吉林大学 工程材料 课件 第二章金属塑性变形和再结晶

纯铁滑移线
纯锌机械孪晶
纯铁机械孪晶
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。
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。
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。
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。
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。
变形度70%+400℃ 退火小时
变形度70%+450℃ 退火小时
变形度70%+500℃ 退火小时
变形度70%+600℃ 退火小时
变形度70%+850℃ 退火小时
层错能低的晶体容易形成退火孪晶。
实验步骤
观察并描绘纯铁冷变形的滑移线。 观察低碳钢经5％，10％，20％，50％，70％
变形度变形后的显微组织，并描绘其组织特 征。 观察低碳钢经5％，10％，20％，30％，70％ 六种变形度变形后在850 ℃退火半小时后组织， 并用割线法测得其晶粒度。 观察低碳钢经70％变形度在400 ℃ ，450 ℃， 500 ℃，600 ℃，850 ℃退火半小时后的试样， 从中找出再结晶后晶粒大小与退火温度之间 的定性关系。 观察并描绘黄铜的退火孪晶。

间的交互作用(堆积、缠结等)，使变形抗力增加。
加工硬化在工业生产中的应用： 1)加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其对 于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重 要。 2)由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化 而停止变形，而未变形部分开始变形。因此， 加工硬化使金属的塑性变形更均匀。 3)加工硬化可以一定程度上提高构件使用的安全 性。 4)在金属冷变形加工过程中，必须进行中间热处 ？ 理来消除加工硬化现象。
属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。
通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬
度、塑性和韧性的方法称细晶强化。
㈡ 多晶体的塑性变形过程
首先是处于软位向的晶粒优先发生滑移。
当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相
邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位 向滑移系上的位错开始移动，从而使滑移由一 批晶粒传递到另一批晶粒。 当有大量晶粒发生滑移后， 金属便显示出明显的塑性变形。 从少量晶粒——大量晶粒 不均匀——均匀
第一类内应力平衡于表面与心部之间（宏观内应力） 第二类内应力平衡于晶粒之间或亚晶粒之间（微观 内应力） 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力
第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也 是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力 都使金属强度降低。 内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件 加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属 在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除
再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保 温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。 晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞 并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤 其是塑性和韧性降低 。所以再结晶退火时应严 格控制退火温度和保温时间。
二、金属的再结晶温度

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金属材料的塑性变形 与再结晶课件
目 录
• 金属材料的塑性变形 • 金属材料的再结晶 • 金属材料塑性变形与再结晶的应用 • 金属材料塑性变形与再结晶的实验研究方法 • 金属材料塑性变形与再结晶的理论模型
PART 01
金属材料的塑性变形
塑性变形的基本概念
塑性变形
金属材料在受到外力作用时发生的不可逆的形状变化。
END
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再结晶的定义
再结晶是指在金属加工过程中，由于温度变化或外力作用，使得 金属内部发生晶格重构的过程。
再结晶的基本类型
包括静态再结晶、动态再结晶等，不同类型的再结晶过程对金属的 性能有不同的影响。
再结晶过程的驱动力
理论模型能够解释再结晶过程的驱动力，从而预测再结晶发生的条 件和过程，指导金属的加工和热处理过程。
石油化工设备如压力容器、管道等需 要承受高压和腐蚀介质，因此需要使 用经过塑性变形和再结晶处理的金属 材料。
航空航天
飞机和火箭等航空航天器的制造过程 中，需要使用经过塑性变形和再结晶 处理的金属材料，以确保其轻量化和 高强度。
金属材料塑性变形与再结晶的发展趋势
新材料的研发
随着科技的发展，新型金属材料 不断涌现，如高强度轻质合金、 纳米材料等，为金属材料的塑性 变形和再结晶提供了更多可能性。
实验原理
基于金属材料的物理和化学性质，利用各种实验手段观察和分析 金属材料在塑性变形和再结晶过程中的行为。
实验步骤
选择合适的金属材料，进行塑性变形和再结晶实验，收集实验数 据，进行结果分析和解释。
金属材料塑性变形的实验研究方法
拉伸实验 通过拉伸实验可以测量金属材料的屈服强度、抗拉强度和 延伸率等力学性能指标，同时观察金属材料在拉伸过程中 的变形行为。

温度
T再=0.4T熔
T：热力学
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2.退火温度(wēndù)的影响
再结晶退火温度必须在T再以上，生产上实际使用的再 结晶温度通常是比T再高150~250℃，这样就既可保 证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。 将这两个影响因素(yīn sù)画在立体坐标中，得到一 “再结晶全图〞，便可以根据它来确定再结晶退火的工 艺参数。
再结晶结束后，金属中内应力全部消除， 显微组织恢复到变形前的状态，其所有性 能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬 化。
所以再结晶退火主要用于金属在变形之后 或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性 长高，便于进一步加工。
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3 .晶粒长大(chánɡ dà)
为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。再结晶结束 后，假设在继续(jìxù)升高温度或延长加热时间，便 会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大，晶粒 长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下 降。且塑性与韧性下降的更明显。
为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。
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二、影响(yǐngxiǎng)再结晶粒大小的因素
变形度影响(yǐngxiǎng) 退火温度的影响(yǐngxiǎng)
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1.变形(biàn xíng)度影响
当变形量很小时，由于晶格畸变很小，缺乏以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来的大小，当变形度到达某一临界值时，由 于此时(cǐ shí)金属中只有局部晶粒变形，变形极 不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长 大，因而再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临 界变形度，

当变形量很大时，
晶粒将被拉长为 纤维状，晶界变 得模糊不清.
塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。
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工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
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(c) 变形80%
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由于晶粒的转动，当塑性变 形达到一定程度时，会使绝 大部分晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致，这种现象 称织构或择优取向。
的金属和合金尤为重要。
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三、残余内应力 内应力是指平衡于金属内部 的应力。是由于金属受力时， 内部变形不均匀而引起的。 曲轴中内应力的模拟
金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化 为内应力残留于金属中。内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力). 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之 间 (微观内应力)。 第三类内应力是由晶格编缺辑pp陷t 引起的畸变应力。 27
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二、 回复与再结晶 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷 及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位 与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇 合并而使缺陷数量减少等。 由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变 为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。
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1.回复——显微组织没有明显的变化
3.2晶界阻碍位错运动
多晶体的塑性变形
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晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
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3.3 弥散颗粒、相阻碍位错运动
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第三节 塑性变形对组织和性能的影响
一、塑性变形对组织结构的影响

经表面处理后 的表面层
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§ 4-0-2 其他载荷作用下材料的机械性能 1. 冲击韧性
冲击韧性αk是指在冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 αk=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S (J/m2)
锤头 试样
橡胶夹头
多次冲击弯曲实验示意图
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Titanic沉没原因
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由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧 性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则 具有相当好的韧性。
条件疲劳极限：
经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
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§4-1 金属材料的塑性变形特性
§Байду номын сангаас-1-1 金属材料变形特性
金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如 轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、 尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或 零件，并可以消除铸造过程中的某些缺陷。
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。 正应力只能引起弹性变 形。只有在切应力的作 用下，金属晶体才能产 生塑性变形。产生滑移 的最小切应力称临界切 应力。
压力加工的实质就是塑性变形。
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§4-1-2 单晶体的塑性变形
塑性变形有两种形式：滑移和孪生。在多数情况下， 金属的塑性变形是以滑移方式进行的。
(1) 滑移
滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和 晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动位移的 现象。
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①滑移变形的特点

(A)滑移只能在切应力的作用下发生。
h1-h0
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定义：每0.002mm相当于洛氏1度

处理，增加了生产成本，降低了生产 效率。
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• 晶粒变形：
• 外力作用下，金属变形，内部晶粒沿变形方向伸长
• 变形程度很大时，晶粒变成纤维状，晶界模糊，形成纤维 组织，使金属的机械性能有了明显的方向性
• 晶粒“破碎”
• 晶粒外形发生变化，晶粒内部镶嵌块尺寸细碎化，位错密度 增加，晶格畸变较严重，因而增加滑移阻力
性变形程度的增加， 金属的强度和硬度 显著提高，而塑性 和韧性下降。冷塑性 变形对金属性能的主 要影响是造成加工硬 化。图7-55
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2.加工硬化的优缺点：
• 强化金属材料的重要手段：纯金属或 不能热处理强化的材料 ，如某些不锈 钢
• 是工件能够成型的重要因素 • 进一步冷塑性变形困难，必须中间热
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• 消除气孔、缩孔及微裂纹并焊合， 提高金属的致密度
• 细化晶粒：加工硬化与再结晶过程重 叠，减轻甚至消除枝晶偏析，改善夹 杂物和第二相分布。
• 提高机械性能，特别是塑性和韧性显著 提高
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• 沿纤维方向：抗拉强度、韧性好，抗剪 强度低
• 垂直纤维方向：抗剪强度高，抗拉 强度低 图、表
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• 滑移 是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿
一定的晶面或晶向相对于另一部分发生滑动的现象。 图7-50
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• 滑移的特点
• 滑移时切应力大于临界切应力；
• 滑移只能在晶体内一定的晶面和晶向上形成。
• 晶体中能发生滑移的晶面和晶向，称滑移面和滑移方向。
• 滑移面和滑移方向（滑移系）越多，金属的塑性越 好。

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二、实际金属的塑性变形
实际金属的塑性变形，通常是多晶体的强度大于 单晶体的强度。
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晶粒位向的影响：由于多晶体中各个晶粒的 位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于 滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。当有利于 滑移的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不 同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而 提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在 塑性变形时，由于受到周围位向不同的晶粒与晶 界的影响，其塑性变形是逐步扩展和不均匀的， 其结果之一产生内应力。
塑性变形的微观机制要比弹性变形复杂多了。
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一、单晶体的塑性变形
滑移：在切应力作用下，单晶体（或晶粒）内晶体 的一部分相对另一部分沿着一定的晶面和晶向产生原 子间距整数倍距离的移动，当应力除去后也不能恢复 原位的这种相对移动称滑移。
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未变形
弹性变形
弹塑性变形 塑性变形
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塑性变形对金属组织结构的影响
在外形变化的同时，晶粒内部的形状也发生了变 化。通常是晶粒沿变形方向被压扁或拉长。当变形程 度很大时，晶粒形状变化也很大，晶粒被拉成细条状， 金属中的杂物也被拉长，形成显微组织，使金属的力 学性能具有明显的方向性。塑性变形还会使晶体内部 嵌镶块尺寸细碎化，位错密度增加，晶格畸变较严重， 因而增加了滑移阻力，这就是形变强化产生的原因。
金属材料的塑性变形，不仅改变了材料的外形和 尺寸，也会使金属的显微组织和性能产生变化。因 此，有必要对金属材料塑性变形的一些规律进行了 解，以便更好的制定和实施压力加工的工艺并充分 发挥材料的性能潜力。
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Al变形后的电镜照片
τ
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面心立方晶体孪晶的高分辨率电镜照片
τ
τ
1.滑移机理 晶体滑移的元过程—位错的运动。位错沿某一晶面逐点扫过 晶体时，晶体的两部分也就沿这个晶面逐步发生了滑移。铜 按照刚性滑移计算出的临界切应力是1540MPa，实际测得的 临界切应力仅为1.0MPa。
2.滑移面和滑移方向
滑移是晶体形变最普遍的基本过程之一。滑移是晶体的两部分之间沿着一 定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）而发生的一种相对切变。 这种切变既不改变晶体的点阵类型，也不影响晶体的取向，只是在晶体表 面出现了一系列的台阶状的痕迹。 孪生晶体的一切分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方 向）发生切变。→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜 面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。 孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。
原子重新排列，完全消除变形造成的结构 缺陷、加工硬化。 再结晶不能消除纤维组织

滑移面：晶体的滑移大多优先发生在原子密度最大的面上。 原子密度大的晶面，面间距也大，晶面滑移阻力小，滑移量小，所 需的能量也小。

滑移方向：滑移易于优先沿原子线密度最大的晶向进行。
沿最密集方向切变一个原子间距，做功最小。 滑移系：晶体中一个可滑移的晶面和其上一个可滑移的晶向合称一个滑 移系，用{ k h l }< u v w >表示。

面心立方晶体 最可能发生滑移的晶面为{111} 共四组：(111) (111) (111) (111) 每个面上有三个密集方向 如：(111)[110] [011] [101] 潜在滑移系共有4×3=12个
体心立方晶体