1、第三章第三章 金属的结晶、变形与再结晶金属的结晶、变形与再结晶金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，也就是说由液态转变为固态的结晶过程。通造，也就是说由液态转变为固态的结晶过程。通过熔炼，可得到某一成分的液态金属，浇铸在模过熔炼，可得到某一成分的液态金属，浇铸在模型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形加工以制成各种型材、棒材、板材和过冷热变形加工以制成各种型材、棒材、板材和线材。线材。金属及合金的结晶组织对性能以及随后的加工有金属及合金的结晶组织对性能以及随后的加工有很大影响，所以了解结晶
2、理论和结晶过程，对于很大影响，所以了解结晶理论和结晶过程，对于控制铸态组织，提高金属制品的性能具有重要的控制铸态组织，提高金属制品的性能具有重要的指导作用。指导作用。3-3 3-3 塑性应变对组织与性能的影响塑性应变对组织与性能的影响3-1 3-1 纯金属的结晶纯金属的结晶3-4 3-4 回复与再结晶回复与再结晶3-5 3-5 金属材料的热加工金属材料的热加工3-2 3-2 金属材料的塑性变形特征金属材料的塑性变形特征第三章第三章 金属的结晶、变形与再结晶金属的结晶、变形与再结晶学习要求和难点学习要求和难点学习重点：学习重点：1.1.过冷度的概念；过冷度的概念；2.2.金属的滑移；金属的滑移；
3、3.3.塑性变形对金属组织与性能的影响；塑性变形对金属组织与性能的影响；4.4.回复与再结晶的概念。回复与再结晶的概念。学习难点：学习难点：1.1.金属滑移的机理；金属滑移的机理；2.2.加工硬化的位错理论。加工硬化的位错理论。一、几个概念一、几个概念1、结结晶晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形成无规则结构。成无
4、规则结构。冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷却速度大于却速度大于10 C/S时，可阻止金属及合金的结晶，时，可阻止金属及合金的结晶，获得非晶态金属材料。获得非晶态金属材料。72 2、过冷度：、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的理论结晶温度与实际结晶温度的差。差。3 3、自由能、自由能：物质能自动向外界释放出多余的：物质能自动向外界释放出多余的或能够对外作功的能量叫自由能。或能够对外作功的能量叫自由能。据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，总是向能量最低状态转变。总是向能量最低状态转变。纯金属都有一
5、个固定的熔点或称平衡结晶温度或理论结纯金属都有一个固定的熔点或称平衡结晶温度或理论结晶温度，即将金属加热熔化成液体，在无限缓慢冷却条件下晶温度，即将金属加热熔化成液体，在无限缓慢冷却条件下平衡结晶，所得到的结晶温度，（常用平衡结晶，所得到的结晶温度，（常用T0表示）。也就是说，表示）。也就是说，纯金属的结晶过程总是在一个恒定温度下进行。纯金属的结晶过程总是在一个恒定温度下进行。l过冷、过冷度（结晶的条件）过冷、过冷度（结晶的条件）这是由于液态原子无序状态转变为晶态时原子有序状态时这是由于液态原子无序状态转变为晶态时原子有序状态时放出来的放出来的结晶潜热，结晶潜热，抵消了向外界散发的热量，而保持
6、抵消了向外界散发的热量，而保持结晶过程温度不变。在非常缓馒冷却的条件下，平台温度结晶过程温度不变。在非常缓馒冷却的条件下，平台温度与理论结晶温度相差很小。与理论结晶温度相差很小。液体金属在结晶时的温度液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线时间曲线称为冷却曲线。在实际结晶中，冷却都有一定的冷却速度，此时，液态金属将在理论结在实际结晶中，冷却都有一定的冷却速度，此时，液态金属将在理论结晶温度晶温度T0以下某一温度以下某一温度Tn才开始结晶，如下图所示。金属的实际结晶温才开始结晶，如下图所示。金属的实际结晶温度度Tn低于理论结晶温度低于理论结晶温度T0的这一现象称为过冷现象。的这一现象称为过冷
7、现象。从能量的角度来看从能量的角度来看，纯金属结晶之所以存在平衡，纯金属结晶之所以存在平衡结晶温度，是由于其液体与晶体二者之间的能量在该温结晶温度，是由于其液体与晶体二者之间的能量在该温度能达到平衡度能达到平衡自由能自由能：物质能自动向外界释放出多余的或能：物质能自动向外界释放出多余的或能够对外作功的能量叫自由能。够对外作功的能量叫自由能。据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，总是向能量最低状态转变。总是向能量最低状态转变。任何物体在不同状态下对应有一定的自由能任何物体在不同状态下对应有一定的自由能.自然界自发过程进行的热力学条件都是自由能自然界自发过
8、程进行的热力学条件都是自由能0。在交点所对应的温度在交点所对应的温度T0时，液态和固态的自由时，液态和固态的自由能相等，液态和固态可能相等，液态和固态可长期共存，处于动平衡长期共存，处于动平衡状态。高于状态。高于T0温度时，温度时，液态比固态的自由能低，液态比固态的自由能低，金属处于液态才是稳定金属处于液态才是稳定的；低于的；低于T0温度时，金温度时，金属稳定的状态为固态。属稳定的状态为固态。T0即为理论结晶温度或即为理论结晶温度或熔点。熔点。【可见】，【可见】，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于；过冷度等于0，Gv也等于也等于0，没有驱动力结晶，没有
9、驱动力结晶不能进行。不能进行。过冷度用来克服界面能。过冷度用来克服界面能。结论：结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度冷却速度越大，则开始结冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就晶温度越低，过冷度也就越大。越大。结晶时要从液体中生出结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体晶体，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消相隔开的晶体界面而消耗能量耗能量A。所以，只有当液体的过所以，只有当液体的过冷度达到一定的大小，冷度达到一定的大小，使结晶的动力使结晶的动力A大于建立大于建立界面所需要的表面能界面所需要的表面能A时，时，结晶过程才能开始进行。结晶过程才能
10、开始进行。二、结晶过程二、结晶过程 液态金属结晶是在结晶温度平台由液态金属结晶是在结晶温度平台由形核形核和和晶核晶核长大长大两两个密切联系的基本过程来实现的。个密切联系的基本过程来实现的。（3）结晶的过程）结晶的过程-晶核形成、晶核长大。晶核形成、晶核长大。液态金属结构的液态金属结构的x射线和中子衍射等研究结果表射线和中子衍射等研究结果表明，液态金属中总是存在着许多类似于晶体中原明，液态金属中总是存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小集团，称为近程有序排列。在子有规则排列的小集团，称为近程有序排列。在理论结晶温度以上，这些小集团尺寸较小，极不理论结晶温度以上，这些小集团尺寸较小，极不稳定，时
11、聚时散，此起被伏。当低于理论结晶温稳定，时聚时散，此起被伏。当低于理论结晶温度时，这些小集团中的某些就可能成为稳定的结度时，这些小集团中的某些就可能成为稳定的结晶核心，称作晶核。晶核心，称作晶核。随着冷却不断进行。已形成的晶核不断长大，随着冷却不断进行。已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断产生新的晶核并随冷却同时液态金属中又会不断产生新的晶核并随冷却不断长大，直至液态金属全部消失，晶体彼此相不断长大，直至液态金属全部消失，晶体彼此相互接触为止。互接触为止。二、结晶过程二、结晶过程晶核的形成与长大。晶核的形成与长大。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。晶核的形成有自发形核和非自发形核两
12、种。结晶的动力是液体与晶体之间的自由能差，阻力是结晶潜热。结晶的动力是液体与晶体之间的自由能差，阻力是结晶潜热。晶核的形成晶核的形成 1 1）自发形核自发形核 从液态内部由金属本身原子自从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。结晶核心叫做自发晶核。2 2）非自发形核非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。发晶核。平面长大平面长大树枝状长大树枝状长大激光烧结铜合金的枝晶组织激光烧结铜合金的枝晶组织激光烧
13、结不锈钢的激光烧结不锈钢的枝晶组织多样性枝晶组织多样性金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶金属结晶后形成由许多晶粒构成的多晶体，而晶粒大小是衡量金属结晶后形成由许多晶粒构成的多晶体，而晶粒大小是衡量金属组织的重要标志之一。金属组织的重要标志之一。表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度。晶粒度可用。晶粒度可用单位体积内单位体积内或或单位单位面积上面积上晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶粒度。标准晶粒度级别共分粒度。标准晶粒度级别共分八八级，一级最粗，八级最细。通过级
14、，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。三、金属结晶后晶粒的大小三、金属结晶后晶粒的大小常温下，金属晶粒越细常温下，金属晶粒越细小，晶界面积越大，它小，晶界面积越大，它的强度、硬度越高；对的强度、硬度越高；对外应力的分散使塑性和外应力的分散使塑性和韧性提高，即韧性提高，即细晶强化细晶强化。晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形核率晶核的形核率和和长大速度长大速度。（。（P13P13）l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N N)。l单位时间内晶核生长的长度叫单位时间内晶核
15、生长的长度叫长大速度长大速度(GG)。l N/GN/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小。l因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，l都能细化晶粒都能细化晶粒 提高过冷度提高过冷度 过冷度过冷度 TT，NN（形核速率），（形核速率），GG（长大速率），（长大速率），N/GN/G增大，增大，晶粒越细小。晶粒越细小。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响四、生产中细化晶粒的方法四、生产中细化晶粒的方法缓冷缓冷快冷快冷2.超高速超高速(106Ks1011Ks)急冷技术的发展，可获得超细急冷技术的发展，可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。化晶粒
16、的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻性、良好的抗蚀性等。将液态金属连续流入旋转高的电阻性、良好的抗蚀性等。将液态金属连续流入旋转的冷却轧辊之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金属材的冷却轧辊之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金属材料薄带。料薄带。主要实施方法：主要实施方法：1.提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要例如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小细小 变
17、质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。核的核心，以细化晶粒和改善组织。变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图振动，搅拌等振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。晶破碎，使晶核数目显著增加。晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系 s=i+Kd-1/2在金属晶体中，铁的
18、同素在金属晶体中，铁的同素异晶转变最为典型，也是异晶转变最为典型，也是最重要的。纯铁的冷却曲最重要的。纯铁的冷却曲线如右图所示。线如右图所示。-Fe-Fe、-Fe-Fe、-Fe-Fe是铁是铁在不同温度下的同素异构在不同温度下的同素异构体。体。-Fe-Fe和和-Fe-Fe都是体都是体心立方晶格，分别存在于心立方晶格，分别存在于熔点至熔点至13941394之间及之间及912912以下。以下。-Fe-Fe是面心是面心立方晶格，存在于立方晶格，存在于13949121394912之间。之间。纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变金金 属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不属与合金的铸态组织中往
19、往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型材和工件再予使用。材和工件再予使用。3-2 3-2 金属材料的塑性变形特性金属材料的塑性变形特性金属经压力加工，不仅改变了金属经压力加工，不仅改变了外形外形，而且也使材料，而且也使材料内部的组内部的组织和性能织和性能发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后加热转变具有重要的意义，压力加工的加热转变具有重要的意义，压
20、力加工的实质实质就是就是塑性变形塑性变形。通过压力加工时的塑性变形，金属的组织会发生很大变化，通过压力加工时的塑性变形，金属的组织会发生很大变化，可使材料的某些性能如强度明显提高，但同时对金属的组织可使材料的某些性能如强度明显提高，但同时对金属的组织和性能带来不利影响，因此，在压力加工以后或加工过程中，和性能带来不利影响，因此，在压力加工以后或加工过程中，必要的话，还要对金属重新加热，使其发生回复和再结晶，必要的话，还要对金属重新加热，使其发生回复和再结晶，以消除不利影响。以消除不利影响。5 5万吨水压机万吨水压机静载单向静拉伸静载单向静拉伸应力应力应变曲应变曲线线(低碳钢低碳钢 )3-2 3
21、-2 金属材料的塑性变形特性金属材料的塑性变形特性一、金属材料一、金属材料 的变形特性的变形特性金属材料在外力作用下，变形过程可分为金属材料在外力作用下，变形过程可分为弹性变形弹性变形、塑塑性变形性变形和和断裂断裂三个阶段。三个阶段。l在弹性变形阶段用弹性模量在弹性变形阶段用弹性模量E来表示材料在外力作用下来表示材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力；抵抗弹性变形的能力；l在塑性变形阶段，用在塑性变形阶段，用和和表示材料塑性变形能力的好表示材料塑性变形能力的好坏；用坏；用屈服强度屈服强度表示材料表示材料抵抗微量塑性变形抵抗微量塑性变形的能力；强的能力；强度极限反映材料产生最大均匀塑性变形的抗力；度
22、极限反映材料产生最大均匀塑性变形的抗力；l断裂通常按材料断裂时有无宏观塑性变形分为脆性断断裂通常按材料断裂时有无宏观塑性变形分为脆性断裂和韧性断裂，韧性断裂在断裂前有明显的塑性变形，裂和韧性断裂，韧性断裂在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，灰暗无光。断口呈纤维状，灰暗无光。应力在晶面上的分解应力在晶面上的分解二、单晶体金属的塑性变形二、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片 正应力正应力只能引起弹只能引起弹性变形及解理断裂。性变形及解理断裂。只有在只有在切应力切应力的作的作用下金属晶体才能产生用下金属晶体
23、才能产生塑性变形。塑性变形。正应力正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，将仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，将晶体拉断；晶体拉断；切应力切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。两侧的晶体发生相对滑动。塑性变形有两种形式：塑性变形有两种形式：滑移滑移和和孪生孪生。在多数情况下，金属在多数情况下，金属的塑性变形是以的塑性变形是以滑移滑移方式方式进行的。进行的。l滑移常沿晶体中原子密度最滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生大的晶面和晶向发生。因为原因为原子密度最大的晶面和晶向之间子密度
24、最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小产生滑移所需切应力最小。l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通通常是晶体中的密排面和密排方向。常是晶体中的密排面和密排方向。l一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系滑移系。三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因
25、而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格晶格好于密排六方晶格。金属塑性：金属塑性：CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线滑移线，若干条，若干条滑移线组成一个滑移线组成一个滑移带滑移带。滑移带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随
26、着晶体的转动。原因是晶体发生滑移后，原因是晶体发生滑移后，作用于试样两端的拉力作用于试样两端的拉力不再处于同一轴线上，不再处于同一轴线上，因此产生一个力矩迫使因此产生一个力矩迫使滑移面转动。转动的结滑移面转动。转动的结果，使滑移面趋向与拉果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。滑移产生转伸轴平行。滑移产生转移，晶体产生大量塑性移，晶体产生大量塑性变形。变形。晶体的刚性滑移模型晶体的刚性滑移模型AA位错参与的塑性变形过程位错参与的塑性变形过程 AA滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行产生滑移的位错移动模型产生滑移的位错移动模型晶体通
27、过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易位错的易动性动性。思考：思考：滑移的结果使晶体中的位错扫过滑移面而移滑移的结果使晶体中的位错扫过滑移面而移到晶体表面。到晶体表面。随着塑性变形的进行，晶体中的位错数随着塑性变形的进行，晶体中的位错数量将不断减少？量将不断减少？形变强化的本质与位错增殖过程形变强化的本质与位错增殖过程Frank-ReadFrank-Read位错源位错源t t
28、S S答案是相反的！答案是相反的！Si Si晶体中观察到的弗兰克晶体中观察到的弗兰克-瑞德增殖位错瑞德增殖位错 孪生孪生孪生孪生是指晶体的一部分沿一定是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。所发生的切变。发生切变的发生切变的部分称部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶，沿其，沿其发生孪生的晶面称发生孪生的晶面称孪生面孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。晶体呈镜面对称。在切应力作用下，若局部在切应力作用下，若局部若干层（若干层（111）晶面原子）晶面原子沿沿11 方向产方向产生一切动距离生一切动距离 11 的均匀切变。图面相
29、当于（的均匀切变。图面相当于（1 0）面，）面，（111）面垂直于纸面。）面垂直于纸面。2213aa.a.滑移滑移和和孪生孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。晶向进行，产生塑性变形。b.b.孪生孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速。在滑移较难进行时发生孪生。极快，接近于声速。在滑移较难进行时发生孪生。c.c.滑移滑移位错运动位错运动原子移动的相对位移是原子间距原子移动的相对位移是原子间距的整数值的整数值不引起晶格位向的变化；不引起晶格位向的变化；孪生孪生晶格切变晶格切变原
30、子移动的相对位移是原子间距原子移动的相对位移是原子间距的分数值的分数值孪晶晶格位向改变孪晶晶格位向改变促进滑移。促进滑移。d.d.孪生孪生产生的塑性变形量小（产生的塑性变形量小（滑移变形量的滑移变形量的1010），），但引起的晶格畸变大。但引起的晶格畸变大。滑移和孪生滑移和孪生:l密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。l体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。l面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由
31、于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称称退火孪晶退火孪晶。（ABCABCABCABCABCABABCABCABCABCABCABC CBACBABACBA）奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶 多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究晶粒位向晶粒位向和和晶界晶界在多晶体塑性变形中的作用即可
32、。在多晶体塑性变形中的作用即可。三、多晶体金属的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形 晶界及晶粒位向差的影响晶界及晶粒位向差的影响 1 1、晶界的影响、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，由于晶界当位错运动到晶界附近时，由于晶界 处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量高，对能量高，对位错的滑移起阻碍作用位错的滑移起阻碍作用。受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称位位错的塞积错的塞积。要使变形继续进行，则必须。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。提高。Cu-4.5AlCu-4.5Al
33、合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积双晶粒拉伸试验示意图双晶粒拉伸试验示意图变形前变形前变形后变形后2 2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的时，为了保持金属的连续性连续性，周围的晶粒若不发生塑，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之性变形，则必以弹性变形来与之协调协调。这种弹性变形这种弹性变形便成为塑性变形晶粒便成为塑性变形晶粒的变形阻力的变形阻力。由于晶粒间的这种相由于晶粒间的这种相互约束，使得互约束，使得多晶体多晶体金属的塑性变形抗力金属的塑性变形抗力提高提高。多晶体中每
34、个晶粒位向不多晶体中每个晶粒位向不一致，一些晶粒的滑移面一致，一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切和滑移方向接近于最大切应力方向应力方向(称晶粒处于软位称晶粒处于软位向向)，另一些晶粒的滑移面，另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力和滑移方向与最大切应力方向相差较大方向相差较大(称晶粒处于称晶粒处于硬位向硬位向)。在发生滑移时，。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。其他晶粒发生滑移。移移由一批晶粒传递到由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，量晶粒发生滑移后，金属便显示出明
35、显的金属便显示出明显的塑性变形。塑性变形。外力增大时，位错在晶界附近继续堆积，造成应力集中，外力增大时，位错在晶界附近继续堆积，造成应力集中，当位错密度增大到形成足够大的应力场时，相邻的较硬位向晶当位错密度增大到形成足够大的应力场时，相邻的较硬位向晶粒滑移面上的位错被激发，于是塑性变形由软位向晶粒发展到粒滑移面上的位错被激发，于是塑性变形由软位向晶粒发展到了较硬位向晶粒。了较硬位向晶粒。这种过程不断继续下去，塑性变形就进一步发展到更硬位这种过程不断继续下去，塑性变形就进一步发展到更硬位向晶粒。与此同时，已经变形的晶粒发生转动，由原软位向转向晶粒。与此同时，已经变形的晶粒发生转动，由原软位向转至
36、较硬位向，而不能继续滑移。至较硬位向，而不能继续滑移。所以随着外力的持续作用，多晶体金属的塑性变形是晶粒所以随着外力的持续作用，多晶体金属的塑性变形是晶粒分批的逐步的发生的，由少数晶粒开始，逐步扩大到多数晶粒，分批的逐步的发生的，由少数晶粒开始，逐步扩大到多数晶粒，最后到全部晶粒；由不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。最后到全部晶粒；由不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。（二）（二）晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。l因金属因金属晶粒越细，晶晶粒越细，晶界总面积越大，位错界总面积越大，位错障碍越多；需要协调障
37、碍越多；需要协调的具有不同位向的晶的具有不同位向的晶粒越多粒越多，使金属塑性，使金属塑性变形的抗力越高。变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。l因因晶粒越细晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，单位体积内晶粒数目越多，参与变参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，形的晶粒数目也越多，变形越均匀，也不会造成应也不会造成应力集中，因而不会导致开裂，力集中，因而不会导致开裂，在断裂前在断裂前可发生较大的塑性变可发生较大的塑性变形。强度和塑性同时形。强度和塑性同时增加，增加，金属在断裂前金属在断裂前消耗的功也大
38、，消耗的功也大，因而因而其韧性也比较好。其韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料.Hall-Pitch.Hall-Pitch关系：关系：s s=0 0+K+Ky yd d-1/2-1/2 .细晶强化细晶强化：晶粒小晶粒小晶界面积大晶界面积大变形抗力大变形抗力大强度大强度大 晶粒小晶粒小单位体积晶粒多单位体积晶粒多变形分散变形分散相邻相邻晶粒不同滑移系相互协调晶粒不同滑移系相互协调塑性好塑性好 晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂纹的传播不利于裂纹的传播断裂断裂前承受较大的塑性变形前承受较大的塑性变形-韧性好韧性好细晶强化是金属的一种非常重要的细晶强化是金属的一种非常重要的强
39、韧化手段！强韧化手段！四、合金的塑性变形四、合金的塑性变形l根据组织，合金可分为根据组织，合金可分为单相固溶体单相固溶体和和多相混合物多相混合物两两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。不同。奥氏体奥氏体珠光体珠光体（一）单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化（一）单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称的强度、硬度提高，塑性、韧性
40、下降，称固溶强化。固溶强化。产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变溶质原子不仅使晶格发生畸变，对位错起阻碍，对位错起阻碍作用，作用，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。抗力提高。Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系珠光体珠光体当在晶内呈颗粒状弥散分布时当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均，第二相颗粒越细，分布越均匀，合
41、金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称方法称弥散强化弥散强化或或沉淀强化沉淀强化。第二相强化的原因第二相强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。错的运动，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片电镜观察电镜观察软颗粒软颗粒将被位错切开，对位错有一定的将被位错切开，对位错有一定的阻滞阻滞作用。作用。4-2 4-2 1.1.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响 1)1)晶粒变形：晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变
42、，内部晶粒的形状金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长(拉伸拉伸)或压扁或压扁(压缩压缩)。2)2)晶界模糊：晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于位错移出当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界的耐腐蚀性。界的耐腐蚀性。3)3)纤维组织：纤维组织：变形较大时，金属中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成变形较大时，金属中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同
43、方向上表现出了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能不同的力学性能(各向异性各向异性)，一般沿纤维方向的强度和塑性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向。远大于垂直方向。4)4)形成亚结构：形成亚结构：在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。匀分布，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。金属变形后的亚结构金属变形后的亚结构(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图5)5)产生变形织构产生变形织
44、构 由于变形织构的由于变形织构的存在，在深冲零件时，存在，在深冲零件时，易产生易产生“制耳制耳”现象，现象，使零件边缘不齐，厚使零件边缘不齐，厚薄不匀。薄不匀。2.2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响产生加工硬化现象产生加工硬化现象 随着塑性变形量的增加，随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。种现象称为加工硬化，也称形变强化。冷塑性变形量，%屈服强度，屈服强度，MPa40钢钢(0.4%C)黄铜黄铜铜铜冷塑性变形量，%伸长率，伸长率，%40钢钢(0.4%C)黄铜黄铜铜铜塑性变形塑性变
45、形位错移动位错移动位错大量增殖位错大量增殖相互作用相互作用运动阻力加大运动阻力加大变形抗力变形抗力强度强度、硬度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性位错强化：位错密度位错强化：位错密度强度、硬度强度、硬度位错密度与强度关系位错密度与强度关系 一一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金（如铝铜或不锈钢等单相合金）尤其重要，加工硬化金（如铝铜或不锈钢等单相合金）尤其重要，加工硬化是提高强度的有效方法；是提高强度的有效方法；均匀塑性变形与压力加工的保证；均匀塑性变形与压力加工的保证；零件安全的保证。具有防止短时超载断裂能力，一旦零件安全的保证。具有防止短
46、时超载断裂能力，一旦意外过载，产生了塑性变形，产生加工硬化，零件变形意外过载，产生了塑性变形，产生加工硬化，零件变形自动终止，保证构件安全性；自动终止，保证构件安全性；塑性，塑性，切削性能切削性能 不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难 中间退火中间退火消除消除 如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其变形则会断裂，因而应进行退火处理。变形则会断裂，因而应进行退火处理。加工硬化的意义：加工硬化的意义：使
47、金属的性能产生各向异性使金属的性能产生各向异性的主要原因。的主要原因。影响金属的物理、化学性能影响金属的物理、化学性能 金属经塑性变形后，金属经塑性变形后，共晶格发生畸变、空位和位错密度增加，使电阻增大，共晶格发生畸变、空位和位错密度增加，使电阻增大，电阻温度系数下降；变形提高了金属的内能，使原子电阻温度系数下降；变形提高了金属的内能，使原子活动能力增大，容易扩散，耐蚀性降低。活动能力增大，容易扩散，耐蚀性降低。产生残余应力产生残余应力第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；
48、微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力第三类内应力超微观，晶格畸变（超微观，晶格畸变（90%90%），材料产生），材料产生强化强化加热温度加热温度 黄铜黄铜4-3 4-3 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化 一、回复一、回复在在回复阶段回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，以降低残工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，以降低残余应力，又保留加工硬化效果
49、。这种热处理方法称余应力，又保留加工硬化效果。这种热处理方法称去应力退去应力退火火。二、再结晶二、再结晶 当变形金属被加热到较高温度当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为新的由破碎拉长的晶粒变为新的均匀、细小、完整的等轴晶均匀、细小、完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称时重新彻底改组的过程称再再结晶结晶。发生再结晶的最低温。发生再结晶的最低温度称度称再结晶温度再结晶温度。纯金属：纯金属：T TR R=0.4-0.35T=0.4-0.35Tmm
50、(K)(K)合金：合金：T TR R=0.5-0.7T=0.5-0.7Tmm(K)(K)铁素体变形铁素体变形80%80%650650加热加热670670加热加热变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把工业生产中，把消除加工硬化的热处消除加工硬化的热处理称为理称为再结晶退火再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高。再结晶退火温度常比再结晶温度高100 100 200200。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶也是一个晶核形成和长大的
