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1、1,Chapter 6 塑性变形与再结晶,材料科学基础,李谦 宁向梅主讲,2,Chapter Outline,6.1晶体的塑性变形6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响6.3 回复与再结晶6.4 金属的热加工变形,3,图61 金属表面的滑移带（a）铜中的滑移带（b）7冷变形铝的表面图像,Section 6.1 晶体的塑性变形,6.1.1 单晶体的塑性变形,4,常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。（一）滑移1.滑移带与滑移线塑性变形是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，这种变形方式称为滑移。晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移线之间的晶体并未发生变形。
2、,6.1.1 单晶体的塑性变形,5,图62 滑移带形成示意图,6,表61 三种常见金属晶体结构的滑移系,2滑移系金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。,7,6.1.1 单晶体的塑性变形,滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小，故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要移动的间距小，阻力也小。一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间取向。晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向便越多，
3、滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。,8,6.1.1 单晶体的塑性变形,晶体塑性的好坏，不仅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等因素有关。例如体心立方金属Fe，与面心立方金属的滑移系同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑性要比铝、铜等面心立方金属差。,9,6.1.1 单晶体的塑性变形,3滑移的临界分切应力只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。该分切应力即称为滑移的临界
4、分切应力，以k表示，它是使滑移系开动的最小分切应力。外力F在滑移方向上的分切应力为,10,图63 单晶体滑移时分切应力的分析图,11,6.1.1 单晶体的塑性变形,m为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。单晶体的屈服强度s将随外力与滑移面和滑移方向之间的位向关系而变，即m发生改变时，s也要改变。当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45时，m具有最大值，为0.5。此时分切应力最大，s具有最低值，晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这种取向称为软位向。当外力与滑移面平行(90)或垂直（90）时，m为零，则无论k的数值如何，s均为无穷大，晶体在此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。,
5、12,图64 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系,13,Example 6.1 临界分切应力,已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 面上产生101方向的滑移，应在001方向上施加多大的力？Example 6.1 SOLUTION对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向h2k2l2的夹角为故滑移面 的法线方向与拉力轴001的夹角为 同理，滑移方向101和拉力轴001的夹角为故,14,6.1.1 单晶体的塑性变形,4滑移时晶体的转动单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸的轴线。,图6
6、6 拉伸时晶体发生转动的示意图,15,6.1.1 单晶体的塑性变形,5多系滑移与交滑移多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个或多个滑移系同时进行。交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。,图67 交滑移的示意图 图68 抛光试样的波纹状交滑移带,16,6.1.1 单晶体的塑性变形,6.滑移的位错机制实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体表面留下个原子间距的滑移台阶，其
7、大小等于柏氏矢量。如果有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕迹，即滑移线。实际滑移的临界切应力k远低于理论计算值的原因。,17,6.1.1 单晶体的塑性变形,7位错的增殖塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克瑞德（FrankRead）位错增殖机制，F-R源。,图610 弗兰克-瑞德位错源,18,Figure The Frank-Read source can generate dislocations.(a)A dislocation i
8、s pinned at its ends by lattice defects.(b)As the dislocation continues to move,the dislocation bows,eventually bending back on itself.(c)finally the dislocation loop forms,and(d)a new dislocation is created.(e)Electron micrograph of a Frank-Read source(330,000).(Adapted from Brittain,J.,Climb Sourc
9、es in Beta Prime-NiAl,Metallurgical Transactions,Vol.6A,April 1975.),19,6.1.1 单晶体的塑性变形,8位错的交割与塞积在多系滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇，发生交割。此外，在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面的位错相交割。不在原位错线的滑移面上的位错线，故称之为割阶。有的割阶的产生并不影响位错的运动，但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外，还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，交割的结果都要形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方
10、面还可能形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，从而产生较强的加工硬化效果。,20,6.1.1 单晶体的塑性变形,在切应力的作用下，弗兰克瑞德位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物(固定位错、杂质粒子、晶界等)的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被阻塞起来，结果形成位错的平面塞积群，并在障碍物的前端形成高度应力集中。位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距离L成正比。塞积群在障碍处产生的应力集中n0。在塞积群前端产生的应力集中是0的n倍。L越大，则塞积的位错数目n越多，造成的应力集中便越大。,21,图611 两个垂直刃型位错交割,22,图6
11、-12 位错塞积,图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像,23,6.1.1 单晶体的塑性变形,（二）孪生 孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变。2孪生变形的特点(与滑移相比)孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如-Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。,24,6.1.1 单
12、晶体的塑性变形,孪生变形速度极快，常引起冲击波，并伴随响声。孪生是一种均匀切变，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。而滑移变形是不均匀的，只集中在一些滑移面上。孪生的两部分晶体形成晶面对称的位向关系。与滑移相比，孪生对晶体塑性变形的贡献较小，但孪生的形成改变了晶体的位向，使某些处于不利取向的滑移系转变到有利于滑移的位置，于是，可以激发进一步的滑移变形，使金属的变形能力得到提高。,25,图615 面心立方晶体孪生变形示意图（a）孪晶面和孪晶方向（b）孪生变形时原子的移动,图614 锌晶体中的变形孪晶组织,26,6.1.2 多晶体的塑性变形,1.晶粒取向的影响处于软位向的晶粒
13、，开始产生滑移，滑移面上的位错源开动，源源不断的位错沿着滑移面进行运动，而后，位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群。位错塞积造成很大的应力集中，随着外力的增加，使相邻晶粒某些滑移系中的分切应力达到临界值，于是，相邻晶粒位错源也开始启动，并产生相应的滑移。塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批批晶粒如此传递下去，使整个试样产生了宏观的塑性变形。晶粒间须通过多系滑移来保证其协调性。滑移系较多的FCC和BCC晶体，通过多系滑移表现出良好的塑性，而HCP晶体的滑移系少，晶粒之间的协调性差，故塑性变形能力低。,27,6.1.2 多晶体的塑性变形,2.晶界的影响晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重。同时
14、，晶界两侧的晶粒取向不同，滑移系的位向彼此不一致，因此，滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的，晶界对滑移有阻碍作用。此外，多晶体的塑性变形具有不均匀性。3.晶粒大小对塑性变形的影响材料的强度随晶粒细化而提高。满足HallPetch公式。晶粒越细，单位体积材料中晶粒的数目越多，晶界的总面积越大，对材料塑性变形的阻力越大，这就是细晶强化的实质。,28,图6-17 位错的平面塞积群,图618 拉伸后晶界处呈竹节状,29,6.1.2 多晶体的塑性变形,晶粒细小而均匀时，不仅常温下材料的强度较高，而且塑性和韧性较好。因为晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行
15、，变形较均匀，引起的应力集中减小。使材料在断裂之前能承受较大的变形量，所以具有较大的延伸率和断面收缩率。晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。,30,6.1.3 合金的塑性变形,（一）单相固溶体合金的塑性变形固溶强化合金为单相固溶体时，随溶质原子含量的增加，合金的强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。同时，溶质原子还使固溶体合金的加工硬化率提高。影响固溶强化效果的因素：溶质原子的浓度越高，固溶强化作用越大，但不保持线性关系。溶质原子与溶剂金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。,31,6.1.3 合金的塑性变形
16、,间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。间隙溶质原子引起的点阵畸变比置换原子大；间隙原子在晶体中引起非对称性点阵畸变时，其强化作用大于对称性点阵畸变。由于间隙原子在晶体中的固溶度较小，数量少，故实际强化效果有限。溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著，即固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提高。,32,Figure The effects of several alloying elements on the yield strength of copper.Nickel and zinc atoms are about the same size as copp
17、er atoms,but beryllium and tin atoms are much different from copper atoms.Increasing both atomic size difference and amount of alloying element increases solid-solution strengthening.,33,From the atomic radii,show whether the size difference between copper atoms and alloying atoms accurately predict
18、s the amount of strengthening found in Figure,Example Solid-Solution Strengthening,Figure The effects of several alloying elements on the yield strength of copper.Nickel and zinc atoms are about the same size as copper atoms,but beryllium and tin atoms are much different from copper atoms.Increasing
19、 both atomic size difference and amount of alloying element increases solid-solution strengthening.,34,For atoms larger than coppernamely,zinc,aluminum,and tin increasing the size difference increases the strengthening effect.Likewise for smaller atoms,increasing the size difference increases streng
20、thening.,Example SOLUTIONThe atomic radii and percent size difference are shown below:,35,Figure The effect of additions of zinc to copper on the properties of the solid-solution-strengthened alloy.The increase in%elongation with increasing zinc content is not typical of solid-solution strengthening
21、.,36,6.1.3 合金的塑性变形,固溶强化的实质由于溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用，阻碍了位错的运动。弹性交互作用：溶质原子聚集在位错的周围，形成“柯氏气团”。柯氏气团对位错有“钉扎”作用，增大了位错运动的阻力，从而提高了固溶体合金的塑性变形抗力。,37,6.1.3 合金的塑性变形,2.屈服现象与应变时效某些单相固溶体合金，特别是含有间隙原子的体心立方金属（例如低碳钢），它们的应力应变曲线，具有明显的屈服现象。在屈服过程中，各处的应变是不均匀的，当应力达到上屈服点时，首先在应力集中处开始塑性变形，这时在光滑试样表面，出现与拉伸轴成45的应变痕迹，称为吕德斯（Lder
22、s）带，同时应力下降到下屈服点，然后吕德斯带开始扩展。当吕德斯带扩展到整个试样后，这个平台延伸阶段就结束了。,图625 低碳钢的应力应变曲线,图626 低碳钢的拉伸试验 a 预塑性变形；b 去载后立即再行拉伸；c 去载后放置一段较长的时间或经200左右短时加热后再拉伸,图627 低碳钢工件深冲后表面的不平整,39,6.1.3 合金的塑性变形,如果在试验之前，对试样进行少量的塑性变形，屈服点可暂不出现。如果将预塑性变形的试样放置一段较长的时间，或经200左右短时加热后再拉伸，则屈服点又重新出现，且屈服应力提高，此现象称为应变时效。柯氏气团对位错的“钉扎”作用，提高了固溶体合金的屈服强度；而位错一
23、旦挣脱气团的钉扎，便可在较小的应力下运动，这时拉伸曲线上出现下屈服点。已经屈服的试样，立即重新加载拉伸时，由于位错已摆脱溶质原子气团的钉扎，故不出现屈服点。但若卸载后，放置较长时间或适当加热后，溶质原子通过扩散又聚集到位错周围，形成气团，再进行拉伸时，屈服现象又重新出现。,40,6.1.3 合金的塑性变形,屈服现象的出现还与位错的增值有关。晶体塑性变形时，会引起位错的增值。位错密度增大后，在维持一定的应变速率时，塑性变形应力有所降低，造成下屈服点。具有屈服现象与应变时效的金属材料，在拉伸和深冲过程中，由于变形不均匀，会造成工件表面不平整，为避免这种缺陷，可采取以下措施：（1）在合金中加入少量能
24、够与溶质原子形成稳定化合物的元素，减少间隙原子的含量，从而减轻或消除屈服现象。例如，在低碳钢中加入AL、V、Ti、Nb、B等元素。（2）板材在深冲之前，进行少量的塑性变形，然后尽快的进行深冲。,41,6.1.3 合金的塑性变形,（二）多相合金的塑性变形1.聚合型合金的变形（第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级）两相都具有较好的塑性。第二相为脆性相，合金的性能除与相的相对量有关外，在很大程度上取决于第二相的形状和分布。渗碳体脆性相呈连续网状分布于珠光体晶界上时，钢的塑性变形能力大大降低。珠光体中的渗碳体以层片状分布，钢的强硬度提高。通过球化退火使渗碳体球化，钢的强度降低，塑性、韧性得到改善。,4
25、2,6.1.3 合金的塑性变形,2.弥散型合金的变形（第二相粒子细小而弥散地分布在基体中）弥散强化不可变形颗粒对位错运动的阻碍作用-奥罗万（E.Orowan）机制-位错绕过粒子的机制。可变形颗粒对位错运动的阻碍作用-位错切过粒子的机制。,43,图628 位错绕过第二相粒子的示意图,图629 第二相颗粒周围位错环的电镜观察,位错绕过粒子前进时，运动的阻力增加，且随着位错环的增多，继续变形时必须增大外加应力，使得金属的变形抗力迅速提高。,44,图630 位错切割粒子的示意图,图631 位错切割粒子的电镜观察,第二相为硬度不高、尺寸较小的可变形颗粒时，位错将切过粒子，此时，会生成一个台阶，增加了表面
26、积，提高了界面能；由于第二相的结构往往与基体不同，位错切过粒子时，造成滑移面上原子的错排，引起能量升高；颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用。这些因素都增大了位错运动的阻力，使得金属变形抗力增加。增大粒子尺寸和增加体积分数，有利于提高合金的强度。,Section 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响,1显微组织的变化晶粒的形状会发生相应的变化：如在轧制过程中，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长，当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条纹，通常称之为纤维组织。
27、纤维的分布方向就是金属流变伸展的方向。纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向的强度和塑性高于横向。金属中有夹杂物存在时，塑性杂质沿变形方向被拉长为细条状，脆性杂质破碎，沿变形方向呈断续状分布。,45,6.2.1 塑性变形对材料组织的影响,46,99%压缩率,图632 铜经不同程度冷轧后的光学显微组织,30%压缩率,50%压缩率,47,Figure The fibrous grain structure of a low carbon steel produced by cold working:(a)10%cold work,(b)30%cold work,(c)60%cold work
28、,and(d)90%cold work(250).(Source:From ASM Handbook Vol.9,Metallography and Microstructure,(1985)ASM International,Materials Park,OH 44073.,6.2.1 塑性变形对材料组织的影响,2亚结构的细化随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差；随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非
29、常大时，如强烈冷变形或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一。,48,49,50%压缩率（30000）,图633 铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像,30%压缩率（30000）,99%压缩率（30000）,6.2.1 塑性变形对材料组织的影响,3变形织构（择优取向）当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒，会逐渐调整到其取向趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向(变形织构)。丝织构其特征是各晶粒的某一晶向趋向平行于拉拔方向。如铝拉丝为织构，冷拉铁丝为织构；板织构特征为各晶粒的某一晶面和晶
30、向趋向平行于轧面和轧向。如冷轧黄铜的110,织构。变形织构造成材料的各向异性，多数情况下是有害的。所谓的“制耳”现象。但有时，织构的存在却是有利的，例如，采用具有(100)001)织构的硅钢片制作电动机或变压器的铁心时，将可以提高导磁率，减少损耗。,50,51,图634 形变织构的示意图（a）丝织构（b）板织构,图635 变形织构造成的“制耳”现象,52,Figure Anisotropic behavior in a rolled aluminum-lithium sheet material used in aerospace applications.The sketch relates
31、 the position of tensile bars to the mechanical properties that are obtained,53,6.2.1 塑性变形对材料组织的影响,4残余应力 材料在塑性变形过程中，外力所作的功大部分转化为热能散失了，只有不到10%被保留在材料内部（即储存能）。储存能以残余内应力和点阵畸变的形式表现出来。第一类内应力（宏观残余应力）。它是由于工件各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其作用范围是整个工件。易产生变形、开裂。一般不希望工件内部存在宏观内应力。第二类内应力（微观残余应力）。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而产生的。其作用范围为几个晶粒
32、或几个亚晶粒。虽然这种内应力所占的比例不大(约占全部内应力的1%2)，但在某些局部区域，有时微观残余应力很大，致使工件在不大的外力作用下即产生显微裂纹，并进而导致工件的断裂。,54,6.2.1 塑性变形对材料组织的影响,第三类内应力（点阵畸变）。它是由于材料在塑性变形中，产生大量点阵缺陷，而造成的晶格畸变。其作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。塑性变形后晶体中存在的储存能，特别是点阵畸变，导致系统处于不稳定状态，外界条件合适时，将会发生向平衡状态的转变，即回复和再结晶现象。一般残余应力的存在对材料的性能是有害的，它导致材料及工件的变形、开裂和
33、产生应力腐蚀。残余应力可以通过适当方式的热处理加以消除。但是，工件表面残留一层压应力时，对提高使用寿命有利。例如，采用喷九和化学热处理方法使工件表面产生一层压应力，可以有效地提高工件（如弹簧和齿轮等）的疲劳抗力。,55,56,Figure The compressive residual stresses can be harmful or beneficial.(a)A bending force applies a tensile stress on the top of the beam.Since there are already tensile residual stresses
34、at the top,the load-carrying characteristics are poor.(b)The top contains compressive residual stresses.Now the load-carrying characteristics are very goods,6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌,1对材料力学性能的影响随着形变量的增加，材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降，这一现象称为加工硬化。加工硬化的机理：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，增大了位错运动
35、的阻力，引起变形抗力增加，从而提高了材料的强度。,57,58,Characteristics of Cold Working,Figure A comparison of strengthening copper by(a)cold working and(b)alloying with zinc.Note that cold working produces greater strengthening,yet has little effect on electrical conductivity,59,Figure Development of strain hardening from
36、the stress-strain diagram,60,2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.3 The true stress-true strain curves for metals with large and small strain-hardening exponents.Larger degrees of strengthening are obtained for a give
37、n strain for the metal with the larger n,61,62,Properties versus Percent Cold Work,Figure The effect of cold work on the mechanical properties of copper,6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌,加工硬化现象作为一种强化方式，在材料的生产和使用过程中有重要意义。对于一些不能用热处理方法强化的材料，如某些铝、铜合金，采用加工硬化方法提高其强度显得尤为重要。加工硬化是一些材料加工工艺的基础。例如金属线材的冷拉拔加工，正是由于材料本身的加工硬化特性，才使金属型材变形均匀，避免因局部不均匀变形导致的断裂。加工硬化现象使材料在塑性变形过程中变形抗力逐渐增加，塑性逐步下降，以致丧失继续变形的能力。为了消除加工硬化，使材料重新恢复变形的能力，必须对其进行退火处理。,63,6.2.2 塑性变形对材料性能的影晌,2对材料物理、化学性能的影响材料经塑性变形后，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数降低，磁滞与矫顽力略有增加，磁导率、热导率下降。由于原子活动能力增大，还会使扩散加速。塑性变形提高了材料的内能，使化学活性提高，抗腐蚀性能下降。,64,
