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；
会判断多个晶体中哪些晶体会优先发生塑性变形？
7. 细晶强化与Hall-Petch 公式， 高温晶界弱化的原因；
晶粒细化为何能同时提高材料的强韧性？
位错塞积群效应（应力集中区的应力数值等于外加切应力n 倍）
可启动临近晶粒滑移，故
高温合金为何要采用定向凝固技术获得单晶？
晶界滑动机制和扩散性蠕变
8. 固溶强化，屈服现象（吕德斯带），上下屈服点的柯垂耳理论和一般位错增殖理论，应变时效；
d c dc
ττ= 金属有四大著名的强化机制，请给出这几种机制的名称，物理实质，定量描述其强化效果的数学公式。
请简洁回答要点。
9. 弥散强化，不可变形粒子的绕过机制（公式），可变形粒子的强化机理；
2Gb Gb R τλ
== 10. 冷变形后的显微组织和亚结构， 加工硬化概念（公式）；
11. 单晶体与多晶体力学性能（应力应变曲线）比较
12. 形变织构与残余应力；
常见丝织构和板织构，残余应力分类
13. 回复动力学，激活能求法（公式）与回复机制（低温，中温，高温）；
14. 再结晶形核机制（弓出机制公式），再结晶动力学，J-M方程和
Avrami方程（公式）；
15. 再结晶激活能（公式），求不同温度下再结晶相同分数的时间（公
式）；
16. 再结晶温度及其影响因素，影响再结晶晶粒大小的因素；
变形程度
原始晶粒尺寸
第二相的影响
再结晶退火工艺参数（加热温度
、温升快慢、保温时间等）
控制晶粒大小？
17. 晶粒长大动力学（公式），晶界移动速率（公式）和晶界迁移激
活能求法（公式）；
驱动力：
18. 晶粒的正常长大及其影响因素；尤其是分散相粒子作用（公式）
始晶粒大小
温度
可溶解的杂质或合金元素
不溶解的第二相
晶粒间的位向差
热蚀沟
19. 二次再结晶，再结晶后的组织（晶粒大小，织构，孪晶）；
20. 一次与二次再结晶以及静态再结晶的区别；
21. 冷、热加工的区别，回复再结晶分类；
22. 动态回复，动态再结晶；
23. 热加工后的性能和组织;
24. 蠕变的概念，典型曲线以及机制；
25. 超塑性概念，本质；
26. 陶瓷材料的变形特点；
陶瓷晶体，由于其结合键（离子键、共价键）的本性，再加上陶瓷晶体中的滑移系少，位错的b大，故其塑性变形相对金属材料要困难得多，只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。
27. 高聚物变形的特点。
对于高分子材料，其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的，故与材料粘度密切相关，而且受温度影响很大。
重要概念和公式（这里不是最全面）
弹性变形，弹性模量，包申格效应，弹性后效，弹性滞后，粘弹性；塑性变形，滑移，滑移系，滑移带，滑移线，交滑移，双交滑移；
临界分切应力，施密特因子，软取向，硬取向，派-纳力；
孪生，孪晶面，孪生方向，孪晶，扭折；
固溶强化，屈服现象，应变时效，加工硬化，弥散强化；
形变织构，丝织构，板织构，残余应力，点阵畸变，带状组织，流线；回复，再结晶，晶粒长大，二次再结晶，冷加工，热加工，动态再结晶；
储存能，多边化，回复激活能，再结晶激活能，再结晶温度；
弓出形核，临界变形量，再结晶织构，退火孪晶；
虎克定律:
，
滑移的临界分切应力：
Peierls-Nabarro力：
Hall-Petch公式：
弥散强化关系式：
聚合型合金强化关系式:
加工硬化关系式：
回复动力学：
再结晶动力学：
再结晶的极限平均晶粒直径:
再结晶晶粒大小与温度之间的关系：
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。
实际上，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。
对非晶体，甚至对某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形是既与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形量方面特征。
粘弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。
当施加的应力超过弹性极限时，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。
通过塑性变形，不但可使材料获得预期的外形尺寸，而且可使材料内部组织和性能产生变化。
单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。
滑移和孪生都是
切应变，而且只有当外加切应力分量大于晶体的临界分切应力 C时才能开始。
然而，滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变。
对于多晶体而言，要求每个晶粒至少具备由5个独立的滑移系才能满足各晶粒在变形过程中相互制约和协调。
多晶体中，在室温下晶界的存在对滑移起阻碍作用，而且实践证明，多晶体的强度随其晶粒细化而提高，可用著名的Hall-Petch公式来加以描述：
至于合金为单相固溶体时，由于溶质原子存在会呈现固溶强化效果，对某些材料还会出现屈服和应变时效现象；当合金为多相组织结构时，其变形还会受到第二相的影响，呈现弥散强化效果。
而陶瓷晶体，由于其结合键（离子键、共价键）的本性，再加上陶瓷晶体中的滑移系少，位错的b大，故其塑性变形相对金属材料要困难得多，只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。
对于高分子材料，其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的，故与材料粘度密切相关，而且受温度影响很大。
材料经塑性变形后，外力所做的功部分以储存能形式存在于材料内部，从而使系统的自由能升高，处于不稳定状态。
故此，回复再结晶是材料经过冷变形后的自发趋势，加热则加快这一过程的发生。
当加热温度较低，时间较短时，发生回复。
此时，主要表现为亚结构的变化和多边化过程，第一类内应力大部消除，电阻率有所下降，而对组织形态和力学性能影响不大。
当加热温度较高，时间较长时就发生再结晶现象。
再结晶时，新的无畸变等轴晶将取代冷变形组织，其性能基本上回复到冷变形前的
状态。
再结晶完成后继续加热时，晶粒将发生长大现象。
