金属材料的塑性变形行为及其动力学机理
金属材料是人类历史上最重要的材料之一，其广泛应用于工业和日常生活中。金属材料的主要特点是良好的导电性、导热性和机械性能，如强度、韧性、延展性等。其中，金属材料的塑性变形行为及其动力学机理是研究金属材料力学性质的重要方面。
一、塑性变形行为的概念与表现形式
金属材料在受到外部力的作用下，会出现形变现象，这种形变称为塑性变形。塑性变形是金属材料力学性质的重要表现形式，它是由原子、离子或分子的有序结构在力的作用下发生的有序形变过程。
塑性变形的表现形式可分为弹塑性和纯塑性两类。弹塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出一定的弹性变形和一定的塑性变形，弹性变形在外力消失时能够恢复原状。纯塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出完全的塑性变形，一旦停止外力作用，塑性变形就不可逆转。
二、金属材料塑性变形的动力学机理
金属材料塑性变形的动力学机理主要包括滑移和剪切。
滑移是指晶格内部原子、离子或分子在外部应力作用下，在一定的晶格面和方向上沿晶格平面错开，使得整个晶体沿应力方向发生了塑性形变。可以把滑移想象成晶格平面的滑动，其中滑动较容易发生的是(111)面和(100)面。滑移不仅适用于单晶材料，也适用于多晶和多晶固溶体材料。
剪切是指在晶体中沿着一个晶面剪切另一个晶面而引起塑性形变。剪切主要涉及到晶界和变形区的相互作用，其中晶界可以作为剪切面。剪切的能量消耗要比滑移大得多，但是它对温度敏感性比滑移小，容易引起大规模位错滞后和晶界移动。
在金属材料中，滑移和剪切是相互竞争的，它们的作用对金属的塑性变形和强度产生了重要影响。
三、金属材料塑性变形的调节和增强方法
金属材料塑性变形的调节和增强主要包括合金化、微结构控制和纳米加工等方法。
合金化是一种有效的方法，可以通过合理选择合金元素来控制晶体结构和化学成分，从而调控金属材料的塑性变形。例如，添加易形变的合金元素可以促进位错堆积，增加位错密度和位错强度，从而提高金属材料的塑性变形。
金属材料的塑性变形与强化机制
金属材料广泛应用于制造业、建筑业、交通运输等领域，其具有高强度、优良的导电导热性能、易于加工等优点。然而，金属材料的应力应变曲线呈现塑性区，即在一定范围内，随着应力的增大，材料的应变会逐渐增大，直到达到极限，然后发生塑性变形。在工程实践中，如何控制金属材料的塑性变形，提高其性能，使其更加适用于各个领域，成为了当前研究的热点之一。
1. 金属材料的塑性变形与尺寸效应
塑性变形过程中，材料内部原子的晶体结构和排列方式发生了变化，从而导致了材料的强化和塑化。同时，尺寸效应也对金属材料塑性变形产生了重要的影响。研究表明，当金属材料的直径小于100纳米时，由于晶体结构的变化，材料的电学性能和机械性能会发生显著变化。
在实际应用中，如何利用尺寸效应来控制金属材料的塑性变形是一个重要的研究课题。一方面可以采用纳米技术加工制备金属纳米材料，如纳米管、纳米棒、纳米线等，来控制材料的晶体结构，使其具有更好的力学性能和导电性能；另一方面，可以利用不同的加工工艺和冷加工方法，来实现对材料晶体结构的调控，从而达到强化和塑化金属材料的目的。
2. 金属材料塑性变形的机理
金属材料的塑性变形机理主要是由晶体滑移和重结晶两种过程组成。晶体滑移是指晶格错位后，晶体中原子的移动和重组。原子的移动发生在晶格中的间隙和空位中，导致晶体中的错位位移和变形。观察金属材料的断面可以发现，断面中由于晶体滑移所引起的形变形成了大量细小的位错，从而促使晶体不断地沿位错的移动方向继续发生滑移。
另一种机理是重结晶。当金属材料发生过大变形时，原本的晶粒会发生变化，小的晶粒会变成大的晶粒。这个过程叫做重结晶，它会导致材料内部结构的变化，从而促进材料通道滑移和位错修复。
3. 金属材料强化机制
金属材料的强化可以通过多种途径实现。其中，冷加工是一种非常有效的方式。通过冷加工（如轧制、拉伸、挤压等）可以使材料产生高密度的位错，而这些位错会增加晶体滑移的阻力，使得材料的屈服强度和拉伸强度得到了提高。
思考题与习题
1．锻压生产有何特点？试举例说明它的应用。
答：（1）改善金属组织，提高金属的力学性能 金属经过锻压可使其晶粒细化，使铸
件中的气孔、微裂纹、缩松压合，提高组织的致密度；锻压还可形成金属的纤维方向，使其
合理分布，提高零件的力学性能。
（2）适用范围广，生产效率高 锻压产品适用范围广泛，模锻和冲压加工有较高的生
产率。
（3）节省材料，减少切削加工工时 锻压件的力学性能比铸件高，可相对减少零件的
截面尺寸，减轻零件的重量。此外，一些锻压加工的新工艺（如精密模锻）可以生产出尺寸
精度和表面粗糙度接近或达到成品零件的要求，可做到少切削或无切削。
锻压的缺点是难以获得形状复杂的零件。
锻压主要用于加工金属制件，也可用于加工某些非金属，如工程塑料、橡胶、陶瓷坯、
砖坯以及复合材料的成形等。
2．金属塑性变形分哪几类？它们之间有何区别？
答：金属塑性变形根据温度不同分为冷变形和热变形两种。
冷、热变形的界限是再结晶温度，在再结晶温度以下的变形是冷变形，此时的变形只
有加工硬化现象无再结晶现象，因此随着变形的进行，变形抗力增高、塑性降低，最终将导
致金属破裂。所以，变形量不宜过大。冷变形具有尺寸精度高，表面质量好，生产率高，强
度、硬度高等优点。
热变形是再结晶温度以上的变形，在热变形过程中既产生加工硬化，又有再结晶现象，
且加工硬化现象被随之而来的再结晶所消除，热变形后的组织是再结晶后的组织，具有良好
的塑性，较低的变形抗力。因此，金属的锻压加工主要采用热变形来进行。但热变形的生产
率和锻件尺寸精度低，表面质量和劳动条件差，需配备相应的加热设备。
3．什么是加工硬化？它在生产中有什么实用意义？
答：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，称为加工硬化，又称冷作硬化。它标志金属抗塑性变形能力的增强。
加工硬化在生产中的作用是：①经过冷拉、滚压和喷丸等工艺，能显著提高金属材料、
零件和构件的表面强度；②零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑
第六章 变形金属与合金的回复与再结晶
本章教学目的：
1 揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律；
2 揭示再结晶的实质
3 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。
教学内容：
（1）变形金属在退火过程中（回复，再结晶以及晶粒长大）过程的组织与性能
变化；
（2）影响再结晶的因素；
（3）再结晶晶粒大小及控制；
（4）热加工与冷加工
重点：
（1）回复与再结晶的概念和应用；
（2）临界变形度的概念；
（3）再结晶晶粒度的控制；
（4）热加工与冷加工的区别。
难点：
（1）再结晶形核机制与再结晶动力学；
（2）再结晶晶粒的二次长大机理
§6-1变形金属与合金在退火过程中的变化
金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化，而且由于位错
等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定状态。当变形
金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变。
一、显微组织的变化
第一阶段：显微组织基本上未发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形
组织，称回复阶段。 第二阶段：以新的无畸变等轴小晶粒逐渐取代变形组织，称为再结晶阶段。
第三阶段：上述小晶粒通过互相吞并方式而长大，直至形成较为稳定的尺寸，
称为晶粒长大阶段。
二、储存能及内应力的变化
当变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，其中的储存能将释放出来。
回复阶段释放的储存能很小
三、机械性能的变化规律
回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与
硬度有相似的变化规律。因为回复阶段仍保持很高的位错密度。在再结晶阶段，
硬度与强度显著下降，塑性大大提高。
四、其它性能的变化
1、电阻的变化
电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。点缺陷对电阻的贡献远大于位
错，而回复阶段点缺陷的密度发生显著的减小。
2、密度的变化
再结晶阶段密度急剧增高。
五、亚晶粒尺寸
在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度
