第三章 金属的塑性变形与再结晶
塑性变形是塑性加工（如锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等）的基础。大多数钢和有色金属及其合金都有一定的塑性，因此它们均可在热态或冷态下进行塑性加工。
塑性变形不仅可使金属获得一定形状和尺寸的零件、毛坯或型材，而且还会引起金属内部组织与结构的变化，使铸态金属的组织与性能得到改善。因此，研究塑性变形过程中的组织、结构与性能的变化规律，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料都具有重要意义。
第一节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形
单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。
1畅滑移
滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（即滑移面）发生相对的滑动。
滑移是金属塑性变形的主要方式。
图3－1 单晶体滑移示意图单晶体受拉伸时，外力F 作用在滑移面上的应力f 可分解为正
应力σ和切应力τ，如图３－１所示。正应力只使晶体产生弹性伸
长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断。切应力则使晶体产生弹
性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑
移。
图３－２所示为单晶体在切应力作用下的变形情况。单晶体未
受到外力作用时，原子处于平衡位置（图３－２ａ）。当切应力较小
时，晶格发生弹性歪扭（图３－２ｂ），若此时去除外力，则切应力消
失，晶格弹性歪扭也随之消失，晶体恢复到原始状态，即产生弹性变
形；若切应力继续增大到超过原子间的结合力，则在某个晶面两侧
的原子将发生相对滑移，滑移的距离为原子间距的整数倍（图３－２ｃ）。此时如果使切应力消失，晶格歪扭可以恢复，但已经滑移的原子不能回复到变形前的位置，即产生塑性变形（图３－２ｄ）；如果切应力继续增大，其他晶面上的原子也产生滑移，从而使晶体塑性变形继续下去。许多晶面上都发生滑移后就形成了单晶体的整体塑性变形。
一般，在各种晶体中，滑移并不是沿着任意的晶面和晶向发生的，而总是沿晶体中原子排列最紧密的晶面和该晶面上原子排列最紧密的晶向进行的。这是因为最密晶面间的面间距和最密晶向间的原子间距最大，因而原子结合力最弱，故在较小切应力作用下便能引起它们之间的相对
3
3
图3－2 单晶体在切应力作用下的变形示意图
滑移。由图３－３可知，Ⅰ－Ⅰ晶面原子排列最紧密（原子间距小），面间距最大（a／２），面间结
合力最弱，故常沿这样的晶面发生滑移。而Ⅱ－Ⅱ晶面原子排列最稀（原子间距大），面间距较
小（a／２），面间结合力较强，故不易沿此面滑移。这同样也可解释为什么滑移总是沿滑移面（晶
面）上原子排列最紧密的方向进行。
上述的滑移是指滑移面上每个原子都同时移到与其相邻的另一个平衡位置上，即作刚性移
动。但是研究表明，滑移时并不是整个滑移面上的原子一起作刚性移动，而是通过晶体中的位错
线沿滑移面的移动实现。如图３－４所示，晶体在切应力作用下，位错线上面的两列原子向右微
量移动到“●”位置，位错线下面的一列原子向左微量移动到“●”位置，这样就使位错在滑移面上向右移动一个原子间距。在切应力作用下，位错继续向右移动到晶体表面上，就形成了一个原子
间距的滑移量（图３－５）。一个晶面产生的滑移量很小，很多晶面同时滑移积累起来就产生了一
定量的塑性变形。由于位错前进一个原子间距时，一起移动的原子数目并不多（只有位错中心少
数几个原子），而且它们的位移量都不大。因此，使位错沿滑移面移动所需的切应力不大。位错
的这种容易移动的特点，称为位错的易动性。可见，少量位错的存在，显著降低了金属的强度。
但当位错数目超过一定值时，随着位错密度的增加，强度、硬度逐渐增加，这是由于位错之间以及
位错与其他缺陷之间存在相互作用，使位错运动受阻，滑移所需切应力增加，金属强度升高。
图3－3 滑移面示意图图3－4 刃型位错运动时的原子2畅孪生
孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪
生方向）产生剪切变形（切变），如图３－６所示。产生切变的部分称为孪生带或孪晶。孪生的结43
图3－5 刃型位错移动产生滑移的示意图
果使孪生面两侧的晶体形成了镜面对称关系（镜面即孪生面
），孪生带中的晶格位向发生了变图3－6 孪生示意图（双点画线是晶格在变形前的位置）
化，孪生带两边外侧晶体的晶格位向没有变化。
孪生与滑移变形的主要区别是：孪生变形时，孪生
带中相邻原子面的相对位移为原子间距的分数值，且
晶体位向发生变化；而滑移变形时，滑移的距离是原子
间距的整数倍，晶体的位向不发生变化。孪生变形所
需的临界切应力比滑移变形的临界切应力大得多，例
如镁的孪生临界切应力为５～３５ＭＮ／ｍ２
，而滑移临界切应力为０．８３ＭＮ／ｍ２。因此，只有当滑移很难进行时，晶体才发生孪生。
二、多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形的方式仍然是滑移和孪生。多晶
体中由于晶界的存在以及各晶粒位向不同，各晶粒在
外力作用下所受的应力状态和大小是不同的。因此，多晶体发生塑性变形时并不是所有晶粒同时进行滑移，而是随着外力的增加，晶粒有先有后，分期分批地进行滑移。在外力作用下，滑移面和滑移方向与外力呈４５°角的一些晶粒受力最大，称它为软位向。当滑移面与外力平行或垂直时，晶体不能产生滑移，称此位向为硬位向。软位向晶粒首先产生滑移，与此同时，硬位向晶粒受力后开始向软位向方向变化（转动），并随后也产生滑移。如此一批批地进行，直至全部晶粒都发生变形为止。由此可见，多晶体塑性变形过程比单晶体复杂得多，它不仅有晶内滑移，而且还有晶间的相对滑移。此外，由于晶粒的滑移面与外力作用方向并不完全一致，所以在滑移过程中，
必然会伴随晶粒的转动。
图3－7 由两个晶粒组成的金属试样在拉伸时的变形
由于各晶粒位向不同，且晶界上原子排列紊乱，并存在较多杂质，造成晶格畸变，因此金属在塑性变形时各个晶粒会互相牵制，互相阻碍，从而使滑移困
难，它必须克服这些阻力才能发生滑移。所以，在多晶体金属
中其滑移抗力比单晶体大，即多晶体金属强度高。这一规律
可通过由两个晶粒组成的金属及其在承受拉伸时的变形情况
显示出来。由图３－７可看出，在远离夹头和晶界处晶体变形
很明显，即变细了；在靠近晶界处，变形不明显，其截面基本保
持不变，出现了所谓的“竹节”现象。
一般，在室温下晶粒间结合力较强，比晶粒本身的强度5
3
大。因此，金属的塑性变形和断裂多发生在晶粒本身，而不是晶界上。晶粒越细小，晶界越多，变形阻力越大，所以强度越高。
第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
一、形成纤维组织，性能趋于各向异性
金属在外力作用下产生塑性变形时，随着金属外形被拉长（或压扁），其晶粒也相应地被拉长（或压扁）。当变形量很大时，各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，晶界模糊不清，这种组织称为纤维组织，如图３－８所示。形成纤维组织后，金属的性能有明显的方向性，例如纵向（沿纤维组织方向）的强度和塑性比横向（垂直于纤维组织方向）
高得多。
图3－8 变形前后晶粒形状的变化示意图
二、产生冷变形强化（加工硬化）
金属发生塑性变形时，不仅晶粒外形发生变化，而且晶粒内部结构也发生变化。在变形量不大时，先是在变形晶粒的晶界附近出现位错的堆积，随着变形量的增大，晶粒破碎成为细碎的亚晶粒，变形量越大，晶粒破碎得越严重，亚晶界越多，位错密度越大。这种在亚晶界处大量堆积的位错，以及它们之间的相互干扰，均会阻碍位错的运动，使金属塑性变形抗力增大，强度和硬度显著提高。随着变形程度增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，称为冷变形强化或加工硬化。图３－９
所示为纯铜冷轧变形度对力学性能的影响。
图3－9 纯铜冷轧变形度对力学性能的影响
冷变形强化在生产中具有很重要的实际意义。首
先，可利用冷变形强化强化金属，提高其强度、硬度和耐
磨性。尤其是对于不能用热处理方法提高强度的金属
更为重要。例如，在机械加工过程中使用冷挤压、冷轧
等方法，可大大提高钢和其他材料的强度和硬度。其
次，冷变形强化有利于金属进行均匀变形，这是由于金
属变形部分产生了冷变形强化，使继续变形主要在金属
未变形或变形较小的部分中进行，造成金属变形趋于均
匀。另外，冷变形强化可提高构件在使用过程中的安全
性。若构件在工作过程中产生应力集中或过载现象，往
往由于金属能产生冷变形强化，使过载部位在发生少量塑性变形后提高了屈服点，并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而提高了构件的安全性。但冷变形强化使金属塑性降63
低，给进一步塑性变形带来困难。为了使金属材料能继续变形，必须在加工过程中安排中间退火以消除冷变形强化。
冷变形强化不仅使金属的力学性能发生变化，而且还使金属的某些物理和化学性能发生变化，如使金属电阻增加，耐蚀性降低等。
三、形成形变织构（或择优取向）
金属发生塑性变形时，各晶粒的晶格位向会沿着变形方向发生转变。当变形量很大时（＞７０％），各晶粒的位向将与外力方向趋于一致，晶粒趋向于整齐排列，称这种现象为择优取
向，
所形成的有序化结构称为形变织构。图3－10 冲压件的制耳形变织构会使金属性能呈现明显的各向异性。各向异
性在多数情况下对金属的后续加工或使用是不利的。例如，
用有织构的板材冲制筒形零件时，由于不同方向上的塑性差
别很大，使变形不均匀，导致零件边缘不齐，即出现所谓的
“制耳”现象，如图３－１０所示。但织构在某些情况下是有利的，例如制造变压器铁心的硅钢片，利用织构可使变压器铁
心的磁导率明显增加，磁滞损耗降低，从而提高变压器的效率。
形变织构很难消除。生产中为避免织构产生，常将零件的较大变形量分几次变形完成，并进行中间退火。
四、产生残留应力
残留应力是指去除外力后，残留在金属内部的应力。它主要是由于金属在外力作用下内部变形不均匀造成的。例如，金属表层和心部之间变形不均匀会形成平衡于表层与心部之间的宏观应力（或称第一类应力）；相邻晶粒之间或晶粒内部不同部位之间变形不均匀形成的微观应力（或称第二类应力）；由于位错等晶体缺陷的增加形成晶格畸变应力（或称第三类应力）。通常外力对金属作的功绝大部分（约９０％以上）在变形过程中转化为热而散失，只有很少（约１０％）的能量转化为应力残留在金属中，使其内能升高。其中第三类应力占绝大部分，它是使金属强化的主要因素。第一类或第二类应力虽然在变形金属中占的比例不大，但在大多数情况下，不仅会降低金属的强度，而且还会因随后的应力松弛或重新分布引起金属变形。另外，残留应力还使金属的耐蚀性降低。为消除和降低残留应力，通常要进行退火。
生产中若能合理控制和利用残留应力，也可使其变为有利因素，如对零件进行喷丸、表面滚压处理等使其表面产生一定的塑性变形而形成残留压应力，从而可提高零件的疲劳强度。
第三节 冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化
经过冷塑性变形后的金属，发生了上述一系列组织和性能的变化，造成金属内部能量较高而处于不稳定状态，所以塑性变形后的金属总有恢复到能量较低、组织较为稳定状态的倾向。但在室温下原子活动能力弱，这种不稳定状态不会发生明显变化。如果进行加热，因原子活动能力增强，可使金属恢复到变形前的稳定状态。冷变形金属在加热时组织和性能的变化如图３－１１所
7
3
示。随加热温度的升高，
变化过程如下：
图3－11 冷变形金属在加热
时组织和性能的变化一、回复（或称恢复）
加热温度较低时，原子仅能作短距离扩散，回复到平衡位
置。例如偏离晶格结点位置的原子回复到结点位置，空位向晶
体表面、晶界处或位错处移动，使晶格结点恢复到较规则形状，
晶格畸变减轻，残留应力显著降低，物理和化学性能也基本恢复
到变形前的情况。但显微组织尺寸没有明显改变，位错密度未
显著减少，因而力学性能变化不大，称此阶段为回复。
使金属产生回复的温度称为回复温度。对于纯金属，T 回＝（０．２５～０．３０）T 熔，式中T 回、T 熔分别为回复温度和纯金属的熔
点，单位为Ｋ（热力学温度，即绝对温度）。生产中，利用回复现象可将已产生冷变形强化的金属在较
低温度下加热，使其残留应力基本消除，而保留了其强化的力学性能，这种处理称为低温去应力退火。例如，用深冲工艺制成的黄铜弹壳，放置一段时间后，由于应力的作用将产生变形。因此，黄铜弹壳经冷冲压后必须进行２６０℃左右的去应力退火。又如，用冷拔钢丝卷制的弹簧，在卷成之后要进行２００～３００℃的去应力退火，
以消除应力使其定型。
图3－12 金属的再结晶温度与冷变形度的关系
二、再结晶
当继续升高温度时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，破碎的、被拉长或压扁的晶粒变为均匀、细小的等轴晶粒，这一变化过程也是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。但再结晶后晶格类型没有改变，所以再结晶不是相变过程。
经再结晶后金属的强度、硬度显著降低，塑性、韧性大大提高，冷变形强化得以消除。再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进行的。通常再结晶温度是指再结晶开始的温度（发生再结晶所需的最低温度），它与金属的预先变形度及纯度等因素有关。金属的预先变形度越大，晶体缺陷就越多，则组织越不稳定，因此开始再结晶的温度越低。当预先变形度达到一定量后，再结晶温度趋于某一最低值（图３－１２），这一温度称为最低再结晶温度。实验证明：各种纯金属的最低再结晶温度与其熔点间的关系如下：
T 再≈０．４T 熔
式中：T 再———纯金属的最低再结晶温度，Ｋ。金属中的微量杂质或合金元素（尤其是高熔点的元素）
常会阻碍原子扩散和晶界迁移，从而显著提高再结晶温度。
例如，纯铁的最低再结晶温度约为４５０℃，加入少量的碳形成
低碳钢后，再结晶温度提高到５００～６５０℃。
由于再结晶过程是在一定时间内完成的，所以提高加热
速度可使再结晶在较高的温度下发生；而延长保温时间，可使
原子有充分的时间进行扩散，使再结晶过程能在较低的温度
下完成。
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将冷塑性变形加工的工件加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除变形强化和残留应力的退火工艺称为再结晶退火。此退火工艺也常作为冷变形加工过程中的中间退火，以恢复金属材料的塑性便于后续加工。为缩短退火周期，常将再结晶退火加热温度定在最低再结晶温度以上１００～２００℃。
三、再结晶后的晶粒大小与晶粒长大
冷变形金属经过再结晶退火后的晶粒大小，对其力学性能有很大影响。再结晶退火后的晶粒大小主要与加热温度、保温时间和退火前的变形度有关。
1畅加热温度与保温时间
再结晶退火加热温度越高，原子的活动能力越强，越有利于晶界的迁移，故退火后得到的晶粒越粗大，如图３－１３所示。此外，当加热温度一定时，保温时间越长，则晶粒越粗大，但其影响不如加热温度大。
2畅变形度
如图３－１４所示，当变形度很小时，由于金属的晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故晶粒大小没有变化。当变形度在２％～１０％范围时，由于变形度不大，金属中仅有部分晶粒发生变形，且很不均匀，再结晶时形核数目很少，晶粒大小极不均匀，因而有利于晶粒的吞并而得到粗大的晶粒，这种变形度称为临界变形度。生产中应尽量避开在临界变形度范围内加工。当变形度超过临界变形度后，随着变形度的增大，各晶粒变形越趋于均匀。再结晶时形核率越来越高，故晶粒越细小均匀。但当变形度大于９０％时，晶粒又可能急骤长大，这种现象是因形成织构造成的。
图3－13 再结晶退火温度对晶粒大小的影响图3－14 再结晶退火时的晶粒大小与变形度的关系3畅晶粒长大
再结晶后，若继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后均匀细小的晶粒会逐渐长大。晶粒长大实质上是一个晶粒的边界向另一个晶粒迁移的过程，将另一晶粒中的晶格位向逐步地改变为与这个晶粒的晶格位向相同，于是另一晶粒便逐渐被这一晶粒吞并而成为一个粗大晶粒，如图
３－１５所示。
通常，经过再结晶后获得均匀、细小的等轴晶粒，此时晶粒长大的速度并不很快。若原来变形不均匀，经过再结晶后得到大小不等的晶粒，由于大、小晶粒之间的能量相差悬殊，因此大晶粒很容易吞并小晶粒而越长越大，从而得到粗大的晶粒，使金属力学性能显著降低。晶粒的这种不均匀急剧长大现象称为二次再结晶或聚合再结晶。
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图3－15 晶粒长大示意图
第四节 金属的热变形加工
一、热变形加工的概念
从金属学观点来看，热变形加工和冷变形加工是根据再结晶温度划分的。在再结晶温度以上进行的变形加工称为热加工；在再结晶温度以下进行的变形加工称为冷加工。例如，钨的最低再结晶温度为１２００℃，即使在稍低于１２００℃的高温下进行变形加工仍属冷加工；铅的最低再结晶温度在０℃以下，因此它在室温的变形加工便属于热加工。
在再结晶温度以上变形时，塑性变形造成的冷变形强化随即被再结晶产生的软化所抵消，因此金属显示不出变形强化现象。在再结晶温度以下变形时，一般不发生再结晶过程，故变形必然导致冷变形强化。
在实际的热变形加工（热锻、热轧等）过程中，往往由于变形速度快，软化过程来不及消除变形强化的影响，因而需要提高加热温度加速再结晶过程，故生产中金属的实际热加工温度总是高于它的再结晶温度。当金属中含有少量杂质或合金元素时，热加工温度还应再高一些。
二、热变形加工对金属组织和性能的影响
１）使金属中的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质顺图3－16 热加工变形的流纹示意图着金属主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的组织就具有一定
的方向性，通常称为锻造流线，也称流纹或纤维组织，如图３－１６
所示。从而使金属的力学性能具有明显的各向异性。沿流纹方
向的强度、塑性和韧性明显大于垂直于流纹方向的相应性能。表３－１为４５钢（轧制空冷状态）的力学性能与流纹方向的关系。
表3－1 45钢（轧制空冷状态）的力学性能与流纹方向的关系取样方向
σｂ／ＭＰａσｓ／ＭＰａδ／％ψ／％A Ｋ／Ｊ平行流纹方向
７１５４７０１７．５６２．８４９．６垂直流纹方向６７５４４０１０３１
２４热变形加工时，应力求使零件具有合理的流纹分布，应使零件工作时的最大正应力方向与流纹方向平行，最大切应力方向与流纹方向垂直，流纹的分布应与零件外形轮廓相符而不被切断，以保证零件的使用性能。由图３－１７和图３－１８可看出，直接采用型材经切削加工制成的零件0
4
（图３－１７ａ和图３－１８ａ）会将流纹切断，使零件的轮廓与流纹方向不符，力学性能降低。若采用锻件则可使热加工流纹合理分布（图３－１７ｂ和图３－１８ｂ），从而提高零件力学性能，保证零件质量。
图3－17 不同方法制成的齿轮流纹分布示意图图3－18 不同方法制成的曲轴流纹分布示意图２）热变形加工能碎化铸态金属中粗大的树枝晶或柱状晶，使晶粒细化，提高力学性能。３）通过热变形加工可使铸态金属中的缩松、气孔、微裂纹等缺陷被焊合，从而提高金属的致密度和性能，见表３－２。
表3－2 碳钢（w C＝0．3％）铸态与锻态的力学性能比较
状 态σｂ／ＭＰａσｓ／ＭＰａδ／％ψ／％AＫ／Ｊ
铸 态５００２８０１５２７２８
锻 态５３０３１０２０４５５６
由此可见，通过热变形加工可使铸态金属的组织和性能得到明显改善，因此凡是受力复杂、载荷较大的重要工件一般都采用热变形加工方法制造。但应指出，只有在正确的加工工艺条件下才能改善组织和性能。例如，若热加工温度过高，便有可能形成粗大的晶粒；若热加工温度过低，则可能使金属产生冷变形强化、残留应力，甚至产生裂纹等。
思考题与习题
１畅什么是金属的塑性变形？塑性变形方式有哪些？
２畅试说明单晶体和多晶体塑性变形的原理。
３畅试根据多晶体塑性变形的特点说明：为什么细晶粒金属不仅强度高，而且塑性、韧性也好。
４畅什么是冷变形强化现象？试用生产实例说明冷变形强化现象的利弊。
５畅什么是回复？在回复过程中金属的组织和性能有何变化？
６畅什么是再结晶？在再结晶过程中金属的组织和性能有何变化？
７畅将未经塑性变形的金属加热到再结晶温度会发生再结晶吗？为什么？
８畅已知纯铝的熔点是６６０℃，黄铜的熔点是９５０℃。试估算纯铝和黄铜的最低再结晶温度，并确定其再结晶退火温度。
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９畅从金属学观点如何区分热变形加工和冷变形加工？为什么在某些热变形加工过程中也会产生冷变形强化和晶粒粗大现象？
１０畅金属经热塑性变形后，其组织和性能有何变化？
１１畅用下列三种方法制成的齿轮，哪种合理？为什么？
１）用厚钢板切成齿坯再加工成齿轮。
２）用钢棒切下作齿坯并加工成齿轮。
３）用圆钢棒热镦成齿坯再加工成齿轮。
１２畅假定有一铸造黄铜件，在其表面上打了数码，然后将数码锉掉，怎样辨认这个原先打上的数码？如果数码是在铸模中铸出的，一旦被锉掉，能否辨认？为什么？
１３畅在反复弯曲退火钢丝时，会感到越来越难弯曲，试分析其原因。
１４畅有一块低碳钢钢板，被炮弹射穿一孔，试问孔周围金属的组织和性能有何变化？为什么？
24
第六章回复与再结晶 (一)填空题 1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。 2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。 3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。 4．回复是，再结晶是。 5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。 6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。 7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。 (二)判断题 1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。（×） 2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。（√）3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。（×） 4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。（√） 金属铸件不能通过再结晶退火达到细化晶粒的目的，因为铸件，没有经受冷变形加工，所以当加热至再结晶退火温度时，其组织不会发生根本变化，因而达不到细化晶粒的目的。 再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。 5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。（×）； 6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。 （×） 7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。( √) 8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。（√） 9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。( √) 10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。这是两者的主要区别。( ×) (三)选择题 1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。 A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同 C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型 2．金属的再结晶温度是( ) A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值 3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( A )。 A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火 C 热处理强化D．热加工强化 4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( C )。 A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮 C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮 5．下面说法正确的是( C )。 A．冷加工钨在1 000℃发生再结晶 B 钢的再结晶退火温度为450℃ C 冷加工铅在0℃也会发生再结晶D．冷加工铝的T再≈0.4Tm＝0.4X660℃＝264℃ 6 下列工艺操作正确的是(D ) 。 A．用冷拉强化的弹簧丝绳吊装大型零件淬火加热时入炉和出炉 B 用冷拉强化的弹簧钢丝作沙发弹簧 C 室温可以将保险丝拉成细丝而不采取中间退火 D．铅的铸锭在室温多次轧制成为薄板，中间应进行再结晶退火 7 冷加工金属回复时，位错(C )。
第五章《金属及合金的塑性变形》复习题 一、名词解释： 1.滑移、临界分切应力、取向因子、滑移系统、多滑移和交滑移、孪生、软取 向和硬取向、几何软化和几何硬化、弗兰克-瑞德位错源、细晶强化、霍尔佩奇（Hall-Petch）经验公式、加工硬化、纤维组织、形变织构。 二、填空题： 1．一个与其上的一个组成一个。 2．加工硬化现象是指，。3．加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的根本原因是，。 4．金属塑性变形是的结果，滑移是的结果。所以，金属塑性变形的实质是。一切阻碍位错运动的因素都能提高金属的。5．金属塑性变形的基本方式是和。 6．单晶体拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于方向；压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向。 7．多晶体的塑性变形过程比单晶体更为复杂，其两个主要因素是和。 三、判断题： 1．金属结晶后，晶粒越粗大，其力学性能越好。（） 2．在体心立方晶格中，滑移面为｛110｝×6，而滑移方向为〈111〉×2，所以滑移系为12。（） 3．滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。（） 4．因为BCC晶格与FCC晶格具有相同数量的滑移系，所以两种晶体的塑性变
形能力完全相同。（） 5．孪生变形所需要的切应力要比滑移变形时所需的小得多。（） 四、选择题： 1．多晶体金属的晶粒越细小，则其:（） a．强度越高、塑性越好；b．强度越低、塑性越差； c．强度越高、但塑性变差；d．强度越低、但塑性较好。 2．能使单晶体产生塑性变形的应力为：（） a．正应力；b．切应力；c．复合应力。 3．面心立方晶格的晶体在受力时的滑移方向：（） a．〈111〉；b．〈110〉；c．〈100〉。 4．体心立方与面心立方晶格具有相同数量的滑移系，但其塑性变形能力是不同的，其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向：（）a．少；b．多；c．相等。 5．加工硬化使：（） a．强度增大，塑性降低；b．强度增大，塑性增大； c．强度减小，塑性增大；d．强度减小，塑性降低。 五、问答题： 1．晶粒大小对金属力学性能有何影响？常用的细化晶粒的方法有哪些？ 回答要点：晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性就越好。 细化晶粒的方法：1）增加过冷度；2）变质处理；3）附加振动。 2．晶格结构分别为密排六方、体心立方、面心立方的Zn、α-Fe、Cu的塑性在通常情况下不同，说明谁好谁差并解释产生的主要原因。 回答要点：Zn为密排六方晶格，α-Fe为体心立方晶格，Cu 为面心立方晶格，所以Zn的塑性最差，α-Fe其次，Cu的塑性最好。因为密排六方晶格的滑移系最少，而体心立方晶格与面心立方晶格虽然滑移系相同，但前者的滑移方
第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生； 临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小
分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的 移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大，金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的
根本原因是位错密度提高，变形抗 力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的 强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快，晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑
第四章塑性变形（含答案） 一、填空题（在空白处填上正确的内容） 1、晶体中能够产生滑移的晶面与晶向分别称为________和________，若晶体中这种晶面与晶向越多，则金属的塑性变形能力越________。 答案：滑移面、滑移方向、好（强） 2、金属的再结晶温度不仅与金属本身的________有关，还与变形度有关，这种变形度越大，则再结晶温度越________。 答案：熔点、低 3、晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象称为________。答案：滑移 4、由于________和________的影响，多晶体有比单晶体更高的塑性变形抗力。 答案：晶界、晶粒位向（晶粒取向各异） 5、生产中消除加工硬化的方法是________。 答案：再结晶退火 6、在生产实践中，经冷变形的金属进行再结晶退火后继续升高温度会发生________现象。答案：晶粒长大 7、金属塑性变形后其内部存在着残留内应力，其中________内应力是产生加工硬化的主要原因。 答案：第三类（超微观） 8、纯铜经几次冷拔后，若继续冷拔会容易断裂，为便于继续拉拔必须进行________。 答案：再结晶退火 9、金属热加工时产生的________现象随时被再结晶过程产生的软化所抵消，因而热加工带来的强化效果不显著。 答案：加工硬化 10、纯铜的熔点是1083℃，根据再结晶温度的计算方法，它的最低再结晶温度是________。答案： 269℃ 11、常温下，金属单晶体塑性变形方式有________和________两种。 答案：滑移、孪生 12、金属产生加工硬化后会使强度________，硬度________；塑性________，韧性________。答案：提高、提高、降低、降低 13、为了合理地利用纤维组织，正应力应________纤维方向，切应力应________纤维方向。答案：平行（于）、垂直（于） 14、金属单晶体塑性变形有________和________两种不同形式。 答案：滑移、孪生 15、经过塑性变形的金属，在随后的加热过程中，其组织、性能和内应力将发生一系列变化。大致可将这些变化分为________、________和________。 答案：回复、再结晶、晶粒长大 16、所谓冷加工是指金属在________以下进行的塑性变形。 答案：再结晶温度
第5章材料的形变和再结晶 提纲 5.1 弹性和粘弹性 5.2 晶体的塑性变形（重点） 5.3 回复和再结晶（重点） 5.4 高聚物的塑性变形 学习要求 掌握材料的变形机制及特征，以及变形对材料组织结构、性能的影响；冷、热加工变形材料的回复和结晶过程。 1．材料的弹性变形本质、弹性的不完整性及黏弹性； 2．单晶体塑性变形方式、特点及机制（滑移、孪生、扭折） 3．多晶体、合金塑性变形的特点及其影响因素 4．塑性变形对材料组织与性能的影响； 5．材料塑性变形的回复、再结晶和晶粒长大过程； 6．影响回复、再结晶和晶粒长大的诸多因素（包括变形程度、第二相粒子、工艺参数等） 7、结晶动力学的形式理论（J-M-A方程） 8、热加工变形下动态回复、再结晶的微观组织特点、对性能影响。 9、陶瓷、高聚物材料的变形特点 重点内容 1. 弹性变形的特征，虎克定律（公式），弹性模量和切变弹性模量； 材料在外力作用下发生变形。当外力较小时，产生弹性变形。弹性变形是可逆变形，卸载时，变形消失并恢复原状。在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即服从虎克(Hooke)定律： 式中E为正弹性模量，G为切变模量。它们之间存在如下关系： 弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结
构不敏感参数。在工程上，弹性模量则是材料刚度的度量。 2. 弹性的不完整性和粘弹性； 理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。3. 滑移系，施密特法则（公式），滑移的临界分切应力； 晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成。 fcc和bcc，bcc的滑移系？滑移系多少与塑性之间的关系。 滑移的临界分切应力： 如何判断晶体中各个滑移系能不能开动？ 解释几何软化和几何硬化？为何多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑移？ 4. 滑移的位错机制，派－纳力（公式）； 为什么晶体中滑移系为原子密度最大的面和方向？ 5. 比较塑性变形两种基本形式：滑移与孪生的异同特点； 6. 多晶体塑性变形的特点：晶粒取向的影响，晶界的影响；
1、一块单相多晶体包含。 A．不同化学成分的几部分晶体B．相同化学成分，不同结构的几部分晶体C．相同化学成分，相同结构，不同位向的几部分晶体 2、在立方系中点阵常数通常指。 A．最近的原子间距B．晶胞棱边的长度 3、每一个面心立方晶胞中有八面体间隙m个，四面体间隙n个，其中。 A．m=4，n=8B．m=13，n=8C．m=1，n=4 4、原子排列最密的一族晶面其面间距。 A．最小B．最大 5、晶体中存在许多点缺陷，例如 A．被激发的电子B．空位C．沉淀相粒子 6、金属中通常存在着溶质原子或杂质原子，它们的存在。 A．总是使晶格常数增大B．总是使晶格常数减小C．可能使晶格常数增大，也可能使晶格常数减小 7、金属中点缺陷的存在使电阻。 A．增大B．减小C．不受影响 8、空位在过程中起重要作用。
A．形变孪晶的形成B．自扩散C．交滑移 9、金属的自扩散的激活能应等于。 A．空位的形成能与迁移激活能的总和B．空位的形成能C．空位的迁移能 10、位错线上的割阶一般通过形成 A．位错的交割B．交滑移C．孪生 一、名词解释 沉淀硬化、细晶强化、孪生、扭折、第一类残余应力、第二类残余应力、、回复、再结晶、多边形化、临界变形量、冷加工、热加工、动态回复、动态再结晶 沉淀硬化：在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和由之脱出微粒弥散分布于基体中导致硬化。 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定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。 扭折：在滑移受阻、孪生不利的条件下，晶体所做的不均匀塑性变形和适应外力作用，是位错汇集引起协调性的形变。 按残余应力作用范围不同，可分为宏观残余应力和微观残余应力等两大类，其中宏观残余应力称为第一类残余应力（由整个物体变形不均匀引起），微观残余应力称为第二类残余应力（由晶粒变形不均匀引起）。 储存能：在塑性变形中外力所作的功除大部分转化为热之外，由于金属内部的形变不均匀及点阵畸变，尚有一小部分以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量叫做储存能。回复：经冷塑性变形的金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶之前）的微观结构变化过程。 再结晶：经冷变形的金属在一定温度下加热时，通过新的等轴晶粒形成并逐步取代变形晶粒的过程。 多边形化：指回复过程中油位错重新分布而形成确定的亚晶结构过程。 临界变形量：需要超过某个最小的形变量才能发生再结晶，这最少的形变量就称为临界变形量。 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程；在没有回复和在接近的条件下进行的塑性变形加工。热加工：在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶过程得到充分进行的条件下进行的塑性变形加工。 动态回复：热加工时由于温度很高，金属在变形的同时发生回复，同时发生加工硬化和软化两个相反的过程。这种在热变形时由于温度和外力联合作用下发生的回复过程 动态再结晶：是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。 二、问答题
实验六金属的塑性变形与再结晶 （Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）实验学时：2 实验类型：综合 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 1．观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征； 2．了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化； 3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 二、概述 1．显微镜下的滑移线与变形孪晶 金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。 所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。 把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。） 另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。 孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。） 对体心立方结构的Fe -α，在常温时变形以滑移方式进行；而在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形；而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。 2．变形程度对金属组织和性能的影响
第五章 金属及合金的塑性变形 一、教学目的 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质； 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响； 3 揭示加工硬化的本质与意义。 二、 教学内容 （1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。 三、 重点与难点 重点： （1）塑性变形的宏观变形规律与微观机制 （2）晶体缺陷对塑性变形的影响； （3）金属塑性变形后的组织与性能； （4）加工硬化的本质及实际意义，残余应力； 难点： （1）塑性变形的位错机制 （2）形变织构与纤维组织的差别 §5-1 金属的变形特性 一、应力-应变曲线 拉伸曲线：表示金属在拉伸时伸长量与外力的关系曲线。 应力-应变曲线：为了对不同长短、粗细的试样进行比较，将拉伸曲线中的纵、横坐标分别改为应力（σ=P/A0）和应变（ε=（l-l0）/l0），即为应力-应变曲线。
由于拉伸时，横截面积每时每刻都在改变，而计算应力是一直用原始横截面积A 0，故所得应力不是真实应力，因此也称为名义应力-应变曲线。 二、真应力-应变曲线 当拉伸一个l 0长的均匀圆柱体时，其真应变εT 应按每一瞬时的长度（l 1，l 2，l 3，…）计算： 022*******ln )(0l l l dl l l l l l l l l l l l T ==+?+?+=∑∫?L ε （1） 该式表明，采用真应变时，总应变与逐步递增的应变之和相等，但按工程应变计算时，两者并不相等。例如：两试样一次拉伸l 0→l 2或分两次拉伸l 0→l 1→l 2，若按真应变计算，存在： 02 1201ln ln ln l l l l l l =+ 若按工程应变计算，则： 002112001l l l l l l l l l ?≠?+? 在拉伸试样出现颈缩之前，真应变εT 与工程应变ε之间有以下关系： 1,10000+=?=?=εεl l l l l l l 则Q )1ln(ln 0+==∴εεl l T （2） 此外，真应力σT 的计算定义为： A P T =σ （3） 同样，计算真应力时，由于有：A 0l 0=A l =常数，故： )1(0000+====εσσl l A P A A A P A P T （4） 二、弹性变形与弹性模量 在应力-应变曲线的起始弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系，且具有可逆性，即遵循虎克定律。 在拉伸条件下，弹性范围内的真应力与真应变关系为σT =C εT ，其中比例常数C 为拉伸曲线的起始斜率，称为弹性模量，它反映材料抵抗弹性变形的能力。由于工程应力-应变曲线与真应力-应变曲线在弹性区基本一致，故习惯上用σ=E ε表示，而切变条件下，该关系为：τ=G γ。其中，E 和G 分别为正弹性模量和切变弹性模量，两者关系为： )1(2ν+=E G （5） 式中，ν为泊松比，表示单轴拉伸时横向缩短与纵向伸长的比值，一般金属多在0.30~0.35之间。 当晶体发生弹性变形时，外力所做的功W 相当于应力-应变曲线的弹性直线
实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填） 五、讨论、心得（必填） 一、实验目的 1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响； 2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。 二、实验原理 金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。 (一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。 (二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化 金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。 1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。 2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒，因而消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。 金属的再结晶过程是在一定温度范围内进行的。通常把变形程度在70%以上的冷变形金属经1h加热能完全再结晶的最低温度，定为再结晶渡。实验证明，金属的熔点愈高，在其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。金属的再结晶温度(T再)与其熔点(T熔)间的关系，大致可用下式表示： T再≈0.4 T熔 3．晶粒长大冷变形金属再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。但继续升高加热温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒又会逐渐长大，使晶粒粗化。 (三) 变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响 冷变形金属再结晶后晶粒度除与加热温度、保温时间有关外，还与金属的预先变形程度有关。金属再结晶后的晶粒度与其预先变形程度间的关系如下图所示：
何谓滑移和孪生 滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动 孪生：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向作均匀切变 指出三种典型结构金属晶体的滑移面和滑移方向 1. 面心立方金属：密排面{}111密排晶向1101234=?个滑移系，塑性较好 2. 体心立方金属：密排面{}110密排晶向1111226=?个滑移系，塑性较好 3. 密排六方金属：室温时{}0001密排晶向2011331=?塑性较差 并比较其滑移难易程度 1. 当其他条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可供采用的空间位 向也多，塑性也越好 2. 面心立方晶格的金属晶体的滑移系为12个，密排立方结构的金属晶体的滑移 系为3个()2011,0001，所以面心立方晶格的金属晶体更易发生滑移 3. 从此可以看出，面心立方和体心立方金属的塑性较好，而密排六方金属的塑 性较差 4. 金属塑性的好坏，不只是取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程 度和滑移方向的数目有关 5. 例如Fe -α，它的滑移方向不及面心立方金属多，其滑移面上原子密排程度 也比面心立方金属低，因此它的滑移面间距较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才开始滑移，所以它的塑性要比铜铝金银等面心立方金属差些 为何晶体的滑移通常沿着其最密晶面和最密晶向进行
1.在晶体原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离 却最大，即密排面之间的原子间结合力最小，滑移阻力最小，最易于滑移2.沿最密晶向滑移的步长最小，这种滑移所需要的切应力最小 何谓加工硬化 金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象 运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料强度的原因 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化 运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料强度的原因 来自69页北京工业大学2009细晶强化的位错理论 1.金属多晶体材料塑性变形时，粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多，形成较 大的应力场，能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续 2.相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，必须施加更大 的外加作用力以激活相邻晶粒内的位错源 3.因此，细晶材料要发生塑性变形需要更大外部作用力，即晶粒越细小晶体强 度越高 单相固溶体合金的强度均高于纯溶剂组元的强度，试用位错理论分析之
第三章 金属的塑性变形与再结晶 塑性变形是塑性加工（如锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等）的基础。大多数钢和有色金属及其合金都有一定的塑性，因此它们均可在热态或冷态下进行塑性加工。 塑性变形不仅可使金属获得一定形状和尺寸的零件、毛坯或型材，而且还会引起金属内部组织与结构的变化，使铸态金属的组织与性能得到改善。因此，研究塑性变形过程中的组织、结构与性能的变化规律，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料都具有重要意义。 第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。 1畅滑移 滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（即滑移面）发生相对的滑动。 滑移是金属塑性变形的主要方式。 图3－1 单晶体滑移示意图单晶体受拉伸时，外力F 作用在滑移面上的应力f 可分解为正 应力σ和切应力τ，如图３－１所示。正应力只使晶体产生弹性伸 长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断。切应力则使晶体产生弹 性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑 移。 图３－２所示为单晶体在切应力作用下的变形情况。单晶体未 受到外力作用时，原子处于平衡位置（图３－２ａ）。当切应力较小 时，晶格发生弹性歪扭（图３－２ｂ），若此时去除外力，则切应力消 失，晶格弹性歪扭也随之消失，晶体恢复到原始状态，即产生弹性变 形；若切应力继续增大到超过原子间的结合力，则在某个晶面两侧 的原子将发生相对滑移，滑移的距离为原子间距的整数倍（图３－２ｃ）。此时如果使切应力消失，晶格歪扭可以恢复，但已经滑移的原子不能回复到变形前的位置，即产生塑性变形（图３－２ｄ）；如果切应力继续增大，其他晶面上的原子也产生滑移，从而使晶体塑性变形继续下去。许多晶面上都发生滑移后就形成了单晶体的整体塑性变形。 一般，在各种晶体中，滑移并不是沿着任意的晶面和晶向发生的，而总是沿晶体中原子排列最紧密的晶面和该晶面上原子排列最紧密的晶向进行的。这是因为最密晶面间的面间距和最密晶向间的原子间距最大，因而原子结合力最弱，故在较小切应力作用下便能引起它们之间的相对 3 3
理论课教案 编号：NGQD-0707-09版本号：A/0页码：编制/时间：审核/时间：批准/时间： 学科金属材料及 热处理 第三章金属的塑性变形与再结晶 第三节回复与再结晶 教学类型授新课授课时数1授课班级 教学目的 和要求 1、了解加热过程中，变形金属内部组织的变化。 教学重点和难点1、重点：回复、再结晶的作用。 2、难点：再结晶温度的计算。 教具准备 复习提问再结晶温度如何计算？ 作业布置P33习题8 教学方法主要教学内容和过程附记 §3-3回复与再结晶 经冷塑性变形后的金属晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度增高，产生内应力，其内部能量增高，因而组织处于不稳定 的状态，并存在向稳定状态转变的趋势。在低温下，这种转 变一般不易实现。而在加热时，由于原子的动能增大，活动 能力增强，冷塑性变形后的金属组织会发生一系列的变化， 最后趋于较稳定的状态。随着加热温度的升高，变形金属的 内部相继发生回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化
理论课教案附页 编制/时间： 教学方法主要教学内容和过程附记 一、回复 回复：当加热温度不太高时，原子活动能力有所增加，原子已能作短距离的运动，此时，晶格畸变程度大为减轻， 从而使内应力有所降低，这个阶段称为回复。 1、回复是冷塑性变形金属在较低温度下加热的阶段。 在这个温度范围内，随温度的升高，变形金属中的原子活动 能力有所增大。 2、通过回复，变形金属的晶格畸变程度减轻，内应力 大部分消除，但金属的显微组织无明显变化，因此力学性能 变化不大。 3、在生产实际中，常利用回复现象将冷变形金属在低 温加热，进行消除内应力的处理，适当提高塑性、韧性、弹 性，以稳定其组织和尺寸，并保留加工硬化时留下的高硬度 的性能。 二、再结晶 再结晶：当冷塑性变形金属加热到较高温度时，由畸变晶粒通过形核及晶核长大而形成新的无畸变的等轴晶粒的 过程。 1、再结晶过程是发生在较高温度（再结晶温度以上）， 其过程以形核和核长大的方式进行。（见教材P30） 2、再结晶后，冷变形金属的组织和性能恢复到变形前 的状态（教材P31） 3、再结晶过程是新晶粒重新形成的过程，而晶格类型 并没有发生改变，所以它不是相变过程。（教材P31）
1 单晶体的塑性变形 铜单晶（a=0.36nm ）在[112]方向加拉伸应力，拉伸应力为2.5×105Pa ，此条件下：（1）取向因子最大的滑移系有哪几个？（2）计算其分切应力多大？ 解：(1) Cu 为F.C.C 结构，易滑移面为{1,1,1}，滑移方向为〈1,1,0〉，可以分别求 出[112]方向与这些滑移系之间的两个夹角，然后得到12个取向因子的值。（这里省略了） 通过上述计算得到具体的滑移系（1,-1,1）[0,1,1]和（-1,1,1） [1,0,1]为具有最大取向因子滑移系。 (2) 根据施密特法则（公式略）， F=δcosAcosB=1.02*105 Pa 何谓临界分切应力定律？哪些因素影响临界分切应力大小？ 解：(略) 沿密排六方单晶的[0001]方向分别加拉伸力和压缩力，说明在这两种情况下，形变的可能方式。 解：1）滑移：a －拉伸的时，当c/a>=1.633,不会产生滑移，当c/a<1.633有可能产 生滑移，可产生滑移的是{1,1,-2,2}<1,1,-2,-3>；其他滑移面不能产生滑移； b －压缩的时候结果和拉伸一样； 2）孪生：拉伸和压缩的时候都可能产生孪生变形； 3）扭折：拉伸的时候一般不易扭折变形，压缩的时候可以产生扭折变形。 试指出单晶体的Cu 与α-Fe 中易滑移面的晶面与晶向，并分别求它们的滑移面间距，滑移方向上的原子间距及点阵阻力，已知泊松比为ν=0.3,G Cu =48300MPa ， G α-Fe =81600MPa. 解：体心Fe 具有多种类的滑移系，但是滑移方向均相同。 力=90.56MPa 。
铝单晶体拉伸时，其力轴为[001]，一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2，取向因子COS φCOSλ=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？ 解：Al为F.C.C结构，其滑移系共有{1，1，1}4<1,1,0>3=12个。可以求得【001】与这些滑移系的取向因子。（可以列表列出来如下） 其它有4个滑移系，它们的滑移方向的第三个数字为0，因为取向因子为0，根据施密特法则，不能产生滑移。 开动其中一个滑移系需要施加的拉应力，可以根据施密特法则求得： F=0.79/0.41=1.93 MN/m2
实验方案金属的塑性变形与再结晶 一，实验目的 1、观察显微镜下滑移线、变形孪晶的特征； 2、了解金属经冷加工变形后显微组织及性能的变化； 二、概述 1 显微镜下的滑移线与变形挛晶 金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。 所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动实质为位错沿滑移面运动的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微姐织是由许多滑移带所组成。 另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的—部分以一定的晶面为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。 2、变形程度对金属组织和性能的影响 变形前金属为等轴晶粒，轻微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长，当变形程度很大时，则加剧剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。 由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。 3、形变金属在加热后组织和性能的影响 变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢
实验三金属的塑性变形与再结晶组织观察 目的 1．加深对材料塑性编写过程的理解; ２．认识塑性变形的典型组织； 3.理解变形量对再结晶后晶粒尺寸的影响。 一、塑性变形引起材料组织的变化 晶体塑性材料塑性变形的基本方式有四种：滑移、孪生、蠕变、粘滞性流动。 滑移是晶体中位错在外力作用下发生运动，造成晶体的两部分在滑移面上沿滑移方向的相对移动,滑移是位错的移动,晶体内部原子从一个平衡位置移到另一个平衡位置，不一起晶体内的组织变化，位错移出晶体的表面，形成滑移台阶,一个位错源发出的位错都移出,在晶体表明形成台阶在显微镜下可以见到,就是滑移线。 孪生是在滑移困难时以形成孪晶的方式发生的塑性变形，晶体发生孪生，在晶体表面产生浮凸,晶体内部生成的孪晶与原晶体的取向不一样，并有界面分隔,所以在晶体内重新制样后依然可以看到孪晶。 多晶体材料发生塑性变形后，原等轴晶粒被拉长或压扁，晶界变模糊。两相材料经过塑性变形后，第二相的分布也与变形方向有关。 塑性变形后进行退火加热发生再结晶的晶粒尺寸与变形量有直接的关系。在临界变形量(不同材料不相同,一般金属在２—１0%之间）以下,金属材料不发生再结晶,材料维持原来的晶粒尺寸;在临界变形量附近，刚能形核,因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大，有时甚至可得到单晶;一般情况随着变形量的增加,再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大(>70％)后，可能产生明显织构，在退火温度高时发生晶粒的异常长大。 二、实验内容 1.观察几种塑性变形后的组织形貌 ①.低碳钢拉伸后的组织变化：看断口附近，变形量最大，组织特征明显，白色的软相的 晶粒的形状分布，黑色较硬相形状分布特征。 ②纯铁压缩表面的滑移线:为了观察,现将试样磨平，再压缩变形，晶体表面可留下滑移 线。若再打磨则滑移线就不可见。一个滑移系能开动，与之平行的滑移系也可能开动，滑移线往往时互相平行,因为存在交滑移,滑移线为波浪状。 ③锌的变形孪晶：Ｚn是ｈcp晶系，仅有三个滑移系,多晶体变形就会发生孪生，从试样 上可见到变形产生的孪晶。
实验4 塑性变形与回复再结晶 一、实验目的 1．加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。 2．通过实验分析加工温度和变形程度对所选原材料组织和性能的影响。 3．测定所选原材料（例如工业纯铝）的形变度与再结晶后的晶粒度的关系曲线。 二、实验原理 1、加工硬化现象 当金属与合金在外力的作用下，应力超过弹性极限以后，将发生塑性形变。金属在塑性形变过程中，组织与性能将发生变化。一般说来随着形变程度的增加，金属的强度、硬度提高而塑性下降，同时也造成其它物理化学性能的明显变化。人们就把金属因塑性变而导致的强度和硬度增加的现象称为加工硬化。 2、金属经塑性形变后显微组织的变化 金属经塑性形变以后，其组织发生以下的变化。 (1)金属在塑性形变后，组织也将发生相应的变化，例如在轧制后，晶粒沿着形变方向被拉长，其程度随形变量的加大而增大，当形变量很大时，晶粒伸长呈“纤维状”。与此同时，除晶粒的形状发生变化外，组织中的第二相也将发生变化，硬的相将破碎，软的相将发生形变等。 (2)塑性形变导致金属组织内部的亚结构细化。在形变不大的情况下，晶粒内首先出现明显的滑移带，随着形变量的加大。滑移带逐渐增多。射线结构分析结果表明：晶粒被碎化成许多位向略有不同（位向差一般不大于1°）的晶块，其大小约为10-3～10-6厘米，即在原来晶粒内出现了很多小晶块，这种组织称为亚结构。 (3)金属塑性形变时，由于各部分的形变的不均匀性而造成的内应力（第一类，第二类，第三类内应力）将增大。 (4)当金属的塑性形变量很大时，在形变过程中晶体将产生转动和旋转，使各晶粒的某一晶向都不同程度的转向与外力相近的方向，这样便使得原来晶向不同的晶粒取向渐趋一致。而使其具有择优趋向组织称之为形变结构。 金属塑性形变后组织和性能的变化规律，在生产中有一定的实际意义，为此应了解这一变化规律，从而能更好的为生产服务。 塑性形变的方式，主要有两种。其一是滑移形变方式，其二是孪晶形变方式。至于形变结构与机理，这里不做叙述。 3、回复与再结晶 由于塑性形变，使晶格畸变增大（使错密度增加，亚结构细化等），使得冷形变金属的自由能升高而处于不稳定状态。因此，便有一种向较稳定状态转化的自发趋势。 如将冷形变后的金属加热到较高的温度，使其原子具有一定的扩散能力，就会产生一系列组织与性能的变化。这个变化过程就是回复——再结晶及晶粒长大（聚集再结晶）过程，参看图1。 回复：当加热温度较（再结晶温度）低时，通过原子作短距离的扩散，使某些晶体缺陷互相抵消而使缺陷数量减少；使晶格畸变程度减轻（由多边化结果导致）；第一类、第二类内应力基本消除；显微组织无变化，机械性能和物理化学性能部分的恢复到形变前的状态，如硬度、强度稍微下降，塑性略有提高；导磁率上升，比电阻下降等，这一过程称为回复。 再结晶：冷形变金属加热到某一温度，由于原子扩散能力的增大，组织和性能将发生剧烈的变化，完全回复到形变以前的情况。从显微组织看形变组织完全消失，代之的是新的等轴晶粒；其强度硬度下降而塑性提高。把在这一温度下组织和性能发生剧烈变化的现象称做
第五章固体材料的塑性变形 Chapter 5 Plastic Deformation 作业1:在面心立方晶体结构中，有一位错可以在(111)和(111) Solution: 4歩0 晶面上发生交滑移，请确定这个位错的伯氏矢量? 作业2：在面心立方晶体中有三个滑移系，假定在Au晶体的[100]± 施加2MPa的拉伸应力，其临界分切应力是0. 91MPa o证明滑移不会在(111)晶面的三个滑移系上滑移？ The three slip systems in the (111) plane are (111) [101], (111) [llo], (111) Oil]. Because [100]丄[oii], that is 入=90°，so r( resolred shear stress in (lll)[oii]) is 0.
COS60°=T So： Measurable slip will not occur on any of the three slip systems in the (111) plane. 作业3?：在面心立方晶体中，沿［i23］方向施加2 MPa的正应力。滑移面是(111),滑移方向是［101］o请确定临界分切应力Tor To solve this problem, we must find both cos0 and cos(p? This can be done suing the vector dot product: |[123j[ioq V14V2 Solving equation T C R =(ycos6cos(p for T C R and substituting the data given in the problem statement yields: T cR=(2Mpa)x(0.617)x(0.756)=0.933Mpa 作业4：假定某面心立方晶体可以开动的滑移系为(ni)[011]o试回答: (1)给出引起滑移的单位位错得相应矢量，并说明之。