第五章 材料的形变和再结晶

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1、第五章,材料的形变和再结晶,主要内容,1.弹性变形的本质、特征、弹性模量等 2.单晶体、多晶体、合金的塑性变形 3.塑性变形对材料组织和性能的影响 4.冷变形金属在加热时组织与性能的变化 5.回复与再结晶 6.晶粒长大 7.再结晶退火与退火孪晶,3,金属材料的铸态组织存在的缺陷: 晶粒粗大; 组织不均匀(三晶区); 成分不均匀(偏析); 材质不致密(疏松)等. 金属材料冶炼浇注后,绝大多数要塑性变形后使用,少数铸造后直接使用,如:机床床身、泵体、暖气片等。,金属材料经压力加工（塑变）后： 改变外形及尺寸；如：棒材、板材、型钢； 组织变化，与组织有关的性能也发生变化；如：冷加工后，材料强度显著提

2、高，塑性下降。经锻造后，强度提高不明显，塑性、韧性大为改善。,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。 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，研究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。,5,Compression （压缩）,Tension (拉伸),Shear (剪切),Torsion (扭转),材料受外力 F 作用后产生的 应力： 应变： F 载荷A0试样的原始截面面积l0 试样的原始长度l 试样变形后的长度,在剪切变形的情况下，则有 切应力： = F / A

3、o 切应变： = tan ( 100 %) 应变角；,扭转变形情况与剪切相似 静载：转矩T； 应变：转角,6,拉伸实验 Tensile Test,测试仪器,标准样品,Fracture (断裂),Tensile Strength (抗拉强度),Necking (颈缩),7,拉伸实验 Tensile Test,Standard stress-strain curve of low-C steel,退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为 弹性变形 不均匀屈服塑性变形 均匀塑性变形 不均匀集中塑性变形四个阶段。,将拉伸力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到

4、应力应变曲线。 弹性极限、屈服强度和抗拉强度，是工程上具有重要意义的强度指标。,10,10,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Elastic means reversible!,Elastic Deformation（弹性变形）, = E,Hookes Law,11,11,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Plastic means permanent!,Plastic Deformation（塑性变形）,第一节 弹性和黏弹性,材料在外力作用下发生变形。当外力较小时，产生弹性变形。弹性变形是可逆变形，卸载时，变形消失并恢复

5、原状。 弹性变形：指外力去除后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。 弹性变形的实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。,一、弹性变形的本质,原子处于平衡位置时，相互作用力为零，这是最稳定的状态。 原子间距为r0，位能U处于最低位置，原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。 外力去除后，原子都恢复到原来的平衡位置，所产生的变形完全消失。,弹性变形本质：,14,弹性变形的本质,FN = 0 平衡位置r0,attractive,repulsive,原子之间的作用力！,二、弹性变形的特征和弹性模量,式中，、分别为正应力和切应

6、力； 、分别为正应变和切应变； E，G分别为弹性模量和切变模量,（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。 弹性变形量比较小，一般不超过0.51。 （2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即服从虎克(Hooke)定律：,弹性变形的特征,弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结构不敏感参数。,式中，v为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在0.250.35之间。,弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：,弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。,对晶体材料而言，其弹性模量是各向异性的。

7、在单晶体中，不同晶向上的弹性模量差别很大，沿着原子最密排的晶向弹性模量最高，而沿着原子排列最疏的晶向弹性模量最低。多晶体因各晶粒任意取向，总体呈各向同性。,弹性变形量随材料的不同而异。多数金属材料仅在低于比例极限的应力范围内符合虎克定律，弹性变形量一般不超过0.5%。,在工程上，弹性模量是材料刚度的度量。,18,弹性模量与温度、原子结合键类型的关系,三、 弹性的不完整性,多数材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺陷。 弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。 弹性不完整性的现象包括

8、包申格效应 弹性后效 弹性滞后 循环韧性,1包申格效应（Bauschinger Effect),材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则e升高，反向加载则e下降。此现象称之为包申格效应。 它是多晶体金属材料的普遍现象。 包申格效应对于承受应变疲劳的工件很重要。,微观本质 预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸 长应力降低。 包申格效应的危害及防止方法 交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降） 预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。 第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退 火。

9、,2弹性后效,一些实际晶体，在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。,ab=cd 滞弹性应变,3.弹性滞后,由于应变落后于应力，在-曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。,弹性滞后环,a)单向加载弹性滞后环 (b)交变加载（加载速度慢）弹性滞后环 c) 交变加载（加载速度快）弹性滞后环 （d）交变加载塑性滞后环,物理意义： 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。回线面积为一个循环所消耗的不可

10、逆功。 这部分被金属吸收的功，称为内耗。 循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫 循环韧性。 循环韧性又称为消振性。 循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来 表示循环韧性的大小。 循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体等）； 乐器要求循环韧性小。,四、 黏弹性,除弹性变形、塑性变形外还有一种变形是黏性流动。 黏性流动：指非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。 一些非晶体，甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和黏性，即黏弹性现象。,应变落后于

11、应力。当加上周期应力时，应力应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。 黏弹性变形是既与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和黏性变形量方面特征。 黏弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。,黏弹性变形的特点,第二节 晶体的塑性变形,当施加的应力超过弹性极限时，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。通过塑性变形，不但可使材料获得预期的外形尺寸，而且可使材料内部组织和性能产生变化。,29,屈服、屈服强度 Yield strength,30,屈服点确定,屈服点对应于开始产生永久变形； 有些应力-应变曲线容易确定屈服区域（如A）； 有些应力-应变曲线不容易确定

12、屈服区域（如B）， 则采用0.002 偏移法来确定。,一、单晶体的塑性变形,单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。滑移和孪生都是切应变，而且只有当外加切应力分量大于晶体的临界分切应力tc时才能开始。 其中，滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变。 在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，还有孪生和扭折等方式。 扩散性变形及晶界滑动和移动等方式主要存在于高温形变中。,(1) 滑移,a滑移线与滑移带,1. 单晶体的滑移,滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。,由大量位错移

13、动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。,滑移的显微观察,对滑移线的观察表明：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。,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,滑移带：光学显微镜观察到的塑变后单晶试样表面形成的滑移条纹。 滑移线：组成滑移带的平行线条。,35,滑移带slip bands的形成 弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡

14、位置，试样开始伸长。 晶面滑移当外力大于屈服极限后，沿单晶的某一特定晶面原子产生相对滑移。随应力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形量加大。,滑移带的数目、宽度、带间距离以及每条带中的滑移线的数目随金属和合金的不同、变形温度、变形速度及晶体表面状况的不同而不同。 滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面上出现一个个台阶，即滑移带。,滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。,单晶体滑移特点,不改变晶体的取向； 不改变晶体的

15、点阵类型； 在晶体表面产生台阶。,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” 滑移面：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，此组晶面称为滑移面； 滑移方向：滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶向称为滑移方向。 一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系 晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。,b滑移系,38,Slip plane,Slip line,滑移的晶体学 滑移面 （密排面） 滑移方向（密排方向）,滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数滑移面个数每个面上所具有的滑移方向的个数,一般滑移系越多，塑性越好； 滑移

16、系数目与材料塑性的关系： 与滑移面密排程度和滑移方向个数和同时开动滑移系数目有关,39,滑移发生在晶体的密排面上，并沿密排方向进行。,密排面的d最大，点阵阻力最小，最容易滑移,密排晶向原子间距最小，单位滑移量小； 相互作用力最大，滑移原子间距保持不变。,滑移系 slip systems,滑移系 = 滑移面 * 滑移方向,40,三种典型金属晶格中的主要滑移系：,41,面心立方： 滑移面111 4个，滑移方向 3个，滑移系43=12个,42,体心立方：,变形温度为0.50.25Tm，滑移面为110（最可能的）；,变形温度为0.25Tm，滑移面为112；,变形温度为0.8Tm，滑移面为123。,滑移方向为。,110有6个，每个面上有2个方向，62=12 112有12个，每个面上有1个方向，121=12 123有24个，每个面上有1个方向，241=24,可能潜在的滑移系共有：12+12+24=48，其中只有前12个滑移系较普遍。,43,密排六方：,c/a1.633：滑移面00011个，滑移方