材料科学基础-材料的形变和再结晶

材料科学基础_第五章材料的形变和再结晶材料的形变是指材料在外力作用下发生的形状、尺寸及结构的变化。

形变可以分为弹性变形和塑性变形两种形式。

弹性变形是指物质在外力作用下只发生形状的改变，而不发生组织内部结构的改变，当外力消失时，物质能恢复到原来的形状。

塑性变形是指物质在外力作用下发生形状和内部结构的改变，当外力消失时，物质不能恢复到原来的形状。

形变过程中，材料的内部晶粒会发生滑移、动晶界和晶界迁移等变化，这些变化有助于减小材料中的位错密度，同时也能影响晶粒的尺寸、形状和分布。

当形变达到一定程度时，晶粒内部会产生高密度的位错，这会导致晶体的韧性下降，同时也容易引起晶粒的断裂和开裂。

因此，形变过程中产生的位错对材料的性能具有重要影响。

再结晶是指在材料的形变过程中，通过退火处理使晶粒重新长大，去除或减小形变过程中产生的位错和晶界等缺陷，从而改善材料的力学性能和其他性能。

再结晶的发生与材料的种类、成分、形变方式等因素有关。

再结晶可以通过两种方式实现：显微再结晶和亚显微再结晶。

显微再结晶是指晶粒在正常晶界上长大，形成新的晶粒；亚显微再结晶是指材料中的一些晶粒发生部分再结晶，形成较大的再结晶晶粒。

再结晶的发生和发展受到晶粒的尺寸、形状和分布的影响。

晶粒尺寸越小，再结晶发生越容易，且再结晶晶粒的尺寸也越小。

再结晶晶粒的尺寸和分布对材料的性能影响很大。

晶粒尺寸较小的材料通常具有优良的力学性能和高韧性，且易于加工。

因此，控制再结晶晶粒的尺寸和分布对材料的性能优化和加工有重要意义。

总之，材料的形变和再结晶是材料科学中重要的研究领域。

通过研究形变和再结晶的机制和规律，可以优化材料的性能和加工过程，从而推动材料科学的发展和应用。

材料科学基础A习题第五章材料的变形与再结晶1、某金属轴类零件在使用过程中发生了过量的弹性变形，为减小该零件的弹性变形，拟采取以下措施：（1）增加该零件的轴径。

（2）通过热处理提高其屈服强度。

（3）用弹性模量更大的金属制作该零件。

问哪一种措施可解决该问题，为什么？答：增加该零件的轴径，或用弹性模量更大的金属制作该零件。

产生过量的弹性变形是因为该金属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减小其承受的应力，故可减小其弹性变形；用弹性模量更大的金属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能力，也可减小其弹性变形。

2、有铜、铝、铁三种金属，现无法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这几种金属的其他各种数据可以查阅到。

请通过查阅这几种金属的其他数据确定铜、铝、铁三种金属弹性模量大小的顺序（从大到小排列），并说明其理由。

答：金属的弹性模量主要取决于其原子间作用力，而熔点高低反映了原子间作用力的大小，因而可通过查阅这些金属的熔点高低来间接确定其弹性模量的大小。

据熔点高低顺序，此几种金属的弹性模量从大到小依次为铁、铜、铝。

3、下图为两种合金A、B各自的交变加载-卸载应力应变曲线（分别为实线和虚线），试问那一种合金作为减振材料更为合适，为什么？答：B合金作为减振材料更为合适。

因为其应变滞后于应力的变化更为明显，交变加载-卸载应力应变回线包含的面积更大，即其对振动能的衰减更大。

4、对比晶体发生塑性变形时可以发生交滑移和不可以发生交滑移，哪一种情形下更易塑性变形，为什么？答：发生交滑移时更易塑性变形。

因为发生交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易塑性变形。

5、当一种单晶体分别以单滑移和多系滑移发生塑性变形时，其应力应变曲线如下图，问A、B中哪一条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？应力滑移可导致不同滑移面上的位错相遇，通过位错反应形成不动位错，或产生交割形成阻碍位错运动的割阶，从而阻碍位错滑移，因此其应力-应变曲线的加工硬化率较单滑移高。

5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。

材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。

本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。

塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。

金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。

5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。

滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。

滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。

一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。

滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。

（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。

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实验种类：综合前修课程名称：《资料科学导论》合用专业：资料科学与工程一、实验目的1．察看显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特色；2．认识金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3．议论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。

二、概括1．显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超出弹性极限后，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挪动（本质为位错沿滑移面运动）的结果。

滑移后在滑移面双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，一组渺小的台阶在显微镜下只能察看到一条黑线，即称为滑移带。

变形后的显微组织是由很多滑移带（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色：①各晶粒内滑移带的方向不一样（因晶粒方向各不相同）；②各晶粒之间形变程度不平均，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，晶粒中心与晶粒界限变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而界限滑移带稀，并可发此刻一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，常常看见双滑移现象（在面心立方晶格状况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交织起来，将晶粒分红很多小块。

（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立刻直接在显微镜下察看；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消逝，察看不到。

原由是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平坦台阶，不是资料内部晶体构造的变化，样品制备过程会造成滑移带的消逝。

）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，即晶体的一部分以必定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部散发生对称挪动，这种变形方式称为孪晶或双晶。

1、体型立方是一种（）结构。

A、平行B、密排C、并列D、对称2、镁晶体在常温情况下有（）面。

A、12B、3C、4D、63、滑移带在光学显微镜下呈现（）状态。

A、线形B、环形C、圆形D、梯形4、固溶体中的溶质原子趋向于在（）周围的聚集分布。

A、位错B、应力C、应变D、晶粒5、复滑移的另一个名字是（）。

A、滑移系B、复滑移C、滑移线D、多滑移6、丝织构是在（）过程中形成。

A、拔丝B、轧向C、轧板D、轧面7、溶质原子气团将对位错起到（）作用。

A、割阶B、扭折C、钉扎D、硬化1、以下属于多项合金塑性变形的是（）。

A、聚合型合金组织B、弥散型合金组织C、塑性合金组织D、多项合金组织2、单晶体的塑性变形主要包括（）。

A、滑移B、滑移系C、复滑移D、滑移线3、退火孪晶的（）与孪晶有较大区别。

A、形貌B、形变C、温度D、机制4、（）首先估算了派—纳力（P-N力）。

A、派尔斯B、纳尔斯C、纳巴罗D、派巴罗5、金属的塑性变形主要包括（）。

A、复杂晶体的塑性变形B、单晶体的塑性变形C、多晶体的塑性变形D、以上答案都对6、溶质原子的加入通常同时提高（）。

A、屈服强度B、整个应力—应变曲线的水平C、材料的加工硬化速率D、位错应力场三、判断题（共 7 小题，每题 5 分）1、孪生会使位向发生变化，与未切变区呈镜面平行。

对错2、晶体的变形方式只有滑移和孪生两种。

对错3、溶质原子与位错发生弹性的交互作用。

对错4、滑移的临界分切应力的取向因子最小值是0.5。

对错5、晶体的滑移可以是晶体任意的晶面。

对错6、变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织。

对错7、板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和扎向平行，一般这种组织也就以相关面和方向表示。

对错得分：70分。

【材料科学基础】必考知识点第⼋章2020届材料科学基础期末必考知识点总结第⼋章回复与再结晶第⼀节冷变形⾦属在加热时的组织与性能变化⼀回复与再结晶回复：冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但其物理、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。

再结晶：冷变形⾦属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的⽆畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，⽽使形变强化效应完全消除的过程。

⼆显微组织变化（⽰意图）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。

三性能变化1 ⼒学性能（⽰意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提⾼。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提⾼。

晶粒长⼤阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提⾼，粗化严重时下降。

2 物理性能密度：在回复阶段变化不⼤，在再结晶阶段急剧升⾼；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。

四储存能变化（⽰意图）1 储存能：存在于冷变形⾦属内部的⼀⼩部分（～10％）变形功。

弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动⼒3储存能的释放：原⼦活动能⼒提⾼，迁移⾄平衡位置，储存能得以释放。

五内应⼒变化回复阶段：⼤部分或全部消除第⼀类内应⼒，部分消除第⼆、三类内应⼒；再结晶阶段：内应⼒可完全消除。

第⼆节回复⼀回复动⼒学（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)=c0t exp(-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。

2 动⼒学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于⼀平衡值。

⼆回复机理移⾄晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原⼦缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇⽽抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长⼤3 ⾼温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。