《变形与再结晶》PPT课件.ppt

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1、第5章 材料的形变和再结晶,本章主要介绍金属材料在外力作用下，其内部组织变化的微观机制和规律，重点了解金属材料的形变强化机理。其次介绍冷形变金属材料在加热时，发生的回复、再结晶过程及其对金属材料组织与性能的影响和规律，重点了解回复机制和再结晶软化机理。,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。,应力应变曲线和力学性能指标,强度 strength,概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。通过拉伸试验测得大小。,强度判据：屈服点（屈服强度s）、抗拉强度b,试

2、样按GB639786制分长试样L0=10d0短试样 L0=5d0,弹性阶段,弹性极限P,屈服阶段,屈服极限S,强化阶段,强度极限B,颈缩阶段,屈服点,概念：力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：s 表示,抗拉强度,概念：试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：b表示,注：s、b 是设计与选材的重要依据,另：e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。,塑性 plasticity,概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。,判据：断后伸长率、断后断面收缩率,断后伸长率,概念：试样断后标准的伸长量与标准长度的百分比。,其中：Lk断后试样长度 Lo试样原始长度,断后断面收缩率,

3、概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。,说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小。、越大，材料的塑性越好。通常认为5%脆性材料。,5.1弹性和粘弹性5.2晶体的塑性变形5.3回复和再结晶5.4热变形与动态回复、再结晶,5.1弹性和粘弹性,一、金属的弹性变形1.弹性变形的实质 由金属的应力-应变曲线可知，金属在较小的外力作用下会发生弹性变形，当外力去除后变形完全恢复。其实质是因为外加作用力小于金属原子间的结合力。见下图,2.弹性变形的主要特点和弹性模量,主要特点1)弹性变形具有可逆性，2)弹性应变量很小，通常1%，3)应力与应变成正比，即服从虎克定律。,杨氏(正变)

4、弹性模量E与切变弹性模量G之间的关系为：为泊松比，表示材料侧向收缩能力，在拉伸试验时指材料横向收缩率与纵向伸长率的比值。一般金属材料的泊松比在0.250.35之间。,弹性模量,弹性模量表示的是材料抵抗弹性变形的能力，材料的弹性模量越大，则在一定的应力作用下材料产生的弹性变形量越小。所以，弹性模量又称刚度或刚性，材料的弹性模量越大，材料的弹性变形量越小，其刚度越大。弹性模量是组织结构不敏感性指标，其大小主要取决于材料中原子间的结合力，原子间的结合力越大，其弹性模量越大。,弹性模量与材料的晶体结构、点阵常数、晶粒大小和组织结构无关，因此不能通过细晶强化、固溶强化、形变强化和热处理等方法来改变材料的

5、弹性模量和提高材料的刚度。要提高材料的刚度，减小其弹性变形量，由下式可以看出有两个途径。因为=E，=F/A0，=L-L0/L0=L/L0 则 F/A0=E L/L0 所以弹性变形量L=FL0/A0E1)在材料一定时只能增大零件的截面积A0；,2)在零件截面积不能改变时，只能选用弹性模量大的材料。因为当A0、E越大时，弹性变形量L越小，零件的刚度越好。另外，单晶体具有各向异性，其弹性模量也具有各向异性。如单晶体-Fe在原子最密排的111晶向上正变弹性模量为272700MN/m2，而在100晶向上为125000MN/m2；而多晶体-Fe的正变弹性模量为211400MN/m2，是各向同性的。,3.弹

6、性变形的不完整性(滞弹性),当考虑金属在一恒定应力作用下，发生弹性变形时弹性应变量与时间的关系，可以发现金属的弹性变形的不完整性。见图5.3：即在弹性范围内加载或去载，发现应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种驰豫过程来完成的，即随时间的延长，逐步趋于平衡值的，在应力作用下逐渐产生的弹性应变叫滞弹性应变或弹性后效。,包申格效应：材料经小的预变形（小于4）后，同向加载e升高，反向加载e下降的现象。弹性滞后：由于应变落后于应力，使-曲线上加载线与卸载线不重合而形成一封闭回路，称为弹性滞后。应力-应变曲线成一回线，回线所包围的面积是应力循环一周所消耗的能量，称为内耗。见下图,二、粘弹性,粘弹性：材料

7、在小应力下同时表现出弹性和粘性的现象。粘弹性与时间有关，且具有可回复的弹性变形性质。粘性流动：非晶态固体和液体在很小外力作用下，发生没有确定形状的流变，且在外力去除后，形变不能回复。,5.2 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,5.2 晶体的塑性变形 塑性变形方式：滑移、孪生、扭折。单晶体的塑性变形 工程上应用的金属材料通常是多晶体。金属的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外还有孪生与扭折。高温变形时，还会以扩散蠕变与晶界滑动方式进行。,1.滑移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，在一定的晶面和一定的晶向上移动的现象。,a.滑移

8、线和滑移带 滑动结果的累积造成晶体宏观的塑性变形。每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。,在晶体缺陷中已指出，室温下晶体塑变的主要方式是滑移。滑移是靠位错的运动实现的，是位错沿滑移面的滑移。当位错移动到晶体表面时，便产生了大小等于柏氏矢量的滑移台阶，如果沿该滑移面上有大量位错运动到晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移，滑移矢量与柏氏矢量平行。,b.滑移系 因为位错在平衡位置能量较低，平衡位置之间能量增高，故晶体滑移的固有阻力是晶格阻力派-纳力；滑移面是密排面，滑移方向是最密排方向时，派-纳

9、力最小；滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向所构成。,滑移时，滑移面应是面间距最大的密排面，滑移方向是原子的最密排方向，一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。面心立方金属的滑移面为111，共有四组，包含三个滑移方向，因此共有12个滑移系。密排六方金属滑移面为（0001），滑移方向为，每组滑移面包含3个滑移方向，故有3个滑移系。,体心立方金属滑移系比密排六方金属的滑移系多，故塑性好；体心立方金属滑移面原子的密排程度不如面心立方，滑移方向也少于面心立方，故体心立方金属的塑性不如面心立方金属。,c.滑移的临界分切应力 作用在晶体上的外力，可分解为垂直于某一晶面的正应力和沿该晶面的切应力；滑

10、移面上的切应力，又可分解出沿滑移方向的分切应力和垂直于滑移方向的分切应力，当沿滑移方向的分切应力达到某一临界值，滑移过程才开始进行；,硬位向和软位向同一晶体有几组晶体学上完全等价的滑移系，实际先滑移的是处在软位向（45左右）的滑移系；故只有一组滑移面的密排六方金属屈服强度相差很大，对有多组滑移面的面心立方，不同取向的晶体拉伸屈服强度仅差两倍。处在硬位向（90或0 左右）的滑移系不能滑移。,d.滑移时晶体的转动 晶体发生塑性变形时，往往伴随取向的改变，当晶体在拉应力作用下产生滑移时，若夹头不受限制，欲使滑移面的滑移方向保持不变，拉力轴取向必须不断变化，如图6-8(a)(b)。实际上夹头固定不动，

11、即拉力轴方向不变，此时晶体必须不断发生转动。如图6-8(c)。转动结果，使滑移面法线与外力轴夹角增大，使外力与滑移方向夹角变小。,滑移时由于晶体的转动使其位向改变逐渐偏离45度即处于软位向的滑移系转到硬位向停止滑移几何硬化；处于硬位向的滑移系可能转到软位向参与滑移几何软化。,滑移时晶体的转动和旋转,拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。,e.多系滑移,多系滑移(复滑移)：是晶体中两个或多个滑移交替或同时进行的滑移。多系滑移主要发生在滑移系较多的晶体结构中，因为这样的晶体在外力作用时，首先是取向因子最有利(即受到的分切应力最大)的滑移系开始滑移；由于滑

12、移时晶面要发生转动，使晶面的位向改变，造成几何硬化或几何软化，从而使其它滑移系逐渐处于取向因子较有利的位向而开始滑移。,对于有多个滑移系的晶体，处于软位向的一组滑移系首先开动发生单系滑移；若两组滑移系同时处在软位向上，则滑移时，两组滑移系同时开动发生双系滑移；见下图：,若有多组滑移系同时处在软位向上，在滑移时，它们同时开动发生多系滑移，或在滑移过程中由于晶体的转动，使两个或多个滑移系交替滑移发生 多系滑移。单晶体何时发生单系滑移、双系滑移和多系滑移，用其极射投影图描述最为方便。如以面心立方晶体为例，它的（001）标准投影图见下图：,由图可以看出，极点100、110、111三点组成一个三角形，把

13、整个极图分成24个三角形区域。当外加拉力轴位于三角形中时，发生单系滑移；当外加拉力轴位于每个三角形的每一边上时，同时开动两个等效滑移系发生双系滑移；当外加拉力轴位于每个110极点上时，同时开动四个等效滑移系发生多系滑移；,当外加拉力轴位于每个111极点上时，同时开动六个等效滑移系发生多系滑移；当外加拉力轴位于每个100极点上时，同时开动八个等效滑 移系发生多系 滑移。见右图,不管是单系滑移、双系滑移、还是多系滑移，它们的具体滑移面和滑移方向的确定方法与单系滑移时，滑移面和滑移方向的确定方法相同。首先以力轴所在三角形111角的对边作为公共边，而镜面对称的极点为滑移面的法线方向；以三角形角的对边作

14、为公共边，与其对称的极点代表滑移方向。具体确定方法见上图。,以当外力轴正好位于两相邻三角形的公共边上时，两组滑移系处于同等有利的地位发生双系滑移。其滑移系的确定可以认为外力轴分别处于相邻两个三角形中，按上述方法确定。,由于滑移机制是位错运动，因此应注意！,单系滑移是一个位错源开动，开始不断增殖位错，使位错密度不断增加。双系滑移是两个位错源开动，不断增殖位错，使位错密度不断增加；但两位错源放出的位错，会发生交割产生割阶和扭折，使位错运动阻力增大，滑移越来越困难，塑性变形越来越难进行。多系滑移是多个位错源同时开动，位错增殖和位错交割更大，位错运动和滑移更困难。,发生位错反应形成固定位错造成位错塞积

15、,多系滑移各滑移系相互影响，使滑移变形的抗力增大，它所产生的硬化称为物理硬化，是晶体材料塑性变形时产生加工硬化重要组成部分。密排六方晶体滑移系少，不易发生多系滑移，一般只发生单系滑移，它不产生物理硬化，所以比多系滑移容易。因此通常把易于出现单系滑移的力轴取向也称为软取向，而把易于出现多系滑移的力轴取向也称为硬取向。,f.交滑移 交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑 移方向交替或同时进行的滑移。两个或多个滑移面沿同一滑移方向的滑移交滑移；刃位错的滑移面被限定在由位错线与柏氏矢量构成的平面上，它只有一个滑移面不能进行交滑移；纯螺位错的柏氏矢量与位错线平行，滑移面可以是任何一个含有位错线的密排面，

16、这些密排面可沿同一个方向滑移。所以螺位错能进行交滑移。,交滑移可以在各种不同的晶体结构中进行,在面心立方晶体中沿两个不同的111面的交线方向进行的滑移就是交滑移。在体心立方晶体中，它的滑移面多如110，112，123，它们的滑移方向比较固定都是，所以在110，112，123滑移面上沿方向同时进行的滑移都是交滑移。在密排六方晶体中沿其顶面和柱面同时方向进行的滑移也是交滑移。,另外，交滑移也可以是两个滑移面沿同一个滑移方向先后进行的交替滑移，即在一个滑移面上滑移受阻后，转移到第二个滑移面上沿原滑移方向进行的滑移。这种交滑移可显著地降低滑移阻力，使金属的变形能力得以充分发挥。晶体发生交滑移后，其抛光

17、表面上出现曲折和波纹状滑移带。,g.滑移的位错机制,因为由实验实际测得，晶体滑移的临界分切应力值比理论计算值低34个数量级。经过长期研究发现晶体的滑移，并不是晶体的一部分相对另一部分，沿滑移面发生的刚性整体滑移，而是以位错在滑移面上逐步运动来进行。见下图：,滑移是由位错运动造成的（滑移位错机制）,位错的存在使晶体滑移需要的力大大减小，并与实验实际测得值接近。但位错运动仍需一定的外力作用，以克服点阵阻力，即来自晶体点阵周期性的阻力。,该点阵阻力首先由派尔斯-纳巴罗估算出来。因此称为派-纳力(P-N)力。,由该式可以看出：当d越大，b越小时，P-N力越小；这说明为什么晶体的滑移总是沿着原子最密排晶

18、面和最密排晶向进行。,2.孪生 孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。一些密排六方的金属如Cd，Zn，Mg等常发生孪生变形。体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低，形变速率极快时，也会通过孪生方式进行塑变。,孪生是发生在晶体内部的均匀切变过程，总是沿晶体的一定晶面(孪晶面)，沿一定方向(孪生方向)发生，变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系。在金相显微镜下一般呈带状，有时为透镜状。孪生是滑移不易进行时的补充；在密排六方的金属如Cd,Zn,Mg等，以及体心立方、面心立方金属在变形温度低、变形速度极快时常发生孪生变形。,a.孪生的变形过

19、程面心立方111；体心立方112；密排六方1012。变形区域作均匀切变，每层(111)面相对相邻晶面，沿112方向移动了该晶向原子间距的分数倍；已变形部分与未变形部分，以孪晶面构成镜面对称的位向关系。,b.孪生的特点 孪生对塑变的直接贡献比滑移小得多；孪生改变晶体的位向，使硬位向的滑移系转到软位向，激发晶体的进一步滑移，对滑移系少的密排六方金属尤其重要；孪生所需临界分切应力较大；孪生面切变量均匀，与孪生面的距离成正比；孪生两部分呈镜面对称关系。,c.孪晶的形成,d.孪晶的位错机制,e.孪生与滑移的对比,.相同点：都是在切应力作用下发生的塑性变形。都是晶体塑性变形的基本方式，都是晶体的一部分相对

20、于另一部分沿一定的晶面和晶向进行移动。都不改变晶体的点阵类型。,.不同点,变形方式：孪生是均匀切变；滑移是不均匀变形。见右图,晶体的位向：滑移不改变晶体的位向，即已滑移部分与未滑移部分的位向相同；孪生改变晶体的位向，即孪生变形部分（孪晶区）与未变形部分之间具有特定的位向关系（成镜面对称）。位移的量：滑移的位移量是滑移方向上原子间距的整数倍；孪生的位移量是孪生方向上原子间距的分数值。对塑性变形的贡献：滑移对塑性变形的贡献很大，即总变形量大；孪生对塑性变形的直接贡献小(即总变形量小)，但间接贡献大。,变形条件：一般情况下，先发生滑移变形；后发生孪生变形，即在滑移变形难以进行时；或晶体对称度很低、变

21、形温度低、加载速率高时发生孪生变形。变形应力：滑移所需的临界分切应力小，孪生所需的分切应力一般高于滑移的临界分切应力。变形机制：滑移是全位错运动的结果；孪生是不全位错运动的结果。,3.晶体的扭折,金属材料在外力作用下除了可以以滑移和孪生方式进行塑性变形外，在一定条件下还可以以其它方式进行塑性变形，这就是扭折。因为晶体在外力作用下，由于各不同区域的受力情况不同，因此当某些局部区域处于既不能滑移也不能孪生的某种取向时，这样的局部区域在外力作用下，就会以扭折方式进行塑性变形。,如对密排六方金属进行压缩，当外力恰好与晶体的(0001)面平行，由于=90cos=0因此在滑移面(0001)面上的分切应力为

22、零，所以不能进行滑移，如此时孪生过程阻力过大也难于进行，则当外力超过某一临界值时，晶体就会在局部区域发生扭折，形成扭折带。见下图,扭折带的晶体取向与非扭折带的晶体取向是不对称的。扭折变形只是一种协调性变形，它主要发生在滑移和孪生都不能进行的某些局部区域。扭折是一种位错的堆积；扭折可以协调晶粒间或晶粒内不同部位的变形，引起晶体局部区域的取向改变，促进晶体变形能力的发挥。,压缩时产生的理想对称扭折带是由好几个楔形区域组成。扭折对晶体塑性变形的间接贡献较大。,多晶体的塑性变形,由于多晶体金属是由许多形状、大小和位向都不相同的小晶粒所构成，而且每个小晶粒就相当于一个小单晶体，所以多晶体在塑性变形时，每

23、个小晶粒的变形情况与单晶体基本相似，但是，由于各晶粒之间的位向不同和晶界的存在，使各晶粒在变形时要受到相互阻碍和制约，这就使得多晶体的塑性变形比单晶体的塑性变形复杂的多，并具有一些新的特点。,一、多晶体塑性变形的一般过程,是晶粒一批一批的交替进行变形的过程。见右图：,因为在外加应力作用下，多晶体中各不同位向的许多小晶粒中，只有处在有利位向的那些晶粒中，的那些取向因子最大的滑移系才能首先开动。周围位向不利的晶粒的各滑移系上的分切应力尚未达到临界值，所以还不能发生塑变，处在弹性变形状态。,首先发生塑性变形的晶粒，就是其滑移面上的位错源开动不断产生位错的过程，大量位错将沿滑移面源源不断运动，但由于四

24、周晶粒位向不同，其滑移系的位向也不同，运动着的位错不能越过晶界。于是晶界处将形成位错的平面塞积群。,二、多晶体塑性变形的主要特点,多晶体的塑性变形也是以滑移、孪生为基本方式；但需要考虑晶界对变形的阻碍作用和不同位向晶粒对变形的影响。1.不同取向晶粒之间必须相互协调 多晶体金属在外加应力作用下，在有利位向的晶粒中，取向因子最大的滑移系首先滑动；而周围位向不利的晶粒仍处在弹性形变状态；因此变形晶粒只能在这个晶粒内部进行，而不能直接由该晶粒延续(传递)到相邻,的晶粒中(即位错不能直接从该晶粒滑移到相邻的晶粒中)；即在多晶体中每一个晶粒在变形时，都会受到周围各不同位向晶粒的约束和限制，它们使该晶粒的变

25、形阻力增大，并且变形时必须与周围晶粒相互协调和配合。这就要求每个晶粒在变形时，必须有几个独立的滑移系可供开动，以便满足与周围晶粒的协调变形。,理论分析认为：,每一个晶粒内至少要有5个独立的滑移系可供开动，才能满足与周围晶粒的协调变形，否则变形很难进行。因为晶体的任一变形都可以用六个应变分量xx，yy，zz，xy，yz，zx来表示，而塑性变形时晶体的体积不变，则xx+yy+zz=0，因此三个正应变中只有两个是独立变量，加上三个切应变，所以一共有五个独立的应变分量，它要求五个独立的滑移系来满足。,2.晶界对变形有阻碍作用 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从

26、一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻碍作用。,滑移时位错源不断产生大量位错，运动到晶界处形成平面塞积群，形成应力集中；外应力的增加和应力集中使相邻晶粒的滑移系上的分切应力达到临界值，开始塑性变形；为协调已发生塑变的晶粒形状的改变，四周晶粒必须是多系滑移，面心立方、体心立方滑移系多，故晶粒变形协调性好，塑性好。,晶粒越细，单位体积的晶界越多，强化效果越好细晶强化；因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。因此，一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。,晶粒越细，强度越高 晶粒越细，强度越高(细晶强化

27、：由下列霍尔配奇公式可知)s=0+kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大晶粒越细，塑韧性提高 晶粒越多，变形协调性均匀性提高：高塑性。细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，（不知道往哪里走），表现出高韧性。,三、多晶体塑性变形的一般特点,1.多晶体的塑性变形抗力高。见下图,2.多晶体的塑性变形是不均匀的。,它可解释细化晶粒为什么能提高材料的塑性、韧性。即晶粒越细小塑性变形的不均匀性越小，产生的应力集中越小，材料越不容易开裂。3.多晶体塑性变形时晶粒会发生转动。多晶体塑性变形时各晶粒为了与周围晶粒相互协调，将发生转动使其位向改变，它也产生几何硬化和几何

28、软化，变形量很大时还会形成形变织构。,细化晶粒能提高材料的强度、硬度、塑性、韧性，但细晶强化只实用于常温下使用的材料！因为在高温(0.5Tm)时，材料的变形机制改变，则晶粒越细小材料的强度越低。,在高温时，多晶体特别是细晶粒的多晶体，还可能出现另一种称为扩散性蠕变的变形机制，这个过程与空位的扩散有关。晶界本身是空位的源和湮没阱，多晶体的晶粒越细，扩散蠕变速度就越大，对高温强度也越不利。,5.2.3 合金的塑性变形工程上使用的金属材料绝大多数是合金。其变形方式，大致与纯金属的情况类似，但由于合金元素的存在，有一些新的特点。按合金组成相不同，主要可分为单相固溶体合金和多相合金，它们的塑性变形各有不

29、同的特点。,1.单相固溶体合金的塑性变形 和纯金属相比最大的区别在于，单相固溶体合金中存在溶质原子。溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现为固溶强化效应。a.固溶强化,不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大的差别，影响固溶强化的因素主要如下：(1)溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。(2)溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。(3)间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，间隙原子在体心立方晶体中的强化作用大于面心立方。(4)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。,固溶强化机理,溶质原子与位错的弹性交互作用形成柯氏气团钉扎位错,溶质原子与位错的化

30、学交互作用形成玲木气团钉扎位错,溶质原子在扩展位错的层错带偏聚。溶质原子与位错的静电交互作用,b屈服现象与应变时效屈服现象 在低碳钢的应力应变曲线中，开始发生明显塑性变形时所对应的应力为上屈服点，随后应力突然下降，该点所对应的应力为下屈服点，此后应力保持不变，而试样发生屈服伸长，所以拉伸曲线中出现应力平台区。见下图：,在发生屈服延伸阶段，试样的应变是不均匀的。当应力达到上屈服点时，首先，在试样的应力集中处开始塑性变形，并在试样表面产生一个与拉伸轴约成45交角的变形带吕德斯带。屈服过程的吕德斯带与滑移带不同，它是由许多晶粒协调变形的结果。即吕德斯带穿过了试样横截面上的每个晶粒，而其中每个晶粒内部

31、则仍按各自的滑移系进行滑移变形。,屈服现象的解释,目前屈服现象的解释有两种理论：1)柯氏气团理论2)可动位错增殖理论(20世纪60年代后提出),Cottrell气团和屈服现象 晶体中溶质原子的溶入，引起了点阵畸变，形成了应力场。若晶体中同时存在位错，则位错的应力场使溶质原子倾向于聚集到位错周围；形成比较稳定的分布。通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团。,屈服现象的物理本质 间隙型溶质原子和位错的交互作用很强，位错被牢固地钉扎住。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱Cottrell气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点；而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此应力减小，出现了下屈服点和水

32、平台阶。,无位错的晶须和低位错密度晶体的屈服现象，可用可动位错增殖理论解释。,由于在拉伸试验时，材料的应变速率由试验机夹头的运动速度决定，接近恒值。即p一定,在塑变开始前，晶体中位错密度很低，或可动位错密度m较低(大量位错被钉扎住)，要维持p一定，必须使增大，要增大，就需要提高，即产生上屈服点；塑性变形开始后，位错迅速增殖，可动位错密度m迅速增大，导致突然下降，为了维持p一定，也突然下降，即产生下屈服点。,应变时效,上图中曲线3为发生了应变时效，因为将预变形试样在常温下放置几天或经200左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高的现象。产生应变时效的机理，仍可用柯氏气团理

33、论解释，即在常温下放置几天或经200左右短时加热后，溶质原子与位错又发生弹性交互作用形成柯氏气团钉扎位错，因此使屈服应力进一步提高。(此时位错密度比第一次出现屈服现象时高),2.多相合金的塑性变形工程上使用的金属材料，基本上都是两相或多相合金。但它们都可以分为基体相和强化相(或叫第二相)两部分。多相合金中占主体(体积分数70%)的相，称为基体相，其它的相称为第二相。,多相合金的塑性变形与单相固溶体合金塑性变形的不同之处是除基体相外，尚有其他相(第二相)存在。第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，它与基体相的结合状况不一，以及第二相的形变特征与基体相的差异，使得多相合金的塑性变形更加复杂。,多相合

34、金的分类,按第二相颗粒(或叫粒子)的尺寸大小，可将多相合金分为两类。聚合型合金：第二相颗粒的尺寸与基体相晶 粒尺寸属于同一数量级。弥散分布型合金：第二相颗粒的尺寸细小，并弥散分布于基体相晶粒 中。,a聚合型合金的塑性变形,1)当组成合金的两相晶粒尺寸属同一数量级，且都为塑性相时，合金的变形能力取决于两相的体积分数。目前常用等应变理论和等应力理论来反映合金的强度。见下式：,2)当组成合金的两相中一个是塑性相，另一个是脆性相时，合金的塑性变形取决于第二相的数量、尺寸、形状和分布,b.弥散分布型合金的塑性变形,在弥散分布型合金中，其第二相多为硬脆相，因此这类合金的塑性变形主要取决于弥散分布的第二相的

35、数量和大小。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，会产生显著的强化作用。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。通常按第二相粒子的尺寸大小可以将它分为不可变形粒子和可变形粒子两类。,(1)不可变形粒子的强化作用适用弥散硬化 当运动位错与其相遇时，将受到粒子的阻挡，使位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，形成包围着粒子的位错环，位错线的其余部分则越过粒子继续移动。每个留下的位错环要作用于位错源一反向应力，继续变形时必须增大应力以克服此反向应力，使流变应力迅速提高。,迫使位错线弯曲到曲率半径为R时所需

36、的切应力该强化机制称为位错绕过机制，也叫奥罗万机制。,(2)可变形微粒的强化作用适用沉淀硬化,当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。其强化机制如下：位错切过粒子时，出现了新的表面积，使总的界面能升高。若粒子是有序结构，则位错切过粒子时产生反相畴界(见教材56页，图2.51)，引起能量的升高。,第二相粒子与基体的晶体点阵不同或至少是点阵常数不同，位错切过粒子时必然在其滑移面上造成原子的错排，需要额外作功，给位错运动带来困难。粒子与基体的比体积差别，在粒子周围产生弹性应力场，此应力场与位错会产生交互作用，对位错运动有阻碍。,基体与粒子中的滑移面取向不同，则位错切过后会产生

37、割阶，阻碍整个位错线的运动。粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，其宽度会发生变化，引起能量升高。该强化机制称为位错切过机制,5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响,金属材料经塑性变形后不仅外形和尺寸发生了变化，而且其内部的组织结构也会发生一系列复杂的变化，而组织的变化必然会导致其性能也发生变化。,1.显微组织的变化,铜材经不同程度冷轧后的光学显维组织,压缩率为30%，50%，99%300,2.亚结构的变化,铜材经不同程度冷轧后的薄膜透射电镜像,压缩率为30%，50%，99%30000,层错能低的材料(不锈钢，黄铜)中,扩展位错的层错带宽度大，不易束集发生交滑移，塞积的位错群移动性差，

38、易构成复杂的位错网络，而不产生胞状亚结构。见189页图5.38,3.性能的变化,金属材料经塑性变形后不仅力学性能，而且物理和化学性能也发生明显的变化。其力学性能变化的特征是产生了加工硬化。加工硬化 材料随变形量的增大，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象。,体心立方单晶体在合适的纯度、位向、应变速率和变形温度下，可以看到上述三个变形阶段的加工硬化特征。而密排六方单晶体的滑移系少，位错交截作用弱，加工硬化率小，没有三个明显的变形阶段特征，见教材图5.41。多晶体由于晶界的存在，其变形抗力明显高于单晶体，多晶体中细小晶粒的加工硬化率一般粗晶粒金属；而合金比纯金属的加工硬化率要高，溶质原子的加入，在

39、大多数情况下增大加工硬化率。,b.其他性能的变化 经塑性变形后的金属材料，由于点阵畸变，空位和位错等结构缺陷的增加，使其物理性能和化学性能也发生一定的变化。塑性变形，通常可使金属的电阻率增高；塑性变形后，金属的电阻温度系数下降，磁 导率下降；热导率也有所降低，铁磁材料的磁滞损耗及 矫顽力增大；塑性变形加快金属的腐蚀速度。,4.形变织构在塑性变形中，随着形变程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，逐渐使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性的现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构。由于加工变形方式的不同，形变织构可分为两种类型：拔丝时形成的织

40、构称为丝织构，轧板时形成的织构称为板织构。,5.残余应力,冷变形金属中储存能的表现形式就是残余应力，简称为内应力，它是金属内部相互平衡的应力，是因为金属变形时各部分变形不均匀而产生的。根据内应力的作用范围不同，一般将它分为三类：,(1)第一类内应力，又称宏观内应力。,由工件宏观不均匀变形引起，(如金属零件表面与心部变形不均匀，它在金属零件的宏观范围相互平衡)，约占总储存能的0.1左右。,(2)第二类内应力，又称微观残余应力。,它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。,

41、(3)第三类内应力，又称点阵畸变。,其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的。变形金属储存能的绝大部分(80一90)用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，有一种使变形金属重新恢复到能量最低的稳定结构状态的自发趋势。,金属材料经冷形变加工的利弊,有利方面：能保证各种冷加工成型工艺的顺利进行；可 通过冷加工控制产品的最后性能；可使某些 零件在工作过程中，表面不断硬化，以提高 耐冲击、耐磨损性能。不利方面：使变形加工过程中抗力不断增加，使能耗增 大；使材料变硬，变脆，故加工过程中需要加多次中间退火，使生产周期延长成本增加。,思考题,用位错理论解释金属和合金冷塑性变形时产生加工硬化机理。,