冷 塑性变形与再结晶

SD——单个刃型位错 单个刃型位错 SD ED——扩展的位错 ED 扩展的位错
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性能的变化
冷加工变形后，强度（硬度）显著提高，而塑性下降很快，产生了加工硬 化现象，主要是位错密度升高所致。 电阻率升高，磁导率，热导率下降 自由焓升高，化学活性增大，腐蚀速度加快。
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冷变形度50%+850℃保温 0.5小时
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冷变形度70%+850℃保温 0.5小时
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截线法测定晶粒大小
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n=N2/Lt2
n ~ 单位面积中的晶粒个数 N ~ 数到的晶粒数 Lt ~ 测试线长度（mm） 注:在400倍的放大倍数下每格长度为0.0033mm/格
激光冲击奥氏体不锈钢
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激光冲击纯铝
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7050 激光冲击两次后细晶组织及其多晶衍射环
电子衍射图像由一系列不同半径的同心圆环组成，多晶衍射环说明选区内 是由大角度晶界晶粒组成，为具有不同取向的细小晶体颗粒。
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纳米晶和非晶的产生
形成初期的 非晶态组织
纳米晶
激光冲击2A02后形成的纳米晶 激光冲击2A02后形成的纳米晶 HREM； 2A02
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变形度对再结晶组织的影响
1.
2.
3.
冷变形程度对再结晶后晶粒大小影响规律： 如变形程度很小时，造成的储能不足以驱动再结晶，所以晶粒大小没 有变化。 当变形程度增大到一定数值后，可以引起再结晶，但由于形核率很小， 所以得到的晶粒特别粗大，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为2％～10％。 当变形量大于临界变形量后，储能随变形量的增加而增大，从而使形 核率增加，由此再结晶晶粒得到细化。
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奥氏体不锈钢冷锻组织
304奥氏体不锈钢冷锻均匀形变腐蚀组织
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304奥氏体不锈钢冷锻形变组织
比较：201奥氏体不锈钢激光冲击表面
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材料的形变行为
在开放体系中，理想单晶材料塑性变形时，滑移只在特定的晶体学平面 上发生，因此晶体的力学性能呈现各向异性。实际单晶材料不可避免地存在 一定数量的缺陷，但不会根本改变其变形时各向异性的特征。工程用金属材 料一般都是多晶体材料，多晶体塑性变形的一个主要特征是由于晶粒的位向 各不相同，变形时的各向异性被湮灭，但当某个方向的塑性变形较大时，由 于晶粒取向择优分布，多晶体又呈现出宏观各向异性；而各个晶粒形状、位 向和尺寸上的差异同时也造成了多晶体塑性变形的微观非均匀性。
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退火温度对再结晶组织的影响
当变形程度和退火保温时间一定时，退火温度越高，再结晶速度越快， 产生一定体积分数的再结晶所需要的时间越短，再结晶后的晶粒越粗大。
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HCP晶体一般不易生成层错，超高应变率诱导？
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激光冲击诱导的孪晶
奥氏体不锈钢，fcc
TA2钛合金, hcp
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形变孪晶的生长
分为形核和长大阶段：晶体变形时以极快的速度爆发出薄片孪晶，称之为 形核；通过孪晶界扩展使孪晶增宽。 形变孪晶的萌生需要较大的切应力，但孪晶在萌生后的长大需要的应力相 对较小。 与滑移相比，孪生本身对晶体变形量的直接贡献较小。 形变孪晶的产生与金属的点阵类型和层错能高低等因素有关，如密排六方 金属(Zn，Mg等)，易以孪生方式变形而产生孪晶，层错能低的奥氏体不锈 钢亦产生形变孪晶。
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晶粒长大
晶粒长大是指再结晶之后晶粒的继续长大，驱动力来自总界面能的下 降。 正常晶粒的长大规律：在恒温下，平均晶粒直径与保温时间的平方根 呈正比。
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冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化
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影响再结晶的因素
变形度：变形度越大，储能增加，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低， 同时等温退火时的再结晶速度越快，但当变形量大到一定程度后，再结 晶温度基本稳定。在给定温度下，发生再结晶需要一个最小变形量（临 界变形度）低于此变形度，不发生再结晶。同时，变形度越大，得到的 再结晶晶粒越细。 退火温度：提高退火温度可使再结晶速度显著加快，临界变形度数值变 小，若再结晶过程已经完成，随后还有一个晶粒长大阶段很明显，温度 越高，晶粒越粗。
滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。 最密晶面：晶面间距最大，点阵阻力最小，滑移容易； 最密晶向：最密排方向上的原子间距最短，位错的柏氏矢量最小。
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一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。每一个滑移 系表示晶体在滑移时可能采取的一个空间取向。 在其他条件相同时，晶体中的滑移系越多，滑移过程可能采取的取向越多， 滑移容易进行，塑性越好。 面心立方fcc：12个；体心立方bcc：48个；密排六方hcp：3个。
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回复
回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段，具体对应新 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。
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回复是一个弛豫过程，特点为： 没有孕育期； 在一定温度时，初期回复速率很大，随后逐渐变慢，直到趋近于0； 每一温度回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极值越高，极限值所 需时间越短； 预变形量越大，起始的回复速率也越快；晶粒越小，回复过程加快。
在约束体系中，随形变自由度的被限制，材料的形变将受到不同程度的 约束，其形变行为将更加复杂。因此了解多晶体材料在激光冲击形变强化中 非均匀性对冲击效果的影响具有重要意义。
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第二部分： 第二部分：冷变形组织的回复和再结晶
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冷塑性变形后的金属组织是不稳定的，空位、位错等结构缺陷密度增大， 畸变能升高，处于热力学不稳定的高自由能状态。因此经塑性变形的材 料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当加热时会发生回复、 再结晶和晶粒长大等过程。
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纯锌变形孪晶 （hcp） ）
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激光冲击通过堆垛层错形成的孪晶？
微孪晶尖端和侧面的TEM图像。（a）微孪晶尖端；（b）孪晶端部侧面的精细结构 The TEM photos of micro-twins （a）at the tip； and (b) the side-view of a micro-twin
思考题： 材料形变时约束条件对晶粒形貌有什么影响？
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低碳钢（ 0.05wt.%）经不同冷变形度冷变形后的组织变化
5%
10%
15%
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20%
18
30%
50%
70%
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形变织构
在塑性变形中，随着形变程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都向 主形变方向转动，逐渐使多晶中取向各不相同的晶粒在空间的取向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这一组织状态称为形变织构。 按加工变形方式不同可分为丝织构、板织构等。 织构造成材料的各向异性，对材料的加工成形性和使用性能都有很大的影 响。
IFFT)
实验方案
预期效果
左下角产生多余半原子面特征的刃型位错，这些位错向右上角扩展，越来越 密集，直至晶粒分化，形成亚晶粒和非晶态。
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激光冲击造成晶粒分化的位错机制， 激光冲击造成晶粒分化的位错机制，IFFT
α
激光冲击后的铝合金，由晶粒内部 位错增殖运动形成的大角度晶界。明显 不同于传统的晶内缺陷的小角度晶界位 错模型。
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孪晶带
孪生：是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，均匀切变区中的晶体点阵 类型不发生变化，而晶体取向却变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。 孪晶：变形与未变形的两部分晶体合称为孪晶； 孪晶界：均匀切变与未切变的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界； 孪晶面：发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面； 孪生方向：孪生面的移动方向称为孪生方向。
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孪生的特点
（1）孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现在滑移受阻而引起的应 力集中区，因此孪生所需的临界切应力比滑移时大得多。 （2）孪生是一种均匀切变。 （3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。
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形成方式
形变孪晶（机械孪晶）：通过机械形变而产生的孪晶，通常呈透镜状或 片状； 生长孪晶：包括在晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固）或固 体中长大时形成的孪晶。 退火孪晶：变形金属在再结晶退火过程中形成的孪晶,往往以相互平行的 孪晶面为界横贯整个晶粒，在再结晶过程中通过堆垛层错的生长形成的， 实际也属于生长孪晶。
回复退火主要用作去应力退火，使冷加工的金属在基本保持加工硬 化的条件下降低内应力，避免变形，提高耐蚀性。
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34Hale Waihona Puke Baidu
再结晶
冷变形后的金属加热到一定程度之后，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，此过程称 之为再结晶。 是一种形核、长大过程，通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶 晶核，并通过逐渐长大形成新等轴晶粒，从而取代全部变形组织，再结晶 的晶核不是新相，其点阵(晶格)类型仍与旧晶粒相同。 驱动力来自应变畸变能的下降。
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亚结构的变化
位错增殖，经严重冷变形后，位错密度急剧增加，可增加5个数量级。 对于层错能较高的金属或合金，容易发生交滑移，形成胞状亚结构，即： 高密度的缠结位错主要集中在胞壁，胞内位错较少，各胞之间位向差微小。 变形量越大，亚结构的数增多，尺寸减小。 对于层错能较低的金属，容易形成位错塞积群。 激光冲击超高能量和超高应变率下的纳米晶和非晶。
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第一部分： 第一部分：塑性变形后金属材料的微观组织变化
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晶内变化
滑移带：由于晶体的塑性变形使试样抛光表面产生高低不一的台阶，在 高倍下观察可知它是由更细的滑移线组成。
思考：理想单晶、实际单晶和实际多晶体的异同？ 应变速率对形变微结构有何影响？
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晶内滑移带
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纯铁机械（变形） 纯铁机械（变形）孪晶 (bcc)
工业纯铁为体心立方金属，它只有在 0℃以下受冲击载荷时，才易产生孪晶。
室温下激光冲击45钢中铁素体 的孪晶, bcc
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机械形变时晶粒形貌的变化
随着变形度的增加，等轴晶将逐渐沿变形方向伸长。 当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，形成纤维组织，纤维状组织是由晶界 和滑移线组成。纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。 冷变形金属的组织与所观察的试样截面位置有关，如果沿垂直变形方向截取 试样，则截面的显微组织不能真实反映晶粒的变形情况。
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变形量与再结晶晶粒尺寸的关系
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冷变形度5%+850℃保温0.5小时
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冷变形度10%+850℃保温0.5小时
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冷变形度15%+850℃保温0.5小时
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冷变形度20%+850℃保温 0.5小时
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Plastic Deformation & Recrystalization
塑性变形与再结晶
——与激光冲击的关系 与激光冲击的关系
材料科学与工程学院 罗新民
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主要关注
1. 2. 3. 不同形式塑性变形后，金属材料的微观组织演变。 冷塑性变形组织的回复和再结晶。 激光冲击形变强化与后续处理性能的利用。
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回复机制： 1. 低温回复：点缺陷发生迁移，密度明显下降； 2. 中温回复：位错滑移并重新分布。 3. 高温回复：位错可产生攀移，发生重新分布，并可产生多边化结构。
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性能变化： 电阻率明显下降（过量空位的减少和位错应变能的降低）； 内应力降低（晶体内弹性应变基本消除）； 硬度和强度下降不多（位错密度下降不多，亚晶较小）
纯铝交滑移，fcc
高锰奥氏体不锈钢的滑移，fcc
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用电子显微镜作高倍分析时可知滑移带不是单一一条线，而是由一系列相 互平行的更细的线组成的，称为滑移线。 滑移线之间的距离为~100个原子间距，而每一条滑移线的滑移量为~1000 个原子间距。
奥氏体不锈钢中的滑移结构
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