑性变形
2）可变形颗粒的强化作用 当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过，此时强化作
中刃型位错运动所需要的临界分切应力：
对金属，有P-N＝3.6×10-4G，与刚性模型相比，与实际情 况接近。
9.2 金属的塑性变形
其它阻力： （2）F-R源开动阻力
（3）与其它位错的交互作用阻力；
（4）位错交割后形成的割阶与扭折； （5）位错与一些缺陷发生交互作用。
9.2 金属的塑性变形
二、孪生
9.2 金属的塑性变形
电子浓度对 Cu 固 溶 体 屈 服应力的影响
9.2 金属的塑性变形
固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括： ①溶质原子与位错发生弹性交互作用 固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为 溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉
扎作用，从而阻碍位错运动；
用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系：
① 位错切过颗粒后，在其表面产生 b大小的台阶，增加了颗粒 与基体两者间界面，需要相应的能量；
② 如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导
致有序强化； ③ 由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移 面上导致原子错配，需要额外作功； ④ 颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而 且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作 用，对位错运动有阻碍作用；
9.1.3 合金的塑性变形与强化
一、固溶体的塑性变形 1）固溶强化 强度、硬度随溶质含 量增加而增加，而塑 性指标则相反
9.2 金属的塑性变形
溶质原子的加入通常同时提高了屈服强度和整个应力－应变曲
线的水平，并使材料的加工硬化速率增高
铝溶有镁后的应 力－应变曲线
9.2 金属的塑性变形
不同溶质的强化效果不同
9.1.2 真应力应变曲线
l1 l0 l2 l1 l2 l3 T ( ＋ ＋) l0 l1 l2 dl l ln l0 l l0
l
P P A0 T ＝ A A0 A P l ＝ ＝ ( 1) A0 l0
9.2 金属的塑性变形
9.2.1 单晶体的塑性变形 一、滑移 1、滑移线和滑移带 工 业 纯 铜 中 的 滑 移 线
9.2 金属的塑性变形
2、孪晶的形成
形变孪晶：形变过程中形成，在金相形貌上一般呈现透镜
片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。 锌和铁经塑性变形后形成的形变孪晶。
9.2 金属的塑性变形
退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，
退火孪晶的形貌与形变孪晶有较大区别，一般孪晶界面平直，
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
单轴拉伸时晶体转动的力偶
9.2 金属的塑性变形
5、复滑移
滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑
移过程就称为复滑移，又称多滑移。
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
6、交滑移 两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进