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1、第八章材料的变形与断裂第1页，本讲稿共54页金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂屈服强度屈服强度（开始塑性变形的应力）（开始塑性变形的应力）抗拉强度（极限承载能力的标志）抗拉强度（极限承载能力的标志）颈缩颈缩第2页，本讲稿共54页金属的弹性变形弹性变形弹性变形：变形可逆；应力应变呈线性关系。变形可逆；应力应变呈线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合力的反映和度量。：原子间结合力的反映和度量。S0dF/dr=d2u/dr2金属材料的弹性变形量很小，金属材料的弹性变形量很小，所以原子间距只在所以原子间距只在ro附近变化附近变化Fs0（rr0）单位面积内原子键数为单位面积内原子键数为
2、1/r02Fr02=s0r0r-r0r0=S0r0即即 E S0/r0第3页，本讲稿共54页滑移与孪晶变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪晶。常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪晶。一一 滑移滑移 1 1 滑滑移移：在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿着着一一定定的的晶晶面面（滑滑移移面面）和和晶晶向向（滑滑移移方方向向）产产生生相相对对位位移移，且且不不破破坏坏晶晶体体内内部部原原子子排排列列规规律律性性的的塑塑变变方式。方式。光镜下：滑移带（无重现性）。光镜下：滑移带（无重现性）。2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：
3、滑移线。第4页，本讲稿共54页滑移机制位错：已滑移的部分与未滑移的部分的分界。位错：已滑移的部分与未滑移的部分的分界。位错宽度：分界不鲜明，有一个过渡区。位错宽度：分界不鲜明，有一个过渡区。是两种能量平衡的结果（界面能与弹性畸变能）。是两种能量平衡的结果（界面能与弹性畸变能）。1）位错宽度窄，界面能小，但弹性畸变能高）位错宽度窄，界面能小，但弹性畸变能高2）位错宽度大，每个原子列偏离其平衡位置较小，弹性畸变能减小，同时）位错宽度大，每个原子列偏离其平衡位置较小，弹性畸变能减小，同时界面能增加。界面能增加。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽
4、度越大，位错就越易运动。位错宽度越大，位错就越易运动。第5页，本讲稿共54页派纳力派纳力派纳力：理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服派纳力：理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服 的阻力。（公式见的阻力。（公式见P327)一些定性结果：一些定性结果：1）从本质上说，派纳力（）从本质上说，派纳力（p-np-n）的大小，主要取决于位的大小，主要取决于位错宽度错宽度W，位错宽度，位错宽度w越小，越小，p-np-n越大，材料就难以变形，越大，材料就难以变形，相应地屈服强度越高。相应地屈服强度越高。2 2）位错宽度主要决定于结合键的本性和晶体结构。对于方向性很强）位错宽度主要决定于结合键的本性
5、和晶体结构。对于方向性很强的共价键，其键角和键长度很难改变，故的共价键，其键角和键长度很难改变，故p-np-n高；高；而金属键没有而金属键没有方向性，位错有较大的宽度，故方向性，位错有较大的宽度，故p-np-n是很低的。是很低的。3 3）位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度是不一样的。只有沿原）位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度是不一样的。只有沿原子排列最紧密的面及原子密排方向上运动，子排列最紧密的面及原子密排方向上运动，p-np-n才最小。才最小。第6页，本讲稿共54页滑移面和滑移方向滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面）（1 1）几何要素）几何要素 滑移方向
6、（密排方向）滑移方向（密排方向）第7页，本讲稿共54页滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑滑移移系系的的个个数数:(:(滑滑移移面面个个数数）（每每个个面面上上所所具具有有的的滑移方向的个数）滑移方向的个数）第8页，本讲稿共54页晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方滑移系滑移系
7、 滑移系数目与材料塑性的关系：一般滑移系越多，塑性越滑移系数目与材料塑性的关系：一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关。系数目有关。第9页，本讲稿共54页孪晶变形 晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向，在一个区域内发晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向，在一个区域内发生连续变化顺序的切变，变形的结果使这部分的晶体取向改变了生连续变化顺序的切变，变形的结果使这部分的晶体取向改变了（晶体结构和对称性并未改变），但是已变形的晶体部分与未变形（晶体结构和对称性并未改变），但是已变形的晶体部分与未变
8、形的晶体部分保持着镜面对称关系，这个对称镜面就叫孪晶面。的晶体部分保持着镜面对称关系，这个对称镜面就叫孪晶面。第10页，本讲稿共54页孪生孪生：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形方式称为方式称为“孪生孪生”。产生条件产生条件：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方晶格金如密排六方晶格金属属)；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能
9、或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能产生孪生。产生孪生。第11页，本讲稿共54页滑移与孪生在晶体表面变化第12页，本讲稿共54页单晶体的塑性变形一.施密特定律 直接推动滑移的是在滑直接推动滑移的是在滑移方向上的分切应力。在同移方向上的分切应力。在同一外加应力作用下，不同的一外加应力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，滑移系因自己的取向不同，对应的分切应力也不相同。对应的分切应力也不相同。图示一单晶体单向拉伸，滑图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹角为移面法线方向与外力的夹角为，滑移方向和拉力轴的夹角为，滑移方向和拉力轴的夹角为，注意到滑移方向、拉力轴和滑，注意到滑移方向
10、、拉力轴和滑移面的法线三者一般不在一平面，移面的法线三者一般不在一平面，即即+900。第13页，本讲稿共54页施密特定律施密特定律 滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为：其中其中称为取向因子或施密特因子。称为取向因子或施密特因子。当当+=90+=900 0，取向因子有最，取向因子有最大值大值0.50.5。第14页，本讲稿共54页施密特定律施密特定律 滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为：称为施密特定律，称为施密特定律，c c是一常数，是一常数，但材料的屈服强度但材料的屈服强度s s则随拉则随拉力轴相对于晶体的取向不同而力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异不同
11、，即晶体材料存在各向异性。性。第15页，本讲稿共54页临界分切应力与首开滑移系临界分切应力与首开滑移系 临界分切应力：临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。首开滑移系首开滑移系:在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临
12、界分切应力，开始发大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为这个外力下这个外力下的首开滑的首开滑移系。移系。等效滑移系等效滑移系:在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为同滑移系称为这个外力下这个外力下的等效滑移系。的等效滑移系。第16页，本讲稿共54页单滑移、多滑移和交滑移单滑移、多滑移和交
13、滑移当只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到了临界分切应力当只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到了临界分切应力单滑移。单滑移。当拉力轴在晶体的特定取向上，可能会使几个滑移系上的分切应当拉力轴在晶体的特定取向上，可能会使几个滑移系上的分切应力相等，在同时达到了临界分切应力时，就会发生力相等，在同时达到了临界分切应力时，就会发生多滑移。多滑移。当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个滑移系上的位错会交互作用，产生交割和反应。滑移系上的位错会交互作用，产生交割和反应。交滑移交滑移是螺型位错在两个相交的滑移面上的运动，当螺型位错
14、在是螺型位错在两个相交的滑移面上的运动，当螺型位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转到另一滑移面上继续滑移，滑一个滑移面上运动遇有障碍，会转到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。交滑移的滑移线不是平直的，有转折和台阶。移方向不变。交滑移的滑移线不是平直的，有转折和台阶。第17页，本讲稿共54页第18页，本讲稿共54页多晶体的塑性变形一一.晶界和晶体位向对塑性变形的影响晶界和晶体位向对塑性变形的影响多晶体的变形概括起来有两个特点：多晶体的变形概括起来有两个特点：（1）变形的传递）变形的传递 当一个晶粒的位错在某一滑移系上动作后，在位当一个晶粒的位错在某一滑移系上动作后，在位错遇到晶界时便塞积起来，
15、错遇到晶界时便塞积起来，位错在晶界处的塞积产位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。移的传播过程。第19页，本讲稿共54页（2）变形的协调）变形的协调 多晶体在变形时各个晶粒的自身变形都像单晶体多晶体在变形时各个晶粒的自身变形都像单晶体一样，彼此独立变形
16、互相不受约束，那么在晶界附近一样，彼此独立变形互相不受约束，那么在晶界附近变形将是不连续的，会出现空隙和裂缝，为了适应变变形将是不连续的，会出现空隙和裂缝，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移性动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移性动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。实验也观察到在晶界附近的滑移系是较多的。实验也观察到在晶界附近的滑移系是较多的。第20页，本讲稿共54页晶粒大小对材料强度的影响晶粒大小对材料强度的影响材
17、料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。愈大。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：大小有以下关系：式中的式中的d d为晶粒的平均直径，为晶粒的平均直径，k k为比例常数。这是个
18、经验公式，为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇佩奇(Hall-(Hall-Petch)Petch)关系。关系。第21页，本讲稿共54页晶界位错塞积模型晶界位错塞积模型位错运动至晶界受阻，便塞积起来，位错塞积使头部产生了应力集中。在同样的外加切应力作业下，在晶界附近塞积的位错数为粗晶粒多细晶粒少。位错塞积后便对晶粒中心的位错源有一反作用力，随塞积的数目而增大，增大到某一数值时，位错源停止动作。细晶粒的反作用力大，因为离位错源近，导致细晶粒的位错数目小。由于粗晶粒晶界处塞积的位错数多，产生的应力集中就更大，由前面所讲的变
19、形传递过程，更加容易使相邻晶粒的位错源开动，因而粗晶粒的屈服强度较低，即在较低的外力下就开始塑性变形。第22页，本讲稿共54页纯金属的变形强化加工硬化：在金属拉伸时的应力应变曲线中可以加工硬化：在金属拉伸时的应力应变曲线中可以看出，要继续变形只有不断增加外力。看出，要继续变形只有不断增加外力。一一.位错的交割位错的交割第23页，本讲稿共54页二二.位错的反应位错的反应两个滑移面上的位错相遇，在一定条件下可两个滑移面上的位错相遇，在一定条件下可发生位错反应，形成一个不可动摇的位错。发生位错反应，形成一个不可动摇的位错。新位错不可动，通常称之为梯杆位错。新位错不可动，通常称之为梯杆位错。这种位错结
20、合，称为洛麦尔柯垂尔锁（这种位错结合，称为洛麦尔柯垂尔锁（L-C锁）。锁）。由于面角位错锁的存在，使得两个滑移面上随后运动由于面角位错锁的存在，使得两个滑移面上随后运动的位错受到阻塞，这是引起加工硬化的一个可能原的位错受到阻塞，这是引起加工硬化的一个可能原因，它特别对低层错能的面心立方金属的变形强化影因，它特别对低层错能的面心立方金属的变形强化影响较大。响较大。第24页，本讲稿共54页三三.位错的增殖位错的增殖 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量但位错的数量(位错密度位错密度)却在不断的增加，这是因为在外却在不断的增加，
21、这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。例如例如1）F-R源（弗兰克瑞德源）源（弗兰克瑞德源）第25页，本讲稿共54页位错的增殖位错的增殖 利用利用Fnak-ReadFnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位错，错，CDCD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，内部内部CDCD段还存在。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外段还存在
22、。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。第26页，本讲稿共54页2）双交滑移机制）双交滑移机制高层错能的面心立方和体心立方，变形时的高层错能的面心立方和体心立方，变形时的位错增殖主要是靠双交滑移。位错增殖主要是靠双交滑移。见书上见书上P342第27页，本讲稿共54页合金的变形与强化固溶强化：固溶强化：合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于纯金属。纯金属。置换式的溶质原子，考虑溶质原子与溶剂原子尺寸的差别。置换式的溶质原子，考虑溶质原子与溶剂原子尺寸的差别。尺寸相差越
23、大，溶解度越小，强化效果越大。尺寸相差越大，溶解度越小，强化效果越大。原子尺寸差别（或称错配）所引起的晶格畸变，会产生一原子尺寸差别（或称错配）所引起的晶格畸变，会产生一内应力场，位错在这内应立场中运动会受到阻力。内应力场，位错在这内应立场中运动会受到阻力。对一些合金还考虑弹性模量的差别。如尺寸上没有差别，溶对一些合金还考虑弹性模量的差别。如尺寸上没有差别，溶质原子切变模量较大，对位错有斥力，反之切变模量较小时则有质原子切变模量较大，对位错有斥力，反之切变模量较小时则有吸力。吸力。第28页，本讲稿共54页间隙式的溶质原子间隙式的溶质原子 对于间隙式的溶质原子，当其溶于体心立方中，会造成对于间隙
24、式的溶质原子，当其溶于体心立方中，会造成不对称畸变。这时，溶质原子不仅和刃型位错，也和螺型位不对称畸变。这时，溶质原子不仅和刃型位错，也和螺型位错有强烈的交互作用，因而产生了很强的固溶强化效果。错有强烈的交互作用，因而产生了很强的固溶强化效果。第29页，本讲稿共54页低碳钢的屈服和应变时效低碳钢的屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预预变变形形和和时时效效的的影影响响：去去载载后后立立即即加加载载不不出出现现屈屈服服现现象象；去去载后放置一段时间或载后放置一段时间或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。原因：
25、柯氏气团的存在、破坏和重新形成。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。第30页，本讲稿共54页第二相对合金变形的影响第二相对合金变形的影响 1 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。2 2 性能性能 （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第31页，本讲稿共54页（2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 弥散强化：
26、位错绕过第二相粒子弥散强化：位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动粒子、位错环阻碍位错运动)b b强化强化 沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍 位错运动）位错运动）第32页，本讲稿共54页冷变形金属的组织与性能冷变形金属的力学性能冷变形金属的力学性能第33页，本讲稿共54页冷变形金属的组织冷变形金属的组织 晶粒拉长晶粒拉长;形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。晶粒拉长晶粒拉长;形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。第34页，本讲稿共54页形成
27、形变织构形成形变织构（1 1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2 2）常见类型）常见类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成）形成位错胞形成位错胞 变变形形量量 位位错错缠缠结结 位位错错胞胞 （大大量量位位错错缠缠结结在在胞胞壁壁，胞胞内内位位错错密度低。）密度低。）第35页，本讲稿共54页残
28、余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010）第一类残余应力（第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。第三类残余应力（第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。3
29、3 消除：去应力退火。消除：去应力退火。第36页，本讲稿共54页金属的断裂一一.理论断裂强度理论断裂强度 利用原子间结合力的模型可以求出金属的理论断裂强度。利用原子间结合力的模型可以求出金属的理论断裂强度。二二.实际断裂强度实际断裂强度 金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多。金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多。原因原因-材料内部存在裂纹。材料内部存在裂纹。裂纹多半是由不均匀和变形受到阻碍（如晶界、第二相裂纹多半是由不均匀和变形受到阻碍（如晶界、第二相等），产生了很大的应力集中，当应力集中达到了理论断裂强等），产生了很大的应力集中，当应力集中达到了理论断裂强度才开始萌生裂纹
30、。度才开始萌生裂纹。第37页，本讲稿共54页冷变形金属的回复阶段一一 回复与再结晶回复与再结晶 回回复复：冷冷变变形形金金属属在在低低温温加加热热时时，其其显显微微组组织织无无可可见见变变化化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再再结结晶晶：冷冷变变形形金金属属被被加加热热到到适适当当温温度度时时，在在变变形形组组织织内内部部新新的的无无畸畸变变的的等等轴轴晶晶粒粒逐逐渐渐取取代代变变形形晶晶粒粒，而而使使形形变变强强化化效效应应完完全全消除的过程。消除的过程。回复 再结晶 晶粒长大第38页，本讲稿共54页二 显微组织变化（示意图）
31、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。回复 再结晶 晶粒长大第39页，本讲稿共54页回复动力学（示意图）1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x0 原始加工硬化残留率；x退火时加工硬化残留率；c0比例常数；t加热时间；T加热温度。第40页，本讲稿共54页 回复动力学（示意图）回复动力学（示意图）2 2 动力学曲线特点动力学曲线特点 （1 1）没有孕育期；）没有孕育期；（2 2）开始变化快，随后变慢；）开始变化快，随后变慢
32、；（3 3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。）长时间处理后，性能趋于一平衡值。第41页，本讲稿共54页二二 回复机理回复机理 1 1 低温回复（低温回复（0.10.10.3Tm0.3Tm）移至晶界、位错处移至晶界、位错处点点缺缺陷陷运运动动 空空位位间间隙隙原原子子 消消失失 缺缺陷陷密密度降低度降低 空位聚集（空位群、对）空位聚集（空位群、对）第42页，本讲稿共54页回复机理回复机理 2 2 中温回复中温回复 （0.30.30.5Tm0.5Tm）异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错滑移位错滑移 位错缠结重新排列位错缠结重新排列 位错密度降低位错密度降低 亚晶粒长大亚晶粒长大第43页，本讲
33、稿共54页二二 回复机理回复机理 3 3 高温回复（高温回复（0.5Tm0.5Tm）位错攀移（滑移）位错攀移（滑移）位错垂直排列（亚晶界）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）多边化（亚晶粒）弹性畸变能降低。弹性畸变能降低。第44页，本讲稿共54页冷变形金属的再结晶一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 1 1 形核形核 亚晶长大形核机制亚晶长大形核机制 （变形量较大时）（变形量较大时）亚晶合并形核亚晶合并形核 亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分）亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分）晶界凸出形核（变形量较小时）晶界凸出形核（变形量较小时）晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向晶界弓出形核
34、，凸向亚晶粒小的方向 第45页，本讲稿共54页一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 驱动力：畸变能差驱动力：畸变能差2 2 长大长大 方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。注：再结晶不是相变过程。注：再结晶不是相变过程。第46页，本讲稿共54页二二 再结晶动力学再结晶动力学 （1 1）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系v v再再A Aexp(-exp(-Q QR R/RT/RT)（2 2）规律）规律 开开始始时时再再结结晶晶速速度度很很小小，在在体体积积分分数数为为0.50.5时时最最大大，然然后后减减慢。慢。第47页，本
35、讲稿共54页影响再结晶的因素影响再结晶的因素1.1.在在给给定定温温度度下下发发生生再再结结晶晶需需要要一一个个最最小小的的变变形形量量，这这通通常常为为临临界界变形度。低于此变形度，不能再结晶。变形度。低于此变形度，不能再结晶。2.2.变变形形度度越越小小，开开始始再再结结晶晶的的温温度度就就越越高高。这这也也意意味味着着临临界界变变形形度随着退火温度的升高而减小。度随着退火温度的升高而减小。3.3.再再结结晶晶后后的的晶晶粒粒大大小小主主要要取取决决于于变变形形程程度度。变变形形量量越越大大，再再结晶后的晶粒越细。结晶后的晶粒越细。第48页，本讲稿共54页4.微量杂质元素就可明显地升高再结
36、晶温度或推迟再结晶过程的微量杂质元素就可明显地升高再结晶温度或推迟再结晶过程的进行。进行。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。5.5.第二相的影响。第二相的影响。当第二相尺寸较大，间距较宽时，再结晶核心能在其表面产生。当当第二相尺寸较大，间距较宽时，再结晶核心能在其表面产生。当第二相尺寸比较小且较密集时，则会阻碍再结晶的进行。第二相尺寸比较小且较密集时，则会阻碍再结晶的进行。6.原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。第49页，本讲稿共54页再结晶后的晶粒张大再结晶后的晶粒张大两种类型：两种类型
37、：1）随温度的升高或时间的增长而均匀地连续张大）随温度的升高或时间的增长而均匀地连续张大 正常张大正常张大2）不连续不均匀地张大反常张大或二次再结晶。）不连续不均匀地张大反常张大或二次再结晶。1。晶粒的正常张大。晶粒的正常张大驱动力降低总界面能驱动力降低总界面能热力学条件晶界的活动性。热力学条件晶界的活动性。晶界移动速度因温度升高而急剧增大。为了阻止高温下金属的晶界移动速度因温度升高而急剧增大。为了阻止高温下金属的张大，常加入一些合金元素，形成颗粒很小的第二相钉扎住晶张大，常加入一些合金元素，形成颗粒很小的第二相钉扎住晶界，阻碍晶界的移动。界，阻碍晶界的移动。第50页，本讲稿共54页二次再结晶
38、二次再结晶 对某些金属出现当温度升高到某一数值时，晶粒会突然对某些金属出现当温度升高到某一数值时，晶粒会突然反常地张大，温度再升高，晶粒又趋于减小，这种现象叫做反常地张大，温度再升高，晶粒又趋于减小，这种现象叫做二次再结晶。二次再结晶。第51页，本讲稿共54页形成原因：形成原因：再结晶后晶粒张大过程中，只有少数晶粒能够优先长再结晶后晶粒张大过程中，只有少数晶粒能够优先长大，而大多数晶粒不易长大。大，而大多数晶粒不易长大。1）冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时又形成了）冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时又形成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一致，晶粒间再结晶织构
39、，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一致，晶粒间位向差比较小，晶界不易移动。位向差比较小，晶界不易移动。2）当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍晶界的）当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍晶界的移动，晶粒也不会长大。移动，晶粒也不会长大。第52页，本讲稿共54页金属的热变形、蠕变与超塑性金属热变形过程以及对组织与性能的影响金属热变形过程以及对组织与性能的影响 在再结晶温度以上的加工变形叫做热变形。在再结晶温度以上的加工变形叫做热变形。1）发生晶粒的伸长与加工硬化。）发生晶粒的伸长与加工硬化。2）回复和再结晶过程。）回复和再结晶过程。金属的蠕变金属的蠕变 金属在室温下或者温度在
40、低于金属在室温下或者温度在低于0.3Tm时的变形，主要是通过滑时的变形，主要是通过滑移和孪晶两种方式进行的，而在温度高于移和孪晶两种方式进行的，而在温度高于0.3Tm时发生位错时发生位错的攀移，从而产生蠕变现象。所谓蠕变，是指材料在高温下的攀移，从而产生蠕变现象。所谓蠕变，是指材料在高温下的变形不仅与应力有关，而且与应力作用的时间有关。的变形不仅与应力有关，而且与应力作用的时间有关。第53页，本讲稿共54页金属的超塑性金属的超塑性 合金在一定条件下，金属可实现超塑性变合金在一定条件下，金属可实现超塑性变形，伸长率可达形，伸长率可达1000左右。左右。本质晶界的滑动与晶粒的转动所致。它没有晶粒的本质晶界的滑动与晶粒的转动所致。它没有晶粒的伸长变形，细晶粒和高温是实现这一变形的必要条件。伸长变形，细晶粒和高温是实现这一变形的必要条件。第54页，本讲稿共54页