材料科學基礎-第五章 材料的形變和再結晶課件

第五章材料的形變和再結晶1材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶內容預報為什么要認識和掌握材料的形變和再結晶規(guī)律？材料在加工制備及應用過程中都要受到外力的作用材料受力要發(fā)生變形：彈性變形、塑性變形、斷裂材料發(fā)生變形后材料的組織結構（性能）發(fā)生變化本章主要研究內容：一、材料的變形規(guī)律及其微觀機制；二、研究變形后的材料在回復、再結晶過程中組織、結構和性能的變化規(guī)律。2材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶本章章節(jié)結構5.1彈性和粘彈性5.2晶體的塑性變形5.3回復和再結晶5.4

熱變形與動態(tài)回復、再結晶5.5陶瓷材料變形的特點

5.6高聚物的塑性變形

3材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶材料試驗機示意圖－拉伸位移載荷5.0材料力學性能測試1.拉伸實驗裝置4材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶彈性極限抗拉強度屈服強度，會產(chǎn)生0.2%永久變形2.應力-應變曲線5材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.1彈性和粘彈性彈性－外力去除后形變能夠完全恢復的性質線性（符合胡克定律）和非線性6材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.1.1彈性變形的特征和彈性模量一、特征：

（1）理想的彈性變形是可逆的。（2）實際材料，在彈性變形范圍內，服從胡克定律：7材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶二、彈性模量（廣義的胡克定律）：晶體的各向異性，各個方向的彈性模量不相同8材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶廣義的胡克定律：剛度矩陣9材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶柔度矩陣10材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶對于均質各向異性彈性體，最一般的情況，彈性系數(shù)有36個，其中21個是獨立的：

Cij=Cji，Sij=Sji而晶體也存在對稱性，所以在某幾個方向上原子排列是相同的，所以系數(shù)將會進一步減少。

立方晶系，有3個獨立彈性系數(shù)；六方晶系，有5個獨立彈性系數(shù)；正交晶系，有9個獨立彈性系數(shù)；11材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶三、體彈性模量K（壓縮模量）1、定義：應力與體積變化率之比。2、對模量的討論：（1）彈性模量代表了原子離開平衡位置的難易程度，也表征了原子間的相互作用。（2）對于晶體來說，也反應了不同方向原子（離子）排列的緊密程度。（見表5.2）（3）材料特別是復合材料由于組織結構的各同異性也會導致不同方向模量的不同12材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶原子、離子間的相互作用力：平衡位置r0，系統(tǒng)的能量最低受外力偏離平衡位置，有變形，產(chǎn)生引力或斥力，能量升高當外力消失，原子將恢復到平衡位置，變形完全消失，能量下降5.1.2彈性變形的本質13材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.1.3彈性的不完整性理想的彈性體：理想的彈性體是不存在的，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應變滯后于應力變化等彈性不完整性。包括包申格效應、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等。

14材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶一、包申格效應

預先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4％）而后再同向加載則

e升高，但反向加載則

e下降。

15材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶二、彈性后效

在加載或卸載時，應變的弛豫過程現(xiàn)象。在彈性極限

e范圍內，應變滯后于外加應力，并和時間有關的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性

16材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶三、彈性滯后

應變落后于應力，

-曲線上加載線與卸載線不再是一條直線，而是形成一封閉回線表明加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料恢復所釋放的變形功，多余的部分被材料內部所消耗，稱之為內耗，其大小即用彈性滯后環(huán)面積度量。

功17材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.1.4粘彈性（高分子材料）1、粘彈性：一些非晶或多晶體，在比較小的應力時可以同時表現(xiàn)出粘性和彈性。2、所謂粘性流動是指非晶態(tài)固體和液體在外力作用下便會發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復。18材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶3、粘彈性是高分子材料的重要力學狀態(tài)主鏈的內旋轉，沿外力方向伸展；分子鏈之間發(fā)生相對滑移，產(chǎn)生粘性變形。4、粘彈性的特點：應變落后于應力。應力-應變回線，存在內耗Maxwell適用于應力松弛Voigt蠕變回復、彈性后效和彈性記憶19材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.2、晶體的塑性變形超過彈性極限后，開始屈服，出現(xiàn)塑性變形多晶材料中的變形行為也與各個小晶料的變形有關系20材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.2.1單晶體的塑性變形常溫及低溫下，塑性變形方式：滑移，孿生，扭折。高溫下的形變的方式：擴散，蠕變等1、滑移當應力達到一定的大小時，晶體中一定方向的層片之間就會產(chǎn)生的相對滑移，大量的層片間滑動的累積，就成為宏觀塑性變形。21材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶單晶鋅變形后產(chǎn)生的滑移帶22材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶（1）滑移線與滑移帶

23材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對位移而已

24材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶（2）滑移系塑性變形時位錯只沿著一定的晶面和晶向運動，這些晶面和晶向分別稱為“滑移面”和“滑移方向”。一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來叫做一個滑移系。不同的晶體結構，其滑移面和滑移方向也不同。同一晶體結構，也會有不同的滑移面和滑移方向。25材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶思考：滑移面及滑移方向上的原子排布密度上有什么特征？1、面與面之間的結合力2、密排面和密排方向26材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶面心立方晶體中的滑移{111}滑移面<110>滑移方向27材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶體心立方晶體中{110}滑移面{112}滑移面{123}滑移面<111>滑移方向28材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向。原子密度大－－面間距大－－點陣阻力最小，因而容易沿著這些面發(fā)生滑移；至于滑移方向為原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子間距最短，即位錯b最小。體心立方滑移面有三組，原因是沒有特別突出的密排面。六方密排，滑移方向一般為<1120>，而滑移面除{0001}之外還與其軸比(c/a)有關，當c/a<1.633時，密排面可能為{1011}或{1010}等晶面（3）關于滑移系的討論29材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶在其他條件相同時，晶體中的滑移系愈多，取向便愈多，滑移容易進行，它的塑性便愈好。面心立方晶體的滑移系共有{111}4<110>3=12體心立方晶體，滑移系共有{110}6<111>2+{112}12<111>1+{123}24<111>1=48密堆六方晶體的滑移系僅有(0001)1

<1120>

3=3由于滑移系數(shù)目太少，hcp多晶體的塑性不如fcc或bcc的好。30材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶思考題今有純Ti，Al二種鑄錠，試判斷它們在室溫（20℃）軋制的難易順序？已知：Ti熔點為1672℃，在883℃以下為密排六方，在883℃以上為面心立方；Al的熔點為660℃，面心立方。31材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶外加應力兩個角度32材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶位錯的滑移是實現(xiàn)塑性變形的一種方式33材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶體什么時候開始屈服(開始有塑性形變)？有滑移系開動!!這么多滑移系到底是哪個滑移？看哪個先達到其臨界分切應力此時的應該稱為屈服強度34材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶外力方向、法線、滑移方向不一定共面35材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶coscos：取向因子或施密特因子因子大：軟取向

因子小：硬取向當=90o時：滑移面平行于外力方向當=90o時：滑移面垂直于外力方向不滑移當外力方向、法線、滑移方向共面，且+

=90o,=45o時，取向因子最大0.536材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移的臨界分切應力的影響因素真實反映了單晶體的一個物理量大小晶體結構（類型及缺陷）溫度變形速度見表5.437材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶對密排六方的單晶體拉伸只有一個滑移面(0001)，如果垂直或者平行此面進行拉伸，會不會產(chǎn)生滑移？不會所以對于單晶材料來說，拉伸試樣的晶格取向決定了其屈服強度!38材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶1、材料什么時候屈服？

有一滑移系達到臨界分切應力2、取向因子與什么有關系？

各滑移系(滑移面及滑移方向)與F的位置關系思考39材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移時晶面的轉動40材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶拉伸時旋轉機制最大切應力

’滑移

’’旋轉旋轉效果：使滑移方向轉至最大切應力方向，從而更容易滑移41材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶受壓時的旋轉結果，使滑移面逐漸趨于與壓力軸線相垂直42材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移面轉動，滑移方向不斷改變滑移面上的分切應力也會發(fā)生變化。

越造近45°，越有利于滑移。反之，不利于滑移。43材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶多系滑移多個滑移系：在外力增加時，誰先達到臨界值，誰先滑移；滑移過程中各滑移系上的分切應力會不斷變化；一組不能滑移時，另一組滑移系有可能達到臨界值；所以有可能兩組或者更多組滑移面上同時進行滑移，或交替進行。44材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶交滑移現(xiàn)象：兩個或多個滑移面沿著共同的滑移方向同時或者交替滑移。強化機制：在多系滑移過程中，不同滑移系的位錯相互交割，而使位錯移動困難，從而起到強化的作用。45材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶FCC結構中確定滑移系統(tǒng)

－－鏡像法則找到加載方向所在的取向三角形根據(jù)位置確定先開始的滑移系46材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶Example:Given:BCCcrystalhaving{110}<111>slipsystemDetermineactiveslipsysteminresponsetotensileloadingalong.

Solve:①Drawastandardprojection.②Labeltheloadingdirectioninstandardprojection.

③DeterminetheactiveS.SbyReflectionRule.47材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶

④locateinsidetheorientationtriangle(),singleslip.locateattheedgeoftheorientationtriangle(),double(duplex)slip.locateatthecorneroftheorientationtriangle,multipleslip.Whentheaxisofloadisintheedgeorcorneroftheorientationtriangle,muli-slipoccurs.F1F2F348材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶三角形內部－－1個滑移系開動三角形邊界－－2個滑移系開動{110}頂點上－－4個滑移系開動{111}頂點上－－6個滑移系開動{001}頂點上－－8個滑移系開動49材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶例：例：對一個FCC單晶棒，沿[215]方向拉伸，請確定哪個滑移系先開動。首先：畫出晶體的(001)標準投影圖，然后找到所在的取向三角形[101]-[111]-[001]按照鏡像法則，F(xiàn)CC晶體的滑移面應該是(111)的鏡像(111)，滑移方向應該是[101]的鏡像[011]。所以，滑移系(111)[011]先開動。50材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶滑移的位錯機制滑移不是面與面之間做剛性運動，而是通過位錯的移動逐步進行的。一個位錯移動到表面，會產(chǎn)生一個b的滑移，大量的位錯移動到表面就會產(chǎn)生宏觀的塑性變形。位錯運動是有阻力的，所以滑移的容易與否，與位錯滑移的阻力有很大的關系。51材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶派-納(P-N)力位錯滑移要克服點陣周期性阻力與d和b之間的關系52材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶討論一下P-N力與d和b的關系

d大，b小，力小，容易滑移而d大的面，是密排面，d小是密排方向這也解釋了為什么滑移面是密排面，滑移方向是密排方向53材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶位錯的運動不是整齊劃一地前進，而是有前有后，存在扭折現(xiàn)象?？梢赃M一步降低滑移所需的應力。54材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶所有阻礙位錯運動的因素，都會導致強化位錯應力場之間的相互作用位錯交割后產(chǎn)生的扭折和割階位錯運動過程中，與晶界和第二相質點的相互作用55材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、孿生常作為滑移的救星a、孿生變形過程一系列(111)沿[111]按abcabc堆垛56材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶(110)上的原子排布(111)[112]57材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面為孿晶界發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面孿生面的移動方向稱為孿生方向均勻切變58材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶b、孿生的特點及與滑移的異同點相同點：都是在切應力作用下產(chǎn)生的剪切應變過程。都不改變晶體結構。都存在臨界分切應力。都是晶體中的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向的平移。59材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶b、孿生的特點及與滑移的異同點不同點：對塑性變形的貢獻小，但是可以改變位向，因此可以進一步誘發(fā)滑移。孿晶的兩部分晶體形成鏡面對稱的位向關系?；频臋C制是位錯的產(chǎn)生和移動，而孿生是孿生區(qū)內的原子沿滑移方向的均勻切變，不全位錯參與。孿生的臨界分切應力大。一般，晶體對稱度越低，越容易發(fā)生孿生。變形溫度越低，加載速度趙高，也越容易發(fā)生孿生。60材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶c、孿生的形成變形孿晶（機械孿晶）呈片狀生長孿晶退火孿晶橫貫整個晶粒，堆垛層錯61材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶變形孿晶形核和長大極快爆發(fā)（有時有響聲）出薄片孿晶

需較大的應力，發(fā)生在滑移受阻的應力集中區(qū)孿晶界擴展來增寬

所需的應力則較小，所以長大速度快62材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶六方：滑移系少，容易出現(xiàn)孿生變形體心立方：在低溫，形變速度快，滑移受阻時，也會出現(xiàn)孿生現(xiàn)象。面心：滑移系較多，形變孿晶很少，較多的是退火孿晶。孿生的變形量雖然少，但是他可以改變滑移系的方位，由不利轉為有利位置，從而進一步滑移。兩者相輔相成，有時交替進行。63材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶d、孿生的位錯機制由于孿生變形時，整個孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變，其各層晶面的相對位移是借助一個不全位錯（肖克萊不全位錯）運動而造成的。64材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶3、扭折為了使晶體的形狀與外力相適應，當外力超過某一臨界值時晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域則稱為扭折帶。扭折是一種協(xié)調性變形，它能引起應力松弛，使晶體不致斷裂。65材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶與孿晶不同扭折區(qū)晶體的取向不對稱性。會使滑移系的方位發(fā)生變化，從而進一步滑移。66材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶還會伴隨孿晶的出現(xiàn)67材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶多晶體的塑性變形1、晶粒取向的影響：多晶體由很多小單晶組成，晶粒取向各不相同，變形影響因素復雜。變形時要保持整體的連續(xù)性，所以要相互配合。各晶粒不一定在最有利于滑移的方向進行滑移。68材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶,×173倍(采自C.Brady,美國國家標準局)69材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶70材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶一個多晶體是否能夠塑性變形，決定于它是否具備有5個獨立的滑移系來滿足各晶粒變形時相互協(xié)調的要求面心、體心多晶體塑性好密排六方晶體塑性差71材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、晶界的影響晶粒取向各不相同，存在晶界結構特征兩側，晶粒取向不同，滑移方向和滑移面不一致滑移很難跨過晶界延續(xù)所以在室溫下，晶界對滑移具有阻礙作用晶界變形量小72材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶位錯的塞積（交通堵塞）晶界附近產(chǎn)生塞積群；對位錯源產(chǎn)生一反作用力。阻止新位錯的產(chǎn)生；要繼續(xù)塑性變形，必須加大應力，使另一取向晶粒中位錯源的開始動作；對多晶體來說，外加應力必須滿足大部分晶粒的滑移要求，才能產(chǎn)生宏觀的塑性變形。73材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶界的數(shù)量與晶粒大小有直接關系晶粒尺寸↓晶界數(shù)量↑霍爾－佩奇公式：多晶體的屈服強度

s與晶粒平均直徑d的關系室溫下74材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶粒細小的材料具有良好的的綜合力學性能具有較高的強度、硬度良好的塑性和韌性75材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶細化晶粒能夠提高塑性的原因是：多晶體內各晶粒變形是不均勻的，其不均勻程度會因晶粒大小的不同而有很大差異。晶粒越細小，這種不均勻程度越小，因為晶粒越小，塞積在晶界的位錯群所產(chǎn)生的應力場將很容易影響到相鄰晶粒的整個體積，也就容易啟動相鄰晶粒的位錯源而產(chǎn)生協(xié)調變形，是變形不均勻程度減小。所以不容易在晶粒中產(chǎn)生應力集中，繼而達到塑性提高的效果。76材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶高溫下（＞0.5Tm）擴散快；晶界的相對滑動。高溫蠕變等強溫度TE，晶界強度與晶粒本身強度比較77材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶航空發(fā)動機葉片(a)多晶，(b)柱狀晶，(c)單晶高溫下使用的合金應該具有高的熔點，高的彈性模量和大的晶粒。78材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶合金的塑性變形工程上一般不使用純金屬材料，而是使用合金。為什么？和金屬類似，但由于合金元素的存在，有新的特點可分為單相固溶體合金的塑性變形和多相合金的塑性變形

79材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶1、單相固溶體合金的塑性變形存在溶質原子固溶強化、明顯的屈服點與應變時效。a、固溶強化80材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶不同溶質原子所引起的固溶強化效果不同81材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶影響固溶強化的因素溶質含量越高，作用越強；效果在低濃度區(qū)域明顯與基體相差越大，強化作用越強。間隙型原子比置換型強化作用大；間隙原子在體心中的強化效果要強于面心中。但由于間隙固溶度小，所以作用也是有限。價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用越顯著。82材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶b、屈服現(xiàn)象與應變時效呂德斯帶形成擴展與滑移帶區(qū)別多晶粒協(xié)作的結果貫穿截面每個晶粒每個晶粒內部按各自的滑移系滑移83材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶屈服點上屈服點：試樣發(fā)生屈服而試驗力首次下降前的最大應力。下屈服點：屈服階段的最小應力。采用下屈服點的理由：上屈服點σsu波動性很大，對試驗條件的變化很敏感；而下屈服點σsl再現(xiàn)性較好。84材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶為什么會存在這種明顯的屈服現(xiàn)象?。。ottrel氣團在固溶體合金中，溶質原子或雜質原子可以與位錯交互作用而形成溶質原子氣團如刃位錯中，滑移面下有拉應力，間隙原子C，N等或尺寸大的原子會在此處偏聚以消除應力，

則位錯的能量降低，趨于穩(wěn)定，即位錯被釘扎屈服的物理本質上屈服點：掙脫Cottrel氣團，需要較大的應力下屈服點：掙脫以后位錯的運動就容易，應力下降85材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶從位錯的運動規(guī)律來解釋屈服現(xiàn)象應變速率可動位錯密度運動速度柏氏矢量受到的有效應力作單位速度運動所需應力應力敏感指數(shù)不變初始階段：

m小，需要v大，則大開始后：m大，需要v小，則小86材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶應變時效Cottrell氣團87材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、多相合金的塑性變形第二相數(shù)量、尺寸、形狀和分布根據(jù)尺寸大小分為聚合型相差不多彌散型細小88材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶a、聚合型若全是塑性相時，塑性取決于兩相的體積分數(shù)變形先發(fā)生在較軟的相中89材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶b、彌散分布型強化作用：彌散相對位錯的阻礙作用彌散相是否可變形？不可變形（外加的）阻擋，彎曲反作用粒子愈多，強化作用越明顯。減小粒子尺寸或提高體積分數(shù)都會提高合金強度90材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶夾雜物對位錯運動的阻礙91材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶可變形（沉淀相）位錯會切過粒子，強化作用取決于粒子本身的性質，以及與基體的聯(lián)系，強化機制復雜打亂規(guī)則有序的排列出現(xiàn)新界面，界面能升高滑移面上，粒子與基體間晶格不同，阻力比體積（模量不同）不同，產(chǎn)生的應力場與位錯相互作用92材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.2.4塑性變形對材料組織與性能的影響1、顯微組織的變化晶粒內部結構出現(xiàn)大量的滑移帶或孿晶帶晶粒外觀結構將逐漸沿其變形方向伸長當變形量很大時，晶粒已難以分辨而呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。方向即是材料流變伸展的方向。

93材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶94材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、亞結構的變化塑性變形是借助位錯在應力作用下運動和不斷增殖。變形度↑，晶體中的位錯密度↑胞狀亞結構95材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶3、性能的變化a、加工硬化96材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶加工硬化曲線，三階段易滑移階段線性硬化階段拋物線階段不同晶系單晶97材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶粒尺寸多晶與單晶同樣伸長率下，多晶體所需拉應力要高？多晶體曲線無第I階段98材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶加工硬化的決定性因素位錯密度：流變應力與位錯密度的平方根成線性關系釘扎作用b、其他性能的變化物理性能：電阻↑，熱導率↓化學性能：自由焓↑，化學活性↑99材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶4、形變織構晶面轉動使多晶體中原來取向互不相同的各個晶粒在空間取向上呈現(xiàn)一定程度的規(guī)律性，這一現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)則稱為形變織構。

絲織構板織構取向的程度與材質，變形量，溫度，工藝都有關系。用變形金屬的極射赤面投影圖來描述由于取向，造成了材料性能的各向異性。100材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶初始晶粒隨機取向晶粒定向擇排列c-軸<0001>與受力方向平行101材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5、殘余應力儲存能：外力做的功中一部分儲存在材料內部殘余應力：相互牽制，自相平衡狀態(tài)根據(jù)范圍大小，分三種宏觀殘余應力：各部分宏觀變形不均勻引起占總的儲存能很少，約0.1%微觀殘余應力：晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻引起。可能引起微裂紋點陣畸變：占儲存能的絕大部分（80-90%）102材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶由于儲存能的存在，使材料的自由焓高，是熱力學不穩(wěn)定的狀態(tài)所以在某些情況下（加熱等）會回復、再結晶。103材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.3、回復和再結晶5.3.1、冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化

三個階段104材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶三個階段回復：無畸變晶粒出現(xiàn)之前，亞結構和性能變化階段再結晶：從畸變最大的區(qū)域開始產(chǎn)生無畸變的晶粒核心，最終取代變形晶粒的過程。晶粒長大：是指再結晶結束之后晶粒的繼續(xù)長大105材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶冷變形38％黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片，放大倍數(shù)為75580℃×3秒106材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶580℃×4秒580℃×8秒黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片，放大倍數(shù)為75107材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶580℃×15分700℃×10分黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片，放大倍數(shù)為75108材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶(1)強度與硬度：與位錯密度有關。(2)電阻：與點缺陷有關。(3)內應力宏觀和微觀內應力(4)亞晶粒尺寸(5)密度與缺陷有關。(6)儲能的釋放109材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶回復點缺陷密度明顯減?。娮铚p小！大部分或者全部的宏觀應力消失。再結晶位錯密度明顯下降－－密度升高，強度和硬度下降，電阻率明顯減小。微觀應力消失。110材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶一根冷變形的金屬棒，如果將其一端加熱，一端放入冰水中，經(jīng)過一段時間以后，其強度分布曲線？111材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.3.2回復1、回復動力學112材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶回復是一個弛豫過程。沒有孕育期回復速率從大，逐漸變慢，直到為0每個T有一個極限值，T↑剩余↓，達到極限所需時間↓預變形大，回復速率快；晶粒尺寸小，有利于回復113材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶實驗表明：回復的不同時段的回復機制是不同的。短時間：空位長時間：自擴散114材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、回復機制溫度不同，機制也不相同：低溫

點缺陷遷移，使點缺陷密度下降。中溫

位錯滑移，相遇相消高溫刃位錯可以攀移：位錯墻和多邊化結構115材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶多邊化結構過程：點陣彎曲滑移面上有塞積的同號刃較高溫度，能攀移最終形成亞晶界中高溫下的回復，本質上就是位錯的滑移和攀移亞晶界116材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶回復的應用：黃銅彈殼，冷沖壓后，有殘余應力，會發(fā)生沿晶開裂。所以要在260℃退火回復，以消除應力117材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.3.3再結晶再結晶的驅動力是回復后未被釋放的儲存能（90％）在實際生產(chǎn)中，通過再結晶退火可消除冷加工的影響冷變形38％580℃×3秒580℃×4秒580℃×8秒黃銅再結晶的金相照片，放大倍數(shù)為75118材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶再結晶過程形核和長大不是生成新相產(chǎn)生無畸變再結晶晶核逐漸長大形成等軸晶粒取代全部變形組織119材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶a、形核高能區(qū)域，以多邊化形成的亞晶為基礎(1)晶界弓出形核(變形度較小的＜20%)A：變形小，位錯密度小，能量低B：變形大，位錯密度大，能量高需要降低系統(tǒng)能量A中的某些亞晶通過晶界弓出進入B吞食B中亞晶120材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶界弓出形核的能量分析121材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶122材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶隨著弓出的進行，r↓，有一最小值L，則

G↑，有一最大值。r繼續(xù)↑，

G↓，此時晶界將自發(fā)向前推移。弓出距離達到L所需的時間為再結晶的孕育期123材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶(2)、亞晶形核大的變形度下發(fā)生，以多邊化亞晶為基礎分為①亞晶轉動合并機制②亞晶遷移機制124材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶①亞晶轉動合并機制變形量大，高層錯能的金屬（易交滑移，位錯易纏繞，易形成胞狀組織）。位錯網(wǎng)絡向鄰近亞晶界轉移消失，亞晶轉動合并與相鄰亞晶位向差會逐漸轉為大角晶界，并且達到臨界尺寸后，機制結束。成為穩(wěn)定的再結晶核心。125材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶②亞晶遷移機制變形度大，低層錯能的金屬（不易交滑移，位錯不易纏繞，不易形成胞狀組織。變形度大，位錯密度高，亞晶界能量也高，易于遷移，清除并吸收掃過區(qū)的位錯等缺陷。與相鄰亞晶位向差逐漸轉為大角晶界，并且達到臨界尺寸后，成為穩(wěn)定的再結晶核心。126材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶兩種機制的異同相同點：都是以亞晶為基礎，最終是通過大角晶界的遷移形成再結晶核心。不同點：獲得大角晶界的途徑。127材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶變形度增大，再結晶后晶粒會變細變形程度↑會產(chǎn)生更多的亞晶作為核心形核，則核心數(shù)目↑，則再結晶后晶粒會變細。128材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶b、長大由于成核中心超過臨界尺寸后晶界總會背離曲率中心，向著畸變區(qū)推進；直到再結晶晶粒相碰，變形區(qū)消失。129材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶2、再結晶動力學再結晶過程的特征：

S型，中間快，兩頭慢，有孕育階段130材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶Johnson-Mehl公式假定形核在整個基體體積中隨機、均勻發(fā)生形核率為常數(shù)，不隨時間變化核心以球形生長，生長速度G是常數(shù)孕育期很小，可以忽略。131材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶Avrami方程認為形核率會隨時間的增加而衰減，對J-M公式進行了修正132材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶從圖中可以看出等溫溫度越高，再結晶速度越快再結晶是一熱激活過程。等溫溫度與再結晶速度可用阿累尼烏斯公式表示再結晶激活能133材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶再結晶速率和產(chǎn)生某一體積分數(shù)

R所需時間t成反比134材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶3、再結晶溫度及其影響因素什么是再結晶溫度？冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度稱為再結晶溫度，它可用金相法或硬度法測定，即以顯微鏡中出現(xiàn)第一顆新晶粒時的溫度或以硬度下降50％所對應的溫度，定為再結晶溫度。工業(yè)中通常以經(jīng)過大變形量（>70%）的冷變形金屬，經(jīng)1h退火能完成再結晶(>95%)所對應的溫度。135材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶再結晶溫度并不是一個物理常數(shù)隨材質而變化隨變形程度、晶粒大小等變化影響因素

從推動力上去理解a、變形程度變形↑，儲能↑，驅動力↑，T↓，G↑T不會總↓，而有一個穩(wěn)定值（0.35-0.4Tm）另外一種說法，每一T都有一個臨界變形量b、原始晶粒尺寸尺寸↓，變形抵抗力↑，儲能↑，T↓尺寸↓，晶界數(shù)量↑，形核區(qū)域↑，T↓136材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶c、微量溶質原子溶質原子越多，T↑原因：釘扎晶界和位錯不同溶質原子對T的影響程度不同，與原子與位錯的相互作用強弱和其擴散系數(shù)有關。d、第二相粒子具有兩重性。變形過程中，第二相阻礙位錯，引起位錯塞積，儲能增加，T↓。再結晶過程中，也會阻礙位錯的重排和遷移，從而阻礙再結晶，T↑如果粒子大小和間距都大，容易在第二相粒子表面上再結晶，則后一種影響是次要的，T↓。反之，T↑137材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶e、再結晶退火工藝參數(shù)加熱速度、加熱溫度與保溫時間等退火工藝參數(shù)加熱速度↓，有時間回復，儲能↓，T↑加熱速度過快，也會導致來不及再結晶，T↑退火時間↑，T↓，但不會無限減小。138材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶4、再結晶后的晶粒大小再結晶完成后，無畸變晶粒取代了變形晶粒由于晶粒大小對材料性能將產(chǎn)生重要影響，因此，調整再結晶退火參數(shù)，控制再結晶的晶粒尺寸。

根據(jù)J-M公式：139材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶影響因素（共4個）變形度

變形量↓，儲能↓，不會再結晶。變形量較小，局部區(qū)域的儲能滿足形核條件，而形成少量的核心長大，最后晶粒粗大。

臨界變形度：對應于再結晶后得到特別粗大晶粒的變形程度。當變形量大于臨界變形量之后，變形度愈大，晶粒愈細化。

從能量上和驅動力兩方面解釋140材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶右圖中：臨界變形度位置峰左邊晶粒長大的變化原因峰左邊晶粒大小的變化原因這是由于變形不均勻，存在體積彈性畸變能，引起某些原始晶粒晶界遷移、晶粒長大的結果，而不是再結晶形核所引起。141材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶退火溫度的影響

退火溫度對再結晶后晶粒尺寸的影響比較弱，但對晶粒長大階段的影響比較明顯。

142材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶5.3.4、晶粒長大再結晶完成，得到無畸變晶粒。繼續(xù)加熱或保溫，晶粒長大。引起性能變化。晶粒長大的驅動力來自總的界面能的降低。冷變形38％580℃×8秒580℃×15分700℃×10分143材料科學基礎_第五章材料的形變和再結晶晶粒長大有兩種型式：正常晶體長大：同時長異常晶體長大：少數(shù)長正常長大及影響因素個別晶粒：晶界的曲率→晶界