金属的塑性变形和再结晶.ppt

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1、第六章 金属及合金的塑性变形,金属在外力作用下的变形过程分为：弹性变形、弹塑性变形、断裂三个连续阶段研究金属的受力变形特性，一般采用拉伸实验测得的应力-应变曲线工程应用中,应力和应变分别按下式计算:,第一节金属的变形特性,-载荷;0-试样的原始截面积;-试样变形后的长度;0-试样的原始标距长度；,低碳钢的应力-应变曲线,低碳钢变形过程的分析e：弹性极限 e：试样处于弹性变形阶段s：屈服极限（屈服强度)0.2：条件屈服强度（金属的残余应变量达到0.2 时的应力）；s：进入均匀的塑性变形阶段b：强度极限（抗拉强度）b：发生不均匀的塑性变形k：断裂强度 k：试样断裂,强度指标：弹性极限e:材料能保持

2、弹性变形时的最大应力屈服强度(屈服极限)s:材料产生屈服时的应力抗拉强度(强度极限)b:材料在拉断前所能承受的最大应力断裂强度k:材料对塑性变形的极限抗力塑性指标：延伸率:断裂后试样标距长度的相对伸长值.断面收缩率:断裂后试样截面相对收缩值.,几个机械性能指标,弹性变形：定义：金属受力发生变形，当外力去除，立即恢复原状的变形，叫做弹性变形.特点：变形是可逆的；弹性应变很小；应力与应变成正比,符合虎克定律：正应力=;切应力=G 其中,:正弹性模量；:切弹性模量；:正应变；:切应变 可写为:=/和 G=/,第二节单晶体的塑性变形,塑性变形：物体的外形尺寸发生了永久变化的变形塑性变形的方式:滑移：(

3、塑性变形的最基本方式)晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动.孪生:晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀的切变,形成孪晶,这个过程称为孪生.,分析如图a，外力P在一定晶面上分解为两种应力：平行于该晶面的切应力 和垂直于该晶面的正应力 如图b，正应力只能引起晶格的弹性伸长（由cc,aa）,或进一步使晶体发生断裂(正断)如图c，切应力使晶格发生弹性扭曲，晶格迁移到新的位置，造成滑移.如图d，通过大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细，这样产生的变形叫滑移变形；,1、滑移带与滑移线,1.2 滑移的晶体学特征滑移面：能够发生滑移的晶面叫之.滑移方向：在滑移面上能够进行

4、滑移的方向叫之滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系.滑移系表示金属晶体在发生滑移时,滑移动作可能采取的空间位向.其他条件相同时,金属晶体中滑移系越多,滑移时可供采用的空间位向也越多,该金属的塑性也越好,几种常见金属的滑移面与滑移方向,特点：1、滑移面为原子排列最密的晶面，滑移方向为原子排列最密的晶向,原因:在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，最易于滑移；同样，对于原子排列最密的晶向,原子列间距离最大,结合力最弱,滑动时阻力最小,最易于滑移.2、滑移方向对塑性的作用大于滑移面.原因:

5、金属塑性不仅取决于滑移系的多少,还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目有关.故fcc金属(铝银)的塑性最好,bcc(铁)次之,hcp最差,1.3 滑移的临界分切应力 定义：使滑移系开始启动所需的最小分切应力 以圆柱形金属单晶体试样为例：设柱体横截面积为，受轴向拉力的作用,滑移面法线与的夹角为,滑移方向与的夹角为,则滑移面面积为/cos,在滑移方向的分力为cos.则外力在滑移方向分切应力为:,当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值，滑移开始进行，在宏观上金属开始屈服，有：F/A=s（屈服极限）这种在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力称为临界分切应力，用 k表示。只有当=k时,才

6、能开始滑移.,分切应力,coscos 的变化coscos 为取向因子,其变化范围：滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同一平面时,有=90,则coscos=(1/2)sin2 当45时,coscos 0.5,最大，最有利于滑移，称为软取向(取向因子较大的位向).当0或90时,即外力与滑移面垂直或平行时,coscos 0，0，无论施加多大外力也不能发生滑移,这种取向称硬取向(取向因子较小的位向)小于或大于45,都不利于滑移.,1.4 滑移时晶体的转动：以只有一个滑移面的密排六方金属为例进行分析:晶体在拉伸力F作用下产生滑移.设不受夹头限制,滑移面的滑移方向保持不变,则拉伸轴的取向必不断变化.(a.b

7、)但实际肯定有夹头固定限制,拉伸轴方向不能改变,则晶体取向就会不断发生变化(c).力求使滑移面转到与外力平行的方向。角增大为，,角减小,即拉伸轴与滑移方向的夹角不断减小,造成了晶体位向的改变,如图，1和2组成力偶使滑移面向外力轴转.1和2组成力偶使晶体滑移,当外力作用在滑移面上的最大切应力与滑移方向不一致时，还会产生以滑移面法线方向为轴的转动.此时,切应力1和2分解为滑移方向和垂直于滑移方向的分切应力.其中,垂直滑移方向的分切应力b及b,组成的力偶将使滑移方向转向最大切应力方向.,同理，在压缩时也发生转动，滑移面力求转到与压力轴垂直的方向,如图.,晶体的转动使和角发生变化,取向因子改变,导致

8、具有一个滑移系的晶体,产生几何软化：由于滑移和转动，使原来不利于滑移的晶面转到有利于滑移的方向上,（滑移面的法向与外力轴的夹角接近45），从而有利于滑移进行,这种现象称之.几何硬化：由于滑移和转动，使原来有利于滑移的晶面转到不利于滑移的方向上，（滑移面的法向与外力轴的夹角远离45），从而使滑移越来越困难,这种现象称之.具有多组滑移系的晶体,产生多滑移,1.6 滑移的位错机制：1.6.1位错的运动与晶体的滑移：问题：实际金属晶体滑移时所需的临界切应力K远小于理想晶体的K，为什么？回答:实际晶体中存在位错,晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果.如图滑移实际是源源不断的位错沿

9、着滑移面的运动.如图位错沿滑移面的运动只需要很小的切应力即可实现，因此,实际滑移的K远小于理论计算的K.,1.6.2位错的增殖：问题：形成一条滑移线需要上千个位错,晶体塑性变形时产生大量滑移带,需要为数极多的位错，晶体中有如此大量的位错吗？滑移是位错扫过滑移面并移出晶体表面造成的.随着塑性变形的进行，晶体中的位错数目是否会越来越少，形成无位错的理想晶体？回答：通过塑性变形，晶体中位错数目会显著增多原因:变形过程中,晶体中存在不断增殖的位错源,位错增殖机制：弗兰克瑞德位错源,最终，在切应力作用下,位错线段DD变为一个重结的 DD位错线段和一个封闭的位错环,动 画,增殖机制总结：在切应力作用下,位

10、错线段DD变为一个重结的 DD位错线段和一个封闭的位错环随着外力继续作用,以上过程不断重复,不断产生新的位错环,晶体中便产生大量位错环.一个位错环移出晶体,晶体沿滑移面产生一个原子间距的位移；大量位错环逐个移出晶体,晶体就不断产生滑移,并在表面形成许多滑移台阶.晶体滑移的实质：不断的消耗位错，不断产生新位错的过程.晶体的滑移,实际上是源源不断的位错沿着滑移面的运动.,1.6.3 位错的交割与塞积：交割：位错线相交再通过的过程.,交割的结果:产生割阶，结果是：增加了位错线的长度；可能形成一种位错难以运动的固定割阶,造成位错缠结,成为后续位错运动的障碍.,动 画,塞积：当位错运动遇到障碍物（固定位

11、错、杂质粒子、晶界等）的阻碍时，领先的位错在障碍物前被阻止，后续的位错被堵塞，这种现象叫做位错的塞积；塞积的结果：形成位错的平面塞积群,并在障碍物前端形成高度应力集中，如图,动 画,塞积处产生的应力集中为：0 其中,：塞积在障碍处产生的应力集中；0：在滑移方向的分切应力值；：位错塞积群的位错数；:障碍物至位错源的距离 位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距 离成正比.因此，应力集中；,合金中的位错塞积；,2、孪生：定义：在切应力的作用下，晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面）为对称面与晶体的另一部分发生对称性移动而进行的切变，叫孪生.孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的一对晶体叫做孪晶（双

12、晶）.晶体结构不同，孪生面和孪生方向也不同.fcc：孪生面111,孪生方向112bcc:孪生面112,孪生方向111 hcp:孪生面10 2,孪生方向 011,孪生的特点：孪生所需K远大于滑移所需K;部分晶体发生均匀切变,位移量正比于至孪晶面的距离；切变时,原子移动距离不是孪生方向原子间距的整数倍.不改变晶体的点阵类型；但可引起晶体取向变化,变形与未变形部分成镜面对称；孪晶为条带状或透镜状；孪生生长通过其他基本的塑变方式进行协调.对总变形量贡献不大,但可改变晶体取向,使滑移继续.孪生变形速度极大,可听到声音；,含铜钢在550时效时的TEM形貌(孪晶),第三节 多晶体的塑性变形多晶体与单晶体塑性

13、变形的相同点:每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生方式进行；多晶体与单晶体塑变过程的不同点:(复杂)多晶体塑变受晶界阻碍和位向不同的晶粒的影响；任一个晶粒的塑变都不是处于独立的自由变形状态,需要周围晶粒同时发生变形来配合，以保持晶粒间的结合和整个物体的连续性。原因:(多晶体的特点)相邻晶粒位向不同；各晶粒间存在晶界；,多晶体的塑性变形过程的特点各晶粒变形的不同时性.随外力增加，对位向有利的晶粒，其滑移系的分切应力首先达到临界值，开始塑变。相邻晶粒位向不同，先变形晶粒滑移面的运动位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群，造成很大应力集中。各晶粒变形的相互协调性.多晶体中晶粒彼此相邻，邻近晶粒必须相互配

14、合，多个滑移系同时滑移,协调变形,以保持晶体连续性.多晶体变形的不均匀性.由于晶界及相邻晶粒位向不同,晶粒之间及晶粒内部变形都是不均匀的.如图,晶粒大小对塑性变形的影响 1.晶粒越细小,强化效果越好,举例：Zn多晶体的强度显著高于单晶体原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错运动。多晶体晶界多，晶粒越小，强化效果好。晶界强化:用细化晶粒增加晶界,提高金属强度的方法称为晶界强化.,晶粒平均直径d与屈服强度s关系（霍尔-配奇公式）s=0+kd-1/2 0:常数,单晶体金属的屈服强度；k：常数;表示晶界对强度的影响程度；d:多晶体中各晶粒的平均直径看出:晶粒越细小,屈服强度越高(d,s)原因:晶粒越细小

15、,位错源到晶界的距离L小,发放的位错数目n少,应力集中小,发生塑变机会少,s高;晶粒越大,相反:应力集中,位错塞积造成大的应力集中,周围晶粒易发生塑变,s低.,s=0+kd-1/2,2.晶粒越细小,塑韧性越好.,原因：晶粒越细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变形的取向多.晶粒越细小，晶内和晶界的应变差异小，变形均匀，引起的应力集中小，不易开裂.晶粒越细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的产生和传播.综上,细晶粒具有强度高,塑、韧性好的综合机械性能,故生产中希望得到细小均匀晶粒组织.,第四节 合金的塑性变形,合 金,固溶体合金（单相合金）,固溶体合金第二相(多相合金),以基体金属为基的单相固溶体各组

16、元形成的化合物或另一种固溶体,以基体金属为基的单相固溶体,1、单相固溶体合金的塑性变形,与多晶体纯金属的基本相同,但产生固溶强化.固溶强化:由于固溶体中溶质原子的存在,使其塑性变形抗力增加,强度、硬度增高,塑韧性下降的现象固溶强化是提高金属机械性能的重要途径.原因：固溶体发生晶格畸变,阻碍滑移面上位错运动.溶质原子在位错线附近偏聚，形成“柯氏气团”,对位错有钉扎作用，使位错运动的阻力增大,增加了塑性变形抗力.,置换固溶体 间隙固溶体a)R溶质R溶剂 b)R溶质R溶剂 c)间隙固溶体,柯氏气团对位错起钉扎作用,固溶强化规律,在固溶体溶解度范围内，浓度越大，强化效果越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸相

17、差越大，则造成的晶格畸变越大，强化效果越大；形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的溶质元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作用越大；,2、多相合金的塑性变形合金中两相的性能相近 合金中两相含量相差不大,且二者变形能力相近,则合金变形性能为两相的平均值.,式中，和:两相的强度极限；和:两相的体积分数；,合金中两相的性能差别较大,1、硬脆的第二相呈连续网状分布于塑性相晶界 情况恶劣，脆性相在空间把塑性相分割开,使其变形能力无法发挥,合金脆性增加,塑韧性和强度下降.2、脆性的第二相呈片层状分布于塑性相基体 强度、硬度比纯金属高得多，塑、韧性有所下降，但不致使之脆化。（如珠

18、光体）珠光体的屈服强度：,i:铁素体屈服强度,Ks:材料常数,S0：珠光体片间距,3、脆性的第二相呈颗粒状分布于基体颗粒状脆性第二相对位错的阻碍作用小于片状，故强度、硬度降低，塑韧性升高.颗粒状硬脆第二相呈弥散粒子均匀分布于塑性基体,会显著提高合金强度.原因:细小弥散第二相粒子与位错交互作用两种强化机制：切过机制与绕过机制,图6-28 位错绕过第二相粒子示意图,绕过机制：第二相为坚硬粗大质点,位错线将绕过该粒子运动(弥散强化).位错绕过时所需切应力：,动 画,切过机制：第二相为软质点,运动位错将切过粒子与基体一起变形(沉淀强化),动 画,含铜钢时效强化峰的TEM形貌(弥散分布的铜粒子),第五节

19、 塑性变形对金属组织和性能的影响,1、对组织的影响显微组织 晶粒外形变化.如图 亚结构 位错密度增加,亚结构细化.如图变形织构定义:由于塑性变形,使晶粒具有择优取向的组织分类:丝织构和板织构特点：使材料出现各向异性；优点:Al箔电容器.缺点:“制耳”现象.如图,2、对性能的影响产生加工硬化定义：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象；原因：位错密度的增加,使位错运动阻力,变形抗力.位错之间交互作用，产生割阶，缠结等优点：提高材料的强度：使材料变形均匀.缺点：阻碍塑变进行其他影响,、对不能通过热处理提高强度 的材料，可利用此法；、提高零件在使用中的安全性、某些工件或半成品

20、成型的重 要因素；,3、塑性变形的残余应力：分类宏观内应力（第一类内应力）：由于金属工件或材料各部分的宏观变形不均匀引起，其平衡范围是物体的整个体积；微观内应力（第二类内应力）：由于各晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个晶粒或几个亚晶粒；点阵畸变（第三类内应力）：由于塑变使点阵发生畸变，其作用范围在几十至几百纳米范围影响 使工件产生变形、开裂和应力腐蚀,第七章 金属及合金的回复与再结晶,金属及合金塑性变形后：晶粒外形发生变化；组织结构发生变化；性能发生变化(强度、硬度升高，塑韧性下降)这给进一步的冷成形加工带来困难.因此，常需将金属加热进行退火处理，通过回复与再结晶过程使其

21、性能向塑变前状态转变，即塑韧性提高，强度、硬度下降。,空位：比例较小位错：8090,储存能：塑性变形时，外加能量储存在形变金属内部的能量.储存形式:弹性应变和增加晶体缺陷的形式,弹性应变能：312,畸变能：,储存能是转变的驱动力,储存能,储存能使塑变后金属材料的自由能升高，处于 热力学上不稳定的亚稳状态.,塑变后的金属及合金在退火时的变化退火：将金属材料加热到一定温度，保温一定时间，然后缓冷到室温的操作；目的：改变金属材料内部的组织结构，获得要求的性能。储存能是转变的驱动力退火过程(3个阶段):回复、再结晶、晶粒长大一、组织变化：,二、储存能变化,储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力

22、。变形金属在加热时储存能释放。功率峰对应再结晶温度。随着储存能释放，金属的显微组织和性能发生相应变化。,三、性能的变化1、强度、硬度：回复阶段变化小；再结晶大大降低。原因：回复时位错密度减少有限，再结晶时位错密度大大下降。2、电阻：回复阶段开始下降。原因：电阻与点缺陷有关，在回复阶段点缺陷的密度显著下降。,3、亚晶尺寸：回复阶段变化小；再结晶大大增加。原因：与位错密度有关。4、密度：回复阶段就开始上升。原因：与空位有关。5、内应力：回复阶段大部分或全部宏观内应力可以消除；微观内应力只消除一部分，到再结晶以上才完全消除。,第二节 回复定义：冷塑性变形的金属在加热时，新晶粒（再结晶晶粒）出现以前，

23、某些亚结构和性能发生变化的过程。特点:退火处理时，组织和性能变化的早期阶段.加热温度不太高，原子扩散能力较低，显微组织无明显变化，只是物理、化学性能部分恢复到变形前状态。驱动力：储存能,回复机理：(点缺陷和位错发生运动),解释：,低温：点缺陷数目大大降低（通过空位群坍塌成为位错；空位到晶界或位错处沉没空位对，空位与间隙原子的复合），使与点缺陷有关的性能发生变化，如电阻率下降。中温：原子活动能力增大。点缺陷继续运动消失；位错滑移、交滑移运动：使位错数量有所减少。异号位错对消；位错缠结内位错重新排列；亚晶长大。,亚晶长大：（亚结构变化）金属在冷塑性变形后，形成胞状亚结构，胞内位错密度低,胞壁位错密

24、度高.回复退火时，空位密度下降，胞内位错向胞壁滑移，与胞壁异号位错抵消,位错密度下降。回复进行,胞壁位错形成低能位错网络,胞壁变为亚晶界,亚晶粒通过亚晶界迁移而长大.,变形后的亚晶,回复后亚晶,高层错能金属形变时产生胞状组织，在回复时，胞内位错滑移到胞壁发生异号位错对消，使胞内无位错；胞壁位错滑移、交滑移重新组合，使排列整齐，胞壁厚度减小。亚晶界清晰、明确，亚晶尺寸相对增大。低层错能金属通过位错滑移排列成位错网络。,（3）高温回复：TH0.5点缺陷继续运动；位错滑移运动；位错攀移运动。多边化和亚晶合并。（位错数量有所减少）位错的攀移：刃位错沿与柏氏矢量（滑移面）相垂直的方向运动；如图.,Not

25、e：攀移必须通过空位和原子的扩散实现，室温下很难进行。只有在较高温度下，原子扩散能力足够大时，才容易进行。,多边化：冷变形后，晶体中同号刃位错在滑移面塞积,导致晶格弯曲.退火时，通过位错的滑移和攀移，同号刃位错沿垂直滑移面的方向排列成小角度亚晶界，叫多边化；如图。,回复退火特点：加热温度不高，使冷加工件在保持加工硬化的状态下，降低内应力，减轻工件的变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性，改善塑韧性。应用:对于深冲件、铸件、焊接件、机加工件，需进行回复退火（去应力退火），以避免冷加工残余内应力（第一类内应力）可能引起的变形开裂。,冷变形金属中的内应力在多数情况下是有害的。如黄铜弹壳的开裂，将弹壳在2

26、50300进行回 复处理，解决了这个问题。,第三节 再结晶定义：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒（等轴晶粒），性能也发生了明显变化，并恢复到完全软化状态，这个过程叫再结晶.驱动力：冷变形产生的储存能.特点:经过再结晶，金属材料的强度、硬度下降，塑性、韧性上升，又可继续对材料进行塑性变形.,再结晶过程示意图,看出:再结晶并非简单恢复到变形前组织的过程也是形核和长大的过程；再结晶与重结晶的异同相同：两者都经历了形核与长大两个阶段；相异：再结晶前后各晶粒的晶格类型不变，成分不变，再结晶只是一种组织的转变，并不是相变.重结晶发生了晶格类型的变化,是相变；,再

27、结晶的形核与长大：1.形核：实验表明,再结晶形核在塑变引起的最大畸变处形成，回复阶段的多边形化为再结晶形核做了准备。亚晶形核机制:(变形度较大时发生)回复阶段，塑变形成的胞状组织经多边形化后变为亚晶，有些亚晶长大，成为再结晶的晶核.晶界凸出形核机制:(变形度较小时发生)变形度小,使得金属变形很不均匀，回复退火后亚晶粒大小不同。再结晶退火时，晶界中某一段向亚晶粒细小位错密度高一侧弓出，晶界扫过的区域位错密度下降，形成再结晶晶核。,2.长大：再结晶晶核形成后,自发、稳定的生长，界面向畸变区推进。界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。界面移动的方向是背向其曲率中心的方向。最终，旧的畸

28、变晶粒消失，新的无畸变再结晶晶粒形成。,再结晶温度及影响因素：1.再结晶温度的定义：理论：能发生再结晶的最低温度；实际：经过严重冷变形（变形度在70以上）的金属，在规定时间内（1h）能够完成再结晶或再结晶达到规定程度（95）的最低温度；Note:再结晶温度在一定范围内变化；金属的最低再结晶温度与熔点之间的经验关系：T再=T熔(单位：K,:系数)纯金属:0.350.4；合金:0.50.7；再结晶退火的温度:最低再结晶温度以上100200.,2.影响再结晶温度的因素（4个）金属的预变形度越大，再结晶温度越低.原因:金属的变形度越大,金属中的储存能越多,再结晶的驱动力越大,故再结晶温度低.如图,变形

29、度达到一定程度后，再结晶温度趋于某一最低值，即最低再结晶温度。金属的纯度越高，再结晶温度越低.原因:杂质和合金元素溶入基体后，在位错、晶界处偏聚，阻碍了位错运动、晶界迁移和原子扩散,从而提高了再结晶温度,故纯度越高，T再越低.,加热速度和时间影响再结晶温度.加热速度极慢,变形金属有足够时间回复,储存能减少,则再结晶驱动力减少,再结晶温度升高；加热速度过快，在不同温度下停留的时间短，而再结晶的形核和长大都需要时间,速度过快,使之来不及形核和长大，故推迟到更高温度才发生再结晶,再结晶温度升高;保温时间越长,原子的扩散能力越大，再结晶温度就越低。原始晶粒越小，再结晶温度越低原始晶粒越细小，变形抗力大

30、，储存能大，再结晶的形核率大，长大速度大，再结晶温度降低。,3 再结晶晶粒大小的控制,变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。但并不与变形前完全相同，中心问题是再结晶后的晶粒大小.再结晶晶粒的平均直径d:其中,N：形核率；G：长大线速度；K：比例常数可以看出,控制影响N和 G的因素就可达到控制再结晶晶粒大小.影响因素如下:,再结晶晶粒大小的影响因素（4个）变形程度：如图变形程度很小时，晶粒大小没有变化；原因:变形度小，畸变能很小，不足以引起再结晶.变形程度在2%10%时，再结晶后的晶粒特别粗大。原因:变形度不大，G/N比值很大，易得到粗大晶粒。此范围的变形度称“临界变形度”，应

31、避免。变形程度大于临界变形度后，晶粒逐渐细化，变形度越大，晶粒越细小。原因：变形度增加，储存能增加，G和N同时增加，但G/N减小，故再结晶晶粒变细。当变形程度大于90%以上时，某些金属还会出现晶粒的异常长大，即二次再结晶。,临界变形度的危害：,原始晶粒度越小，再结晶晶粒越小 原因：细晶粒具有较多晶界，晶界为再结晶形核提供了有利场所，故可得到细小晶粒组织。合金元素及杂质可细化晶粒 原因：基体中的合金元素及杂质，可增加变形金属的储存能，并阻碍晶界运动。变形温度高，使晶粒粗化 原因：变形温度越高，回复程度越大，变形后 储存能减小，使再结晶晶粒粗化。,第四节 晶粒的长大,定义:再结晶结束以后，随着加热

32、温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会相互吞并而长大，这一现象称为晶粒的长大。分类:(根据再结晶后晶粒长大过程的特点分类)晶粒的正常长大：随温度的升高或保温时间 的延长,晶粒均匀连续地长大.晶粒的反常长大：晶粒不均匀不连续地长大,也叫二次再结晶.,1、晶粒的正常长大晶粒长大的驱动力：从整体看，驱动力为晶粒长大前后总的界面能差 原因:细晶粒晶界多，界面能高；粗晶粒晶界少，界面能低，故细晶粒长大是使金属自由能下降的自发过程，易进行。从晶界看，晶界移动的驱动力与界面能成正比,与晶界的曲率半径成反比.晶粒稳定形状的两个必备条件:所有晶界均为直线晶界间夹角均为120晶粒的稳定形状:晶粒边数为6,晶界平

33、直,夹角120,晶粒正常长大的规律：晶粒长大主要靠晶界迁移，晶界向其曲率中心方向移动；随着晶界的迁移，小晶粒逐渐被相邻大晶粒吞并，弯曲晶界趋于平直.如图当三个晶粒的晶界夹角不等于120时，晶界的移动总是力图使三个夹角趋向于120；在二维坐标中，晶粒边数少于6的晶粒，必然逐步缩小，甚至消失；晶粒边数大于6的晶粒，则将逐渐长大；当晶粒边数为6，晶界很平直，且夹角为120时，则晶界最稳定，如图,影响晶粒长大的因素温度越高,晶粒长大速度越快原因:晶界迁移的过程是原子的扩散过程,受温度影响杂质和合金元素溶入基体,会阻碍晶界运动原因:吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能,从而降低界面移动的驱动力,使晶界

34、不能移动.弥散的第二相质点会阻碍晶界移动第二相质点越细小,数量越多,对晶粒长大的阻碍越强相邻晶粒位向差越小，界面能越小，界面移动驱动力越小,晶界不易移动.,2.晶粒的反常长大：,定义：经严重冷变形的金属，在较高温度退火时，少数晶粒优先长大，逐渐吞食周围大量小晶粒而形成粗大晶粒的过程，叫二次再结晶。特点：不是重新生核与长大，而是在一次再结晶完成之后，某些特殊晶粒长大形成的；是不连续、不均匀的长大，故叫反常长大如图形成机理：第二相或夹杂物质点的影响,对性能的影响：不利：使材料晶粒粗大，降低材料的强度、塑韧性，对产品性能非常有害。粗大晶粒使材料冷变形后表面粗糙度增加；有利：在硅钢片生产时，用二次再结

35、晶形成希望的晶粒择优取向，获得优良导磁性织构。,再结晶退火：将冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理过程，称为再结晶退火.,3.再结晶退火后的组织,目的：降低硬度、提高塑性，恢复改善材料性能，是冷成型操作不可缺少的工序；对于某些没有同素异晶转变的金属（如铝、铜）采用冷变形和再结晶退火的方法细化晶粒；,再结晶图：再结晶后的晶粒大小与变形程度及退火温度之间关系的空间图形，叫再结晶图.,工业纯铝的再结晶图,第五节 金属的热加工,1.金属的热加工：工业定义：将金属材料加热到高温进行锻造、热轧等的压力加工过程。金属学定义：在再结晶温度以上的加工过程。2.动态回复和动态再结晶：在热加工过程

36、中，金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个过程，此时，回复再结晶是边加工边发生的，故称动态回复和动态再结晶。3.静态回复和静态再结晶：变形中断或终止后的保温过程中，或在随后冷却过程中发生的回复与再结晶，称静态回复和静态再结晶。,4.热加工后的组织与性能：改善铸锭组织：使铸锭中组织缺陷得到明显改善，致密度增加。铸态粗大柱状晶变细。消除部分偏析，使成分均匀。出现纤维组织：铸锭中粗大枝晶和各种夹杂沿变形方向伸长，枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物走向与变形方向一致，呈流线状，叫纤维组织。出现带状组织：复相合金中的各相，热加工时沿变形方向交替呈带状分布，称带状组织。晶粒大小：正常的热加工使晶粒细化

37、。,习题：1.名词解释:滑移、滑移系、加工硬化、回复、再结晶；2、区别：弹性变形与塑性变形（一次）再结晶与二次再结晶 热加工与冷加工3、解释现象（1）滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向。（2）实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比理论计算的数值小；（3）Zn、-Fe、Cu的塑性不同；（4）晶界处滑移的阻力最大；,4、金属的塑性变形有哪几种方式？在什么条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？5、为什么细晶粒强度高，塑性、韧性也好？6、多晶体塑性变形的特点？在多晶体中，哪些晶粒最先滑移？7、金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化？8、口杯采用低碳钢板冷冲而成，如果钢板的晶粒大小很不均匀，那么冲压后常常发现口杯底部出现裂纹，这是为什么？9、金属的再结晶温度受到哪些因素的影响？再结晶退火前后组织和性能有何变化？,10、金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒，为什么？11、用冷拔紫铜管通过冷弯的方法制造机器上的输油管，为避免开裂，弯前应进行什么热处理？12、在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再进行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？13、用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温回火后，其弹力要比未经回火的好，这是为什么？14、在冷拔钢丝时，如果总的变形量很大，则中间需穿插几次退火工序，为什么？中间退火温度应选多高？,