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1、关于材料的变形和再结晶第1页，讲稿共71张，创作于星期二材料变形概论Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E第2页，讲稿共71张，创作于星期二Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E纳米铜的室温超塑性第3页，讲稿共71张，创作于星期二NASAsShuttleRemoteManipulatorSystem:SRMSCourtesyofGettyImages第4页，讲稿共71张，创作于
2、星期二材料变形概论 材料在力的作用下要产生变形，无论是金属材料、无机非金属材料和高分子材料，材料的变形就其基本特征而言可分为三类：p 弹性变形p 塑性变形p 粘性变形 本章将分别介绍材料的3种变形方式，着重讨论塑性变形的微观机理，并对金属弹性变形之后的再结晶现象进行讨论。第5页，讲稿共71张，创作于星期二弹性与粘弹性 弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。原子处于平衡位置时，其原子间距为r0，位能U处于最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变
3、形便完全消失，这就是弹性变形。（a）体系能量与原子间距的关系（b）原子间作用力和距离的关系第6页，讲稿共71张，创作于星期二1 弹性变形的本质Condon-Morse曲线第7页，讲稿共71张，创作于星期二第8页，讲稿共71张，创作于星期二2 弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的主要特征是：（1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。（2）金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克（Hooke）定律：在正应力下，=E，在切应力下，=Gg，式中，分别为正应力和切应力；，g分别为正应变和切应变；E，G
4、分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量。弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：第9页，讲稿共71张，创作于星期二式中，为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在0.250.35之间，高分子材料则相对较大些。弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。金刚石一类的共价键晶体由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；金属和离子晶体的则相对较低；而分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力更弱，故其弹性模量更低，通常比金属材料的低几个数量级。（3）弹性变形量随材料的不同而异。多数金属材料仅在低于比例极限p的应力范围内符合虎克定律，弹性变形量一般不超过0.5%；而
5、橡胶类高分子材料的高弹形变量则可高达1000%，但这种变形是非线性的。第10页，讲稿共71张，创作于星期二Cij为弹性系数，或刚度系数Sij为弹性顺序，或柔度系数由于对称性的原因，Cij Cji由于对称性的原因，Sij Sji晶体中的各向异性第11页，讲稿共71张，创作于星期二3 弹性的不完整性(1)包申格（Bauschiger）效应 材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则e升高，反向加载则e下降。此现象称之为包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍现象。包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某滑移面运动，遇林位错而弯曲。所有退
6、火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，因此，包申格效应是多晶体金属所具有普遍现象。第12页，讲稿共71张，创作于星期二3 弹性的不完整性(2)弹性后效 一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。材料组织越不均匀，弹性后效越明显，钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀性，故弹性后效倾向增大。p温度升高，弹性后效速率和弹性后效以后的变形量都急剧增加。p切应力愈大，弹性后效愈强烈。弹性后效与金
7、属中点缺陷的移动有关。恒应力下的应变弛豫第13页，讲稿共71张，创作于星期二3 弹性的不完整性(3)弹性滞后 由于应变落后于应力，在-曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。第14页，讲稿共71张，创作于星期二弹性与粘弹性弹性滞后（环）与循环韧性第15页，讲稿共71张，创作于星期二4 粘弹性 所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。纯粘性流动服从牛顿粘性流动定律：式中
8、为应力；d/dt为应变速率；称为粘度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流动的难易程度，其单位为Pas。一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象。粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期应力时，应力应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。第16页，讲稿共71张，创作于星期二滞弹性变形模型（a）Maxwell模型；（b）Voigt-Kelvin模型松弛系数（a）（b）第17页，讲稿共71张，创作于星期二晶体的塑性变形 应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。概述：金属当所施加的外力超过屈服强度时，就
9、会发生塑性变形。虽然，金属通常都是多晶体，但多晶体的变形是与其中各个晶粒的变形行为相关的，研究单晶体的变形能使我们掌握金属变形的基本过程，从而有助于进一步了解多晶体的变形。金属在常温和低温下，其塑性变形的主要方式是滑移和孪生。第18页，讲稿共71张，创作于星期二1 滑移系及临界分切应力定律1、滑移现象 晶体的塑性变形并非均匀地发生于整个晶体中，而是一个不均匀的过程，当应力超过其弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对位移，即滑移。发生了滑移，使试样的抛光面上产生了高低不一的台阶即滑移线，许多密集在一起的滑移线组成滑称带。2、滑移系 晶体的滑移并不是任意的，通常是沿着一定的晶面发生的，此组晶面称
10、为滑移面，滑移是沿着滑移面上的一定晶向进行，称为滑移方向。滑移面通常是晶体中原子的密排面，滑称方向通常是晶体中原子的最密排方向。一个滑移面和该面上的一个滑称方向级成一个滑移系，每一个滑移系表示金属晶体进行滑称时可能采取的一个空间取向。例如：f.c.c滑移面111，滑移方向。这样就可组成：第19页，讲稿共71张，创作于星期二面心立方的滑移系滑移方向，滑移面一般为111面心立方结构共有四个不同的111晶面，每个滑移面上有三个晶向，故共有43=12个滑移系。第20页，讲稿共71张，创作于星期二移方向恒为列产品 ，滑移面为（0001）或棱柱面 、棱锥面密排六方的滑移系第21页，讲稿共71张，创作于星期
11、二hcp滑移系a.当滑移面为（0001）时，晶体中滑移面只有一个，此面上有三个 晶向，故滑移系数目为13=3个。b.当滑移面为 时，晶体中滑移面共有3个，每个滑移面上一个 晶向，故滑移系数目为31=3个。c.当滑移面为斜面 时，此时滑移面共有6个，每个滑移面上一个 ，故滑移系数目为61=6个。由于hcp金属滑移系数目较少，密排六方金属的塑性通常都不太好。第22页，讲稿共71张，创作于星期二（3）bcc 滑移方向为，可能出现的滑移面有110、112、123如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目为：（个）11062+112121+123241=48第23页，讲稿共71张，创作于星期二典型材料的
12、滑移系统晶体结构材料滑移面滑移方向面心立方Al、Cu、Ni111体心立方-Fe110112123Mo、Nb、Ta110密排六方Be、Co、Mg、Zn、Cd0001Ti、Zr1010金刚石型立方结构C、Ge、Si111荧石结构CaF2、UO2、TbO2001金刚石结构TiO2101尖晶石结构MgAl2O4111第24页，讲稿共71张，创作于星期二3、临界分切应力定律 试棒横截面积为A，轴向拉力F。F与滑移面法线的夹角为，与滑移方向的夹角为，沿着滑移方向的分切应力为。当=S，=c 时，c=Scoscos第25页，讲稿共71张，创作于星期二 c：临界分切应力，表明当外力作用在滑移面上沿滑移方向的分切
13、应力达到某一临界值时晶体便开始滑移。式中：coscos 称取向因子（Schmid因子）单晶体的屈服强度随取向因子而改变 =45时,取向因子达到最大值，产生拉伸变形的屈服应力最小。=90或0时,S=,晶体不能沿该滑移面产生滑移。4、滑移时晶面的转动 随着滑移的进行，晶体要发生转动，从而导致晶体的空间取向变化。第26页，讲稿共71张，创作于星期二（1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化；，接近45，滑移变得容易。（2）取向因子的变化第27页，讲稿共71张，创作于星期二1.滑移的分类 多滑移
14、：在多个（2）滑移系上同时 或交替进行的滑移。双滑移：单滑移：2.等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。5、多系滑移 由临界分切应力定律可知，当对一个晶体施加外力时，可能会有两个以上的滑称系上的分切应力同时满足的条件，而使各自滑移面上的位错同时启动，这种现象称为多系滑移。滑移方向滑移系滑移面镜像法则：在标准投影图中标出加载力F的方向；该点将落入由投影轴-某滑移面-某滑移方向投影点所构成的三角形内，则与与该滑移面相对的滑移面和与该滑移方向相对的滑移方向就构成滑移系。第28页，讲稿共71张，创作于星期二6、复滑移 对于有多组滑移面的晶体来说，滑移首先发生在分切应力最
15、大的这组面上，但由于变形时晶面转动的结果，使起始滑移时取向最有利的滑移系逐渐转到不太有利的取向，而原来取向不太有利的滑移系则逐渐转到比较有利的取向，从而使滑移过程沿着两个或多个滑移系交替进行或同时进行，这个滑移称为复滑移。7、交滑移 交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。第29页，讲稿共71张，创作于星期二2 滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。第30页，讲稿共71张，创作于星期二 实
16、际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低34个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明位错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自点阵阻力。由于点阵结构的周期性，当位错沿滑移面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。3 滑移的位错机制 位错的扭折运动第31页，讲稿共71张，创作于星期二 由派纳力公式可知，位错宽度越大，则派一纳力越小，这是因为位错宽度表示了位错所导致的点阵严重畸变区的范围宽度大则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置，点阵的弹性畸变能低，故位错移
17、动时其他原子所作相应移动的距离较小，产生的阻力也较小。位错运动的阻力除点阵阻力外，位错与位错的交互作用产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产生的阻力，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。第32页，讲稿共71张，创作于星期二二 孪生（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取 向的镜面对称关系。孪生面 A1111,A2112,A310-12（2）孪生的晶体学 孪生方向 A1,A2,A3 孪晶区第33页，讲稿
18、共71张，创作于星期二面心立方晶体孪晶变形示意图孪生的位错极轴机制第34页，讲稿共71张，创作于星期二滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点晶体位向晶体位向不不改改变变（对对抛抛光光面面观观察察无无重现性）重现性）。改改变变，形形成成镜镜面面对对称称关关系系（对对抛抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的的整整数倍，较大。数倍，较大。小小于于孪孪生生方方向向上上的的原原子子间间距距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大
19、，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果第35页，讲稿共71张，创作于星期二孪生的特点孪生时一部分晶体发生了均匀的切变，但切变前后晶体结构不发生改变，而滑移变形是集中在一些滑移面上进行。孪生变形后，晶体已变形部分与未变形呈镜面对称，而滑移变形后晶体各部分的相对位向不发生切变第36页，讲稿共71张，创作于星期二锌中的变形孪晶第37
20、页，讲稿共71张，创作于星期二2孪生的特点 （1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变；孪晶浸蚀后有明显的衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。（2）孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。第38页，讲稿共71张，创作于星期二孪生小结1.孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距
21、的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变；孪晶浸蚀后有明显的衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。2.孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。3.形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。4.孪生本身对金属塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。第39页，讲稿共71张，创作于星期二（3）扭折 扭折是不均匀塑性
22、变形的一种形式，它是在滑移和孪生难以实现，或者在变形受到某种约束时才出现的。在扭折带中，晶体位向有突变，有可能使该区域内的滑移系处于有利的位置，从而产生滑移。为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。扭折变形与孪生不同，它使扭折区晶体的取向发生了不对称性的变化。扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，使晶体不致断裂。单晶镉被压缩时的扭折第40页，讲稿共71张，创作于星期二多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1晶粒取向的影响 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它
23、是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。这就与晶体的结构类型有关：滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体能满足这个条件，故它们的多晶体具有很好的塑性；相反，密排六方晶体由于滑移系少，晶粒之间的应变协调性很差，所以其多晶体的塑性变形能力可低。2晶界的影响 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，何况晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。对只有23个晶粒的试样进行拉伸试验表明，在晶界处呈竹节状。第41页，讲稿共71张，创作于星期二经拉伸后晶界处呈竹节状 位错在相邻晶粒中的作用示意图 在
24、变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近。这种在晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大：式中，0为作用于滑移面上外加分切应力；L为位错源至晶界之距离；k为系数，螺位错k=1，刃位错k=1-。当它增大到某一数值时，可使位错源停止开动。使晶体显著强化。第42页，讲稿共71张，创作于星期二 外加应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。由于晶界数量直接决定于晶粒的大小，因此，晶界对多晶体起始塑变抗力的影响可通过晶粒大小直接体现。实践证明，多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径d的关系
25、可用著名的霍尔佩奇（Hall-Petch）公式表示：式中，0反映晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度；K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。进一步实验证明，霍尔佩奇公式适用性甚广。因此，一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。第43页，讲稿共71张，创作于星期二等温强度示意图 当变形温度高于0.5Tm（熔点）以上时，由于原子活动能力的增大，以及原子沿晶界的扩散速率加快，使高温下的晶界具有一定的粘滞性特点，它对变形的阻力大为减弱，即使施加很小的应力，只要作用时间足够长，也会
26、发生晶粒沿晶界的相对滑动，成为多晶体在高温时一种重要的变形方式。此外，在高温时，多晶体特别是细晶粒的多晶体还可能出现另一种称为扩散性蠕变的变形机制，这个过程与空位的扩散有关。在多晶体材料中往往存在一“等强温度TE”，低于TE时，晶界强度高于晶粒内部的；高于TE时则得到相反的结果第44页，讲稿共71张，创作于星期二合金的塑性变形合金的塑性变形 按合金组成相不同，主要可分为单相固溶体合金和多相合金，它们的塑性变形又各具有不同特点。1单相固溶休合金的塑性变形 和纯金属相比最大的区别在于单相固溶体合金中存在溶质原子。溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用，提高了塑性变形的阻力，此外，有些固
27、溶体会出现明显的屈服点和应变时效现象，现分述如下：a固溶强化 溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力随之提高。比较纯金属与不同浓度的固溶体的应力一应变曲线。第45页，讲稿共71张，创作于星期二 不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别。（1）溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大，特别是当原子数分数很低时的强化效应更为显著。（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。铝溶有镁后的应力-应变曲线 溶质原子的加入不仅提高了整个应力一应变曲线的水平
28、，而且使合金的加工硬化速率增大。第46页，讲稿共71张，创作于星期二b屈服现象与应变时效 上图为低碳钢典型的应力一应变曲线，与一般拉伸曲线不同，出现了明显的屈服点。当应力达到上屈服点时，首先在试样的应力集中处开始塑性变形，并在试样表面产生一个与拉伸轴约成45交角的变形带一吕德斯（Lders）带，与此同时，应力降到下屈服点。随后这种变形带沿试样长度方向不断形成与扩展，从而产生拉伸曲线平台的屈服伸长。其中，应力的每一次微小波动，即对应一个新变形带的形成。当屈服扩展到整个试样标距范围时，屈服延伸阶段就告结束。低碳钢退火态的工程应力一应变曲线及屈服现象 第47页，讲稿共71张，创作于星期二 通常认为在
29、固溶体合金中，溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团，即所谓的Cottrell气团。间隙型溶质原子和位错的交互作用很强，位错被牢固地钉扎住。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱Cottrell气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点；而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。这就是屈服现象的物理本质。与低碳钢屈服现象相关连的还存在一种应变时效行为。低碳钢的拉伸试验 a-预塑性变形 b-去载后立即再行加载 c-去载后放置一段时间或在200加热后再加载 第48页，讲稿共71张，创作于星期二 当退火状态低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形后（曲
30、线a）卸载，然后立即重新加载拉伸，则可见其拉伸曲线不再出现屈服点（曲线b），此时试样不发生屈服现象。如果不采取上述方案，而是将预变形试样在常温下放置几天或经200左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高（曲线c），此现象通常称为应变时效。同样，Cottrell气团理论能很好地解释低碳钢的应变时效。当卸载后立即重新加载，由于位错已经挣脱出气团的钉扎，故不出现屈服点；如果卸载后放置较长时间或经时效则溶质原子已经通过扩散而重新聚集到位错周围形成了气团，故屈服现象又复出现。第49页，讲稿共71张，创作于星期二2多相合金的塑性变形 由于第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，它与基体
31、相的结合状况不一、以及第二相的形变特征与基体相的差异，使得多相合金的塑性变形更加复杂。根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分成两大类：若第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级，称为聚合型两相合金；若第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中，称为弥散分布型两相合金。a聚合型合金的塑性变形 当组成合金的两相晶粒尺寸属同一数量级，且都为塑性相时，则合金的变形能力取决于两相的体积分数。实验证明，这类合金在发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较软的相中，如果较强相数量较少时，则塑性变形基本上是在较弱的相中；只有当第二相为较强相，且体积分数大于30时，才能起明显的强化作用。b弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以细小
32、弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。通常可将第二相粒子分为“不可变形的”和“可变形的”两类。第50页，讲稿共71张，创作于星期二位错绕过第二相粒子的示意图（1）不可变形粒子的强化作用。当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，使位错线绕着它发生弯曲。随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲更剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续移动。显然，位错按这种方式移动时受到的阻力是很大的，而且每个留下的位错环要作用于位错源一反向应力，故继续变
33、形时必须增大应力以克服此反向应力，使流变应力迅速提高。根据位错理论，迫使位错线弯曲到曲率半径为R时所需切应力为第51页，讲稿共71张，创作于星期二 此时由于R=/2，所以位错线弯曲到该状态所需切应力为 上述位错绕过障碍物的机制是由奥罗万（EOrowan）首先提出的，故通常称为奥罗万机制，它已被实验所证实。（2）可变形微粒的强化作用。当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。在这种情况下，强化作用主要决定于粒子本身的性质，以及与基体的联系，其强化机制甚为复杂，且因合金而异。第52页，讲稿共71张，创作于星期二典型的面心立方、体心立方和密排六方金属单晶体的应力应变曲线 单晶与
34、多晶的应力应变曲线比较（室温）（a）Al（b）Cu 第53页，讲稿共71张，创作于星期二或 I阶段易滑移阶段：当达到晶体的c后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率（或）即加工硬化率低，一般 为10-4G数量级（G为材料的切变模量）。阶段线性硬化阶段：随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著，G/300，近乎常数。阶段抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，逐渐下降。各种晶体的实际曲线因其晶体结构类型、晶体位向、杂质含量，以及试验温度等因素的不同而有所变化，但总的说，其基本特征相同，只是各阶段的长短通过位错的运动、增殖和交互
35、作用而受影响，甚至某一阶段可能就不再出现。第54页，讲稿共71张，创作于星期二3性能的变化材料在塑性变形过程中，随着内部组织与结构的变化，其力学、物理和化学性能均发生明显的改变。a加工硬化 金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。加工硬化是金属材料的一项重要特性，可被用作强化金属的途径。特别是对那些不能通过热处理强化的材料如纯金属，以及某些合金，如奥氏体不锈钢等，主要是借冷加工实现强化的。单晶体的切应力一应变曲线，显示塑性变形的三个阶段 第55页，讲稿共71张，创作于星期二1显微组织的变化 经塑性变形后，金属材料的显微组织发生明显的改变。除了每个晶
36、粒内部出现大量的滑移带或孪晶带外，随着变形度的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长。当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。2亚结构的变化 晶体的塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增殖。随着变形度的增大，晶体中的位错密度迅速提高，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的106107cm-2增至10111012cm-2。经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。进一步增加变形度时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构。此时，变形晶粒
37、是由许多这种胞状亚结构组成，各胞之间存在微小的位向差。随着变形度的增大，变形胞的数量增多、尺寸减小。如果经强烈冷轧或冷拉等变形，则伴随纤维组织的出现，其亚结构也将由大量细长状变形胞组成。塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响第56页，讲稿共71张，创作于星期二或 面心立方和体心立方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶体的第阶段通常很长，远远超过其他结构的晶体，以致于第阶段还未充分发展时试样就已经断裂了。多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I
38、阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显。有关加工硬化的机制，即流变应力是位错密度的平方根的线性函数，这已被许多实验证实。因此，塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。b其他性能的变化 经塑性变形后的金属材料，由于点阵畸变，空位和位错等结构缺陷的增加，使其物理性能和化学性能也发生一定的变化。如塑性变形通常可使金属的电阻率增高，增加的程度与形变量成正比。另外，塑性变形后，金属的电阻温度系数下降，磁导率下降，热导率也有所降低，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。由于塑性变形使得金属中的结构缺陷增多，自由焓升高，因而导致金属中的扩散过程加速，金
39、属的化学活性增大，腐蚀速度加快。第57页，讲稿共71张，创作于星期二或5残余应力 塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热之外，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。储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：（1）第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总
40、储存能的0.1左右。（2）第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。（3）第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（8090）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。第58页
41、，讲稿共71张，创作于星期二3 回复和再结晶 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。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。了解这些过程的发生和发展规律，对于改善和控制金属材料的组织和性能具有重要的意义。1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 冷变形后材料经重新加热进行退火之后，其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指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；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。第59页，讲稿共71张，创
42、作于星期二3 回复和再结晶 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，称为晶粒长大阶段。第60页，讲稿共71张，创作于星期二回复1回复动力学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。回复特征通常可用一级反应方程来表达：式中，t为恒温下的加热时间；x为冷变形导致的性
43、能增量经加热后的残留分数；c为与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点，可由著名的阿累尼乌斯（Arrhenius）方程来描述：式中，Q为激活能；R为气体常数；T为绝对温度；c0为比例常数。回复方程式：式中，A为常数。作lnt-1/T图，如为直线，则由直线斜率可求得回复过程的激活能。回复方程式：式中，A为常数。作lnt1/T图，如为直线，则由直线斜率可求得回复过程的激活能。第61页，讲稿共71张，创作于星期二回复机制a低温回复 低温时，回复主要与点缺陷的迁移有关。b中温回复 加热温度稍高时会发生位错运动和重新分布小回复的机制主要与位错的滑移有关。c高温回复 高温（0
44、.3Tm）时，刃型位错可获得足够能量产生攀移。通过攀移使同一滑移面上异号位错相消，位错密度下降，位错重排成较稳定的组态，构成亚晶界，形成回复后的亚晶结构。从上述回复机制可以理解，回复过程中电阻率的明显下降主要是由于过量空位的减少和位错应变能的降低；内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除；硬度及强度下降不多则是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小之故。点缺陷的迁移 (低温)位错的迁移 (中温)位错的攀移 (高温)回复机制第62页，讲稿共71张，创作于星期二再结晶 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）。通过再结晶退火可以消除冷加工的影响，故在实际生产中起
45、着重要作用。1再结晶过程 再结晶是一种形核和长大过程，即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等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。a形核（1）晶界弓出形核。对于变形程度较小（一般小于20）的金属，其再结晶核心多以晶界弓出方式形成，即应变诱导晶界移动或称为凸出形核机制。（2）亚晶形核。此机制一般是在大的变形度下发生。借助亚晶作为再结晶的核心，其形核机制又可分为以下两种：亚晶合并机制;亚晶迁移机制。第63页，讲稿共71张，创作于星期二 上述两机制都是依靠亚晶粒的粗化来发展为再结晶核心的。亚晶粒本身是在剧烈应变的基体只通过多边化形成的，几乎无位错的低能量地区，它通过消耗
46、周围的高能量区长大成为再结晶的有效核心，因此，随着形变度的增大会产生更多的亚晶而有利于再结晶形核。这就可解释再结晶后的晶粒为什么会随着变形度的增大而变细的问题。b长大 再结晶晶核形成之后，它就借界面的移动而向周围畸变区域长大。2再结晶动力学 再结晶动力学决定于形核率 和长大速率 的大小。和 不随时间而改变的情况下，在恒温下经过t时间后，已经再结晶的体积分数R可用下式表示：再结晶速率和产生某一体积分数R所需的时间t成反比，即v/t，故此 式中 为常数，Q为再结晶的激活能；R为气体常数，T为绝对温度。Johnson-Mehl方程第64页，讲稿共71张，创作于星期二3再结晶温度及其影响因素 冷变形金
47、属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50所对应的温度，定为再结晶温度。再结晶温度并不是一个物理常数，它不仅随材料而改变，同一材料其冷变形程度、原始晶粒度等因素也影响着再结晶温度。a变形程度的影响 随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度就基本上稳定不变了。对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度TR/K约等于其熔点TmK的0.3504。b原始晶粒尺寸 金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的
48、能量较高，再结晶温度则较低。c微量溶质原子 微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过程。第65页，讲稿共71张，创作于星期二d第二相粒子 第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶。e再结晶退火工艺参数 加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。若加热速度过于缓慢时，再结晶温度上升。当变形程度和退火保温时间一定时，退火温度愈
49、高，再结晶速度愈快。4再结晶后的晶粒大小 由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调整再结晶退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具有一定的实际意义。运用约翰逊梅厄方程，可以证明再结晶后晶粒尺寸d与 和长大速率 之间存在着下列关系：第66页，讲稿共71张，创作于星期二a变形度的影响 冷变形程度对再结晶后晶粒大小的影响如图5.56所示。当变形程度很小时，晶粒尺寸即为原始晶粒的尺寸，这是因为变形量过小，造成的储存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，此时的畸变能已足以引起再结晶，但由于变形程度不大，/比值很小，因此得到特别粗大的晶粒。通常，把对应于再结晶后得到
50、特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”，当变形量大于临界变形量之后，变形度愈大，晶粒愈细化。b退火温度的影响 退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸的影响比较弱。提高退火温度可使再结晶的速度显著加快，临界变形度数值变小第67页，讲稿共71张，创作于星期二晶粒长大 再结晶结束后，材料通常得到细小等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，将引起晶粒进一步长大。对晶粒长大而言，晶界移动的驱动力通常来苏总的界面能的降低。晶粒长大按其特点可分为两类：正常晶粒长大与异常晶粒长大（二次再结晶人前者表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大；而后者则为少数晶粒突发性的不均匀长大。第68页，讲稿共71张，创作于星期二再