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1、材料的形变和再结晶的表现和影响 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 因此研究材料的变形规律及其微观机制 分析了解各种内外因素对变形的影响 以及研究讨论冷变形材料在回复再结晶过程中组织 结构和性能的变化规律 具有十分重要的理论和实际意义 本章讲授的主要内容 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 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
2、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 滑移孪生扭折滑移滑移是晶体在切应力的作用下 晶体的一部分沿一定的晶面 滑移面 的一定方向 滑移方向 相对于另一部分发生滑动 滑移的特点 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 与滑移带高倍分析发现 在宏观及金相观察中看到的滑移
3、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 对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性 滑移只是集中发生在一些晶面上 而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形 只是彼此之间作相对位移而已 滑移的特点 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动 而是通过位错的运动来实现的 在切应力作用下 一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动 即位错自左向右移动时 晶体产生滑移 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量 因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍 滑移的特点 滑移系塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向
4、运动 这些晶面和晶向分别称为 滑移面 和 滑移方向 滑移系晶体结构不同 其滑移面和滑移方向也不同 滑移的特点 滑移的临界分切应力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 滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量 其数值与晶体的类型 纯度 以及温度等因素有关 还与该晶体的加工和处理状态 变形速度 以及滑移系类型等因素有关 滑移的特点 滑移时晶面的转动单晶体滑移时 除滑移面发生相对位移外 往往伴随着晶面的转动 对于只有一组滑移面的hcp 这
5、种现象尤为明显 晶体受压变形时也要发生晶面转动 但转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直 滑移的特点 多系滑移对于具有多组滑移系的晶体 滑移首先在取向最有利的滑移系 其分切应力最大 中进行 但由于变形时晶面转动的结果 另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上 于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行 从而产生多系滑移 孪生孪生是塑性变形的另一种重要形式 它常作为滑移不易进行时的补充 孪生变形过程 孪生的特点 1 孪生变形也是在切应力作用下发生的 并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区 因此 孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多 2 孪生是一种
6、均匀切变 即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离 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 3 孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系 孪晶的形成孪晶的主要方式有三种 一是通过机械变形而产生的孪晶 也称为 变形孪晶 或 机械孪晶 它的特征通常呈透镜状或片状 二为 生长孪晶 它包括晶体自气态 如气相沉积 液态 液相凝固 或固体中长大时形成的孪晶 三是变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶 也称为 退火孪晶 它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒 是在再结晶过程中通过堆垛层错的生长形成的 通常 对称性低 滑移系少的密排六方金属如Cd Zn
7、 Mg等往往容易出现孪生变形 讨论 滑移和孪生的比较 相同方面从宏观上看二者都是晶体在剪应力作用下发生的均匀剪切变形 从微观上看二者都是晶体塑性形变的基本方式 是晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向平移 从变形机制看二者都是晶体中位错运动的结果 二者都不改变晶体结构 不同方面滑移不改变位向 即晶体中已滑移部分和未滑移部分的位向相同 孪生则改变位向 即已孪生部分 孪晶 和未孪生部分 基体 的位向不同 而且两部分具有特定的位向关系 对称关系 滑移时原子的位移是沿滑移方向的原子间距的整数倍 而且在一个滑移面上的总化移往往很大 但孪生时原子的位移小于孪生方向的原子间距 滑移时只要晶体有足够的塑
8、性 切变可以为任意值 但孪生时切变是一个确定值 由晶体结构决定 且一般都较小 因此滑移可以对晶体的塑性变形有很大的贡献 而孪生对塑性变形的直接贡献则非常有限 虽然由于孪生引起位向变化 可能进一步诱发滑移 但总的来说 如果某种晶体的主要变形方式是孪生 则它往往比较脆 不同方面虽然从宏观上看 滑移和孪生都是均匀切变 但从微观上看 孪生比滑移变形更均匀 因为在孪生时每相邻两层平行于孪生面的原子层都发生同样大小的相对位移 而滑移时 相邻滑移线间的距离达到数百埃以上 相邻滑移带间的距离则更大 但滑移只发生在滑移线处 滑移线之间及滑移带之间的区域均无变形 故变形是不均匀分布的 滑移过程比较平缓 因而相应的
9、拉伸曲线比较光滑 连续 孪生往往是突然发生的 甚至可以听见急促的响声 相应的拉伸曲线上出现锯齿形的脉动 滑移和孪生发生的条件往往不同 晶体的对称度越低 越容易发生孪生 此外 变形温度越低 加载速率越高 如冲击加载 也越容易发生孪生 不同方面滑移有确定的 虽然是近似的 临界分切应力 而孪生是否也存在着确定的临界分切应力则尚无实验证据 但一般来说 引起孪生所需的分切应力往往高于滑移的临界分切应力 滑移是全位错运动的结果 孪生则是分位错运动的结果 如何根据变形后的样品表面形貌来区别孪晶 滑移带 比较可靠的识别方法是 先将变形后的样品表面磨光或抛光 使变形痕迹 孪晶 滑移带 全部消失 再选用适当的腐刻
10、剂腐蚀样品表面 然后在显微镜下观察 如果看不到变形痕迹 即样品表面处处衬度一样 则该样品原来的表面形变痕迹必为滑移带 这是因为滑移不会引起位向差 故表面各处腐蚀速率相同 原来光滑的平面始终保持平面 没有反差 如果在腐蚀后的样品表面上重新出现变形痕迹 则它必为孪晶 因为孪晶内的位向是不同于周围未变形区域的 因而其腐蚀速率也不同于未变形区 故在表面就出现衬度不同的区域 3 扭折由于各种原因 晶体中不同部位的受力情况和形变方式可能有很大的差异 对于那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方 晶体将通过其他方式进行塑性变形 为了使晶体的形状与外力相适应 当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲 这种变形
11、方式称为扭折 变形区域则称为扭折带 扭折变形与孪生不同 它使扭折区晶体的取向发生了不对称性的变化 扭折是一种协调性变形 它能引起应力松弛 使晶体不致断裂 并且通过晶体取向的改变是滑移系处于有利取向 进一步产生滑移 5 1 2多晶体的塑性变形 工程上使用的金属绝大部分是多晶体 多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同 但由于多晶体材料中存在单晶体所不具备的晶体学特征 包括 晶粒位向不同 晶粒大小不同 晶界 因此着重讨论这些特征对变形的影响 晶粒取向的影响 晶粒取向的影响 主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性 多晶体中每个晶粒位向不一致 一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向 软
12、位向 另一些晶粒的滑移面和滑移方向偏离最大切应力方向 硬位向 在发生滑移时 软位向晶粒先开始 当位错在晶界受阻逐渐堆积时 其他晶粒发生滑移 因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形 但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中 它的变形必然与其邻近晶粒相互协调配合 不然就难以进行变形 甚至不能保持晶粒之间的连续性 会造成空隙而导致材料的破裂 为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移 滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体能满足这个条件 故它们的多晶体具有很好的塑性 相反 密排六方晶体由于滑移系少 晶粒之间的应变协调性很差 所以其多晶体
13、的塑性变形能力可低 晶界的影响 为了研究晶界的力学行为 有人将同样的多晶 Fe试样分别在室温和高温下进行拉伸试验 这些试样的晶界都近似垂直于试样轴 试验结果发现 在室温下拉伸时 靠近晶界处试样的直径变化很小 远离晶界处则直径显著减小 在高温下拉伸时情况恰好相反 晶界附近试样显著变细 远离晶界处则变化很小 如图所示 试验表明 低温或室温下 晶界强而晶粒本身弱 高温下则相反 这样就必然存在着一个温度 在此温度下晶界和晶粒本身强度相等 这个温度便称为等强温度 晶界在多晶体塑性形变中的作用 协调作用多晶体在塑性形变时各晶粒都要通过滑移或孪生而变形 但由于多晶体是一个整体 各晶粒的变形不能是任意的 而必
14、须相互协调 否则在晶界处就会裂开 晶界正是起着协调相邻晶粒的变形的作用 由于协调变形的要求 在晶界处变形必须连续 亦即两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同 晶界在多晶体塑性形变中的作用 障碍作用在低温或室温下变形时 由于晶界比晶粒强 故滑移主要在晶粒内进行 它不可能穿过晶界而在相邻晶粒内进行 可见 晶界限制了滑移 另一方面 由于晶界内大量缺陷的应力场 使晶粒内部 特别是靠近晶界区 滑移更困难 或者说 需要更高的外加应力才能滑移 这就是晶界的障碍作用 晶界在多晶体塑性形变中的作用 促进作用在高温下变形时 由于晶界比晶粒弱 故除了晶粒内滑移外 相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑动 此称为晶界滑动 晶
15、界滑动也造成晶体宏观塑性变形 但变形量往往远小于滑移和孪生引起的塑性变形 晶界在多晶体塑性形变中的作用 起裂作用一方面 由于晶界阻碍滑移 此处往往应力集中 另一方面 由于杂质和脆性 第二相往往优先分布于晶界 使晶界变脆 这样在变形过程中裂纹往往起源于晶界 此外 由于晶界处缺陷多 原子处于能量较高的不稳定状态 在腐蚀介质作用下 晶界往往优先被腐蚀 晶间腐蚀 形成微裂纹 晶粒度的影响 所谓晶粒度就是指晶粒的大小 它可以用单位体积材料中的晶粒数或单位截面面积内的晶粒数来度量 但较方便的表示方法是将晶粒近似地看成是球形 把各球形晶粒的平均直径d作为晶粒度的度量 晶粒度对晶体的各种性能都有影响 而影响最
16、大的是变形过程的力学性能 特别是对屈服极限的影响 一般来说 晶粒越细 阻碍滑移的晶界便越多 或晶界面积越大 屈服极限也就越高 大多数金属的屈服极限和晶粒度符合Hall Petch公式 精细的实验表明 具有明显屈服点的金属特别符合该公式 而没有明显屈服点的FCC金属则不甚符合 除了屈服极限外 金属的硬度和晶粒度也有一定的关系 多晶体塑性形变的微观特点 和单晶体的塑性形变相比 多晶体的塑性形变有三个突出的微观特点 即 多方式 多滑移和不均匀 多滑移和单晶体不同 多晶体变形时开动的滑移系统不仅仅取决于外加应力 而且取决于协调变形的要求 理论分析表明 为了维持多晶体的完整性 即在晶界处既不出现裂纹 也不发生原子的堆积 每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动 虽然这些系统的分切应力并非都最大 实验观察也证明 多滑移是多晶体塑性形变时的一个普遍现象 多方式多晶体的塑性形变方式除了滑移和孪生外 还有晶界滑动和迁移 以及点缺陷的定向扩散 滑移和孪生是室温和低温下塑性形变的重要方式 此时外加应力超过晶体的屈服极限 晶界滑动和迁移是高温下的塑性形变方式之一 此时外加应力往往低于该温度下的屈服极限 试样会发生
