1、第 5章材料的形 变 和再 结 晶5.0 概述5.1 弹 性和粘 弹 性5.2 晶体的塑性 变 形5.3 回复和再 结 晶5.4 热变 形与 动态 回复、再 结 晶5.5 陶瓷材料 变 形的特点5.6 高聚物的 变 形特点重点与 难 点弹 性 变 形的特点和虎克定律 ; 弹 性的不完整性和粘弹 性 ; 比 较 塑性 变 形两种基本形式 :滑移与 孪 生的异同点 ;滑移的 临 界分切 应 力 ; 滑移的位 错 机制 ; 多晶体塑性 变 形的特点 ; 细 晶 强 化 与 HallPetch 公式 ;屈服 现 象与 应变时 效 ; 弥散 强化 ;加工硬化 ;形 变织 构与残余 应 力 ; 回复 动力
2、学与回复机制 ; 再 结 晶形核机制 ; 再 结 晶 动 力学 ; 再 结 晶温度及其影响因素 ;影响再 结 晶晶粒大小的因素 : 晶粒的正常 长 大及其影响因素 ; 一次与二次再 结 晶以及静 态 再 结 晶的区别 ;无机非金属材料塑性 变 形的特点 : 高聚物塑性 变 形的特点。学 习 方法指 导 :。 善于用 图 示法分析相关 问题 :滑移系中晶面和晶向的关系， 单 滑移、多滑移、交滑移等 产 生的晶体表面痕迹、弥散 强 化机制、 变 形量与 强 度的关系。 利用本章内容中相互矛盾的两个方面理解相关知 识 点 : 一 方面介 绍 了晶体塑 性 变 形的机制，而另 一 个核心内容是材料的
3、强 化机制 : 一 方面是晶体滑移的 实 现 ， 另 一 方面材料的 强 化 这 是 强 调 阻碍位 错 滑移的因素。 注意本章内容与其他章 节 内容之 间 的 联 系 :本章除了晶体滑移的理 论 ， 还 涉 及位 错 运 动 、晶界、相 结 构等重要知 识 点，要注重晶体滑移与其之 间 的 联 系。 内容体系的建立遵循从特殊到普遍、从理 论 到 应 用的思路 : 本章材料 变 形理 论 的演 变 是从 单 晶体 变 形到多晶体。 单相合金和多相合金，从位 错 运 动 的晶体 滑移到多晶体 、 固溶体和多相合金的 强 化。 以 “驱动 力 “为线 索，理解重要概念及其区 别 : 令 变 形金属
4、在受 热时发 生的 回复、再 结 晶、品粒 长 大均需要 驱动 力，如回复与再 结 晶的 驱动 力是畸 变 能差， 晶粒 长 大的 驱动 力是晶界能差。同 时，根据工作是否具有 驱动 力判断其是否可 以通 过 再 结 晶的方式改 善 性能等 。5.0 概述材料在加工制 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。 图 5.1为 低碳钢 在 单 向拉伸 时 的 应 力 一 应变 曲 线 。研究材料的 变 形 规 律及其微 观 机制，分析
5、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 义应 力。 se e 约 3单 1生极限 J s 刻屈服 强 反 J b 刻抗拉 强 反 Jb，b k 应变图 5.1 低碳 钢 在 单 向拉伸 时 的 应 力一 应变 曲 线5.1 弹 性和粘 弹 性5.1.1 弹 性 变 形的本 质弹 性 变 形是指外力去除后能 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。原子 处 于平衡位置 时 ，系系关关的的距离间距子和原力与用量作色町系子u 体原肌阻
6、刷刷!二一工UU山 山 -b一嗣二u r二 内 llti ll门!Ii t、 -| 力- J 丸 / f - 一一明| 丁 非!|!以-L川 M|l处为当位生产力原变性U 力。 衡产将外其的弹能用态平将时复生是位作状其时小样恢产就，互的离大减这会所这一 刊相定偏增距。 都为稳将距间刀子置失距置最后间子报原位消间位是力子原侣衡全子低这一 党原力后平完原曰 取子力斥除的便形其于零原置引生去来形变-rTb5.1.2 弹 性 变 形的特征和 弹 性模量弹 性 变 形的主要特征是 :(1) 理想的 弹 性 变 形是可逆 变 形，力口 载时 变 形，卸 载时变 形消失并恢复原状。(2) 金属、陶瓷和部分高
7、分 子 材料不 论 是加 载 或卸 载时 ，只要在 弹 性 变 形范 围 内， 其 应 力与应变 之 间 都保持 单值线 性函数关 系，即服从虎克 CHooke) 定律 :在正 应 力下， =E ; 在切 应 力下 ， T =Gy ;式中， s ， t 分 别为 正 应 力和切 应 力 ; e ， g分 别为正 应变 和切 应变 ; E， G分 别为弹 性 模量 (杨氏模量 )和切 变 模量。弹 性模量与切 变弹 性模量之 间 的关系 为 :G= E2(1-v)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 0.25-0.35之 间 ，高分子 材料 则 相对较 大些
8、。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。金 刚 石一类 的共价 键 晶体由于其原子 间 结 合力很大，故其 弹 性模量很高 ;金属和离子 晶体的 则 相 对较 低 ;而分子 键 的固体如塑料、 橡胶等的 键 合力更弱，故其 弹 性模量更低，通 常比金属材料的低几个数量 级 。(3) 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 Sp 的 应 力范 围 内符合虎克定律， 弹 性 变 形量一般不超 过。.5% ;而橡胶 类 高分子材料的高 弹 形 变 量 则 可高 达1000% ，但 这 种 变 形是非 线 性的。5.
9、1.3 弹 性的不完整性多数工程上 应 用的材料 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 象包括包申格效 应 、 弹性后效、 弹 性滞后和循 环韧 性等。1. 包申格效 应材料 经预 先加 载产 生少量塑性 变 形 (小于 4%) ，而后同向加 载贝 IjSe升高，反向加 载则 Se下降。此 现 象称之 为 包申格效 应 。它是多晶体 金属材料的普
10、遍 现 象。.弹 后 放一些 实际 晶体，在加 载 或卸 载时 ， 应变 不是瞬 时 达到其平衡 值 ，而是通 过 一种弛豫 过 程 未完成其变 化的 ( 图 5.3) 。 这 种在 弹 性极 限 Se 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。i;恤，峙 回。c恤，(oj!l d时间恒 应 力下的 应 力 驰 豫图 5.33. 弹 性滞后由于 应变 落后于 应 力， 在 se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
11、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 。5.1.4 粘 弹 性变 形形式除了 弹 性 变 形、塑性 变 形外 还 有 一 种粘性流 动 。所 谓 粘性流 动 是指非晶 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。纯 粘性流 动 服从牛 顿 粘性流 动 定律 :asa= 阿一一. dt式 中 为应 力 ;为应变 速率 ;称 为 粘度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流 动 的 难 易程度，其 单 位 为 Pa.so一些非晶体，有 时 甚至多晶体，在比 较 小的 应 力 时
12、可以同 时 表 现 出 弹 性和粘性， 这 就是粘 弹 性 现 象。粘 弹 性 变 形的特点是 应变 落后于 应 力。 当加上周期应 力 时 ， 应 力一 应变 曲 线 就成 回 线 ，所包含的面 积 即 为应 力循 环 -周所 损 耗的能量，即内耗。5.2 晶体的塑性 变 形应 力超 过弹 性极限，材料 发 生塑性 变 形， 即 产 生不可逆的永久 变 形。5.2.1 单 晶体的塑性 变 形在常温和低温下， 单 晶体的塑性 变 形主要 通 过 滑移方式 进 行的，此外，尚有 孪 生和扭折等方式。1. 滑移. 滑移 线 与滑移 带 当 应 力超 过 晶体的 弹性极限后，晶体中就会 产 生 层
13、片之 间 的相 对 滑 移，大量的 层 片 间 滑 动 的累 积 就构成晶体的宏 观 塑性 变 形，金属单 晶体拉伸如 图 5.4 0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 ( 图 5.5) 。精事搜图 5.5 滑移 带 形成示意 图图 5.4 金属 单 晶体拉伸 后的 实 物照片b. 滑移系塑性 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 “。晶体 结 构不同
14、，其滑移面和滑面喃喃 陆 和滑移方向往往是金属晶 体中原子排列最密的晶面和晶向。 这 是因 为 原子密度最大的晶面其面 问 距最大，点 阵 阻 力最小，因而容易沿着 这 些面发 生滑移 ;至 于滑移方向 为 原 子 密度最大的方向是由于最 密排方向上的原子 间 距最短，即位 错 b最小。在其他条件相同 时 ，晶体中的滑移系愈多，滑移 过 程可能采取的空 间 取向便愈多，滑移容易 进 行，它的塑 性便愈好。据此， 面心立方晶体的滑移系共 有 11143=12 个 ;.体心立方晶体可同 时 沿 110112123 晶面滑移 ; 密排六方晶体的滑移系 仅 有 (0001)1 3=3个。由于滑移系数目
15、太少，的 好 。hcp 多晶体的塑性不如 fcc或 bcc面心立方，体心立方和密排六方精 选实 例的滑移面和滑移方 向 见 下 表5.1:表 5. 1 一些金属晶体的滑移面展滑移方向品 体 结 构 金 属 举 例 滑 移 面Cu.Ag ， Au .Ni. Al l l l1fAl(在 高 温 ) 1 1UUI滑 移 方 向面 ， . 立 方 (100)(110).111011 112 111231Fc (111)体心 立 方 W ， 民 110 ， Na(子 0.080.24 T， r， ) 1 1121 地 ， Na( 于 0.260 .501“， ) 1 1101 ( 111)Na.K(
16、于 O . 8Tn.) 123 (111)Nb !II O l ( 111)， B.eTe 1臼 )Ol ! ( 1120)10001: (1120)生通 过 位 错 增 殖 的极 轴 机制形成vb 1H图 5.13 孪 生 的位 错 极 轴机制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，相关实 例 见 图 5.14和 图 5.15 0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 方式称
17、 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。eat ta- -EtBE E - L Fh rc-: -. -一、F - .-t kt)J 川向(a)A aaa-BE EE - k -v-d -VF-J宇品扭析懵( b)(a) b)图 5.15 单 晶 铺 被 压缩时 的扭折(a) 扭 折 示意 图 (b) 铺单 晶中的扭折 带图 514 伴 随 着 形 成 孪 晶 而产 生 的扭 折 带5.2.2 多晶体的塑性 变 形实际 使用的材料通常
18、是由多晶体 组 成的。 室温下，多晶体中每个晶粒 变 形的基本方式 与 单 晶体相同，但由于相 邻 晶粒之 间 取向不 同，以及晶界的存在 ，因而多晶体的 变 形既 需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒的变 形相 互 协调 与配合，故多晶体的塑性 变 形 较为 复 杂。1. 晶粒取向的影响晶粒取向 对 多晶体塑性 变 形的影响，主要表 现 在各晶粒变 形 过 程中的 相互制 约 和 协调 性。当外力作用于多晶体 时 ，由于晶体的各向异性， 位向不同的各个晶体所受 应 力并不一致。 处 于有利 位向的晶粒首先 发生滑移， 处 于不利方位的晶粒却 还 未开始滑移。为 了使多晶体中各晶粒之 间 的 变 形
19、得到相互 协 调 与配合，通 过 各晶粒的多系滑移来保 证 。 (5个独 立的滑移系 )这 就与晶体的 结 构 类 型有关 :j骨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，所以其多晶体的塑性 变 形能力 可低。2. 晶界的影响从 第 3章得知，晶界上原子排列不 规则 ， 点 阵 畸 变严重，何况晶界两 侧 的晶粒取向不同， 滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，滑移要 从一个晶粒直接延 续 到下一个晶粒是极其困 难 的，在室温下晶界 对 滑移具有阻碍效 应 。对 只 有 23个晶粒的
20、 试样进 行拉伸 试验 表明，在品界 处 呈竹 节 状 (见 图 5.16)。多晶体 试样经 拉伸后，每一晶粒中的滑移 带 都 终 止在晶界附近。如 图 5.17所示。在 变 形 过 程中位 错难 以通 过 晶 界被堵塞在晶界附近。 这 种在晶界附近 产 生的位 错 塞 积 群会 对 晶内的位 错源 产 生一反作用力。此反作 用力随位 错 塞 积 的数目 n而增大 :n= kn-.LGb式中， 。 为 作用于滑移面上外加分切 应 力 ;L为 位错 源至晶界之距离 ; k 为 系数，虫累、位 错 k=l ，刃位 错k=lv 。当它增大到某一数 值时 ，可使位 错 源停止开 动 。 使晶体 显 著
21、强 化。图 5.16 经 拉伸后晶界 处 呈竹 节状 图 5.17 位 错 在相 邻 晶粒中的作用示意 图因此， 对 多晶体而言，外加 应 力必 须 大 至足以激发 大量晶粒中的位 错 源 动 作， 产 生 滑移，才能 觉 察到宏 观 的塑性 变 形。由于晶界数量直接决定于晶粒的大小， 因此，晶界对 多晶体起始塑 变 抗力的影响可通 过 晶粒大小直接体现 。 实 践 证 明，多晶体的 强 度随其晶粒 细 化而提高。多晶体的屈服 强 度 Ss 与晶粒平均直径 d 的关系可用著名的霍 尔 一佩 奇 (Hall-Petch )公式表示 :q= 口口 +Kd 20“:; = 0“0 + Kd :2式中
22、， 。反映晶内 对变 形的阻力，相当于 极大 单 晶的屈服 强 度 ;K反映晶界 对变 形的影 响系数，与晶界 结构有关。进 二步 实验证 明，霍 尔 一佩奇公式适用性 甚广。因此，一般在室温使用的 结 构材料都希 望 获 得 细 小而均匀的晶粒。因 为细 晶粒不 仅 使 材料具有 较 高的 强 度、硬度，而且也使它具有 良好的塑性和 韧 性，即具有良好的 综合力学性当 变 形温度高于 O.5Tm (熔点 )以上 时 ，由于原子活 动 能力的增大，以及原子沿晶界的 扩 散 速率加快，使高温下的晶界具有一定的粘滞性特 点，它 对变 形的阻力大 为 减弱，即使施加很小的 应 力，只要作用 时间足
23、够长 ，也会 发 生晶粒沿晶 界的相 对 滑 动 ，成 为 多晶体在高温 时 一种重要的 变 形方式。此外，在高温 时 ，多晶体特 别 是 细 品 粒的多晶体 还 可能出 现 另一种称 为扩 散性蠕 变 的 变 形机制， 这 个 过 程与空位的 扩 散有关。据此，在多晶体材料中往往存在一 “等 强 温度 飞 “，低于 Te 时 ，晶界 强 度高于晶粒内部 的 ;高 于 Te 时则 得到相反的 结 果 (见 图 5.18)。图 5.18 等温 强 度示意 图5.2.3 塑性 变 形 对 材料 组织 与性能的影响.塑性 变 形不但可以改 变 材料的外形和尺寸，而且能 够 使材料 的内部 组织 和各
24、种性能 发 生 变 化，在 变 形的同 时 ，伴随着 变 性。1. 显 微 组织 的 变 化 经 塑性 变 形后，金属材料的 显 微 组织发 生明 显 的改 变 。一每个晶粒内部出 现 大 量的滑移 带 或 孪 晶 带 外，一随着 变 形度的增加，原来的等 轴 晶粒将逐 渐 沿其 变 形方向 伸 长 。一当 变 形量很大 时 ，晶粒 变 得模糊不清，晶粒己 难 以分辨而 呈 现 出一片如 纤维 状的条 纹 ，称 为纤维组织 。 纤维 的分布 方向即是材料流 变 伸展的方向。一晶体的塑性 变 形是借助位 错 在 应 力作用下运 动 和不断增殖。 随着 变 形度的增大，晶体中的位 错 密度迅速提高
25、， 经严 重 冷 变 形后，位 错 密度可从原先退火 态 的 106107cm2增至 10111012cm2 o2. 亚结 构的 变 化 经 一定量的塑性 变 形后，晶体中的位 错线 通 过 运 动 与交互作用，开始呈 现纷 乱的不均匀分布，并形成 位 错缠结 。 进 一 步增加 变 形度 时 ，大量位 错发 生聚集，并由 缠 结 的位 错组 成胞状 亚结 构。一此 时 ， 变 形晶粒是由 许 多 这 种胞状 亚结 构 组 成，各胞之间 存在微小的位向 差 。一 随 着 变 形度的增大， 变 形胞的数 量 增多、尺寸减小 。一如果 经 强 烈冷 轧 或冷拉等 变 形， 则 伴随 纤维组织 的出
26、 现 ，其 亚结 构也将由大 量 细长 状 变 形胞 组 成。3. 性能的 变 化 材料在塑性 变 形 过 程中，随着内部 组织 与 结 构的 变 化，其力学、物理和化学性能均 发 生明 显 的改 变 oa. 加工硬化 金属材料 经 冷加工 变 形后， 强 度 (硬度 )显 著提高， 而塑性 则很快下降，即 产 生了加工硬化 现 象。加工硬化是金属材料的 一 项 重要特性，可被用作 强 化金 属的途径。特 别 是 对 那些不能通 过热处 理 强 化的材料如 纯 金属，以及某些合金，如奥氏体不 锈钢 等， 主要是借冷加 工 实现 强 化的。问 啊剧 国BnunHAU- z a- t 电t a-
27、-. ， a T-E- i 由切 应变图 5.19 单 晶体的切 应 力 -切 应变 曲 线 显 示塑性 变 形的三个 阶 段11阶 段一一 线 性硬化 阶 段 :金属 单 晶体的典型 应 力一 应 变 曲 线(也称加工硬化曲 线 ) ， 其塑性 变 形部分是由三个 阶 段所 组 成 ( 图 5.19):I阶 段一 一 易滑移 阶 段 :当 三 c后， 应 力增加不多， 便能 产 生相当大的 变 形。此 段接近于直 线 ，其斜率 。 I (或 )即加工硬化率低，一般 I为 10-4G 数 量 级 (G为 材料的切 变 模 量 ) 。随着 应变 量增加， 应 力 线 性增 长 ，此段也呈直 线
28、，且斜率 较 大，加工硬化十分 显 著 ， 9II G/300，近乎常 数 。111阶 段一一抛物 线 型硬化 阶 段 :随 应变 增加， 应 力上升 缓 慢，呈抛物 线 型， 9111逐 渐 下降 O图 5.20 回心立 方 (Cu)hh迦军切 应变多晶体的塑性 变 形由于晶界的 阻碍作用和晶粒之 间 的 协调 配合要 求，各晶粒不可能以 单 一 滑移系 动 作而必然有多 组滑移系同 时 作用， 因此多晶体的 应 力 一 应变 曲 线 不会 出 现单 晶曲 线 的 第 l阶 段，而且其硬 化曲 线 通 常更陡 ( 图 5.21) 。三 种 典 型晶体 结 构金属 单 晶体的硬化曲 线 ( 图
29、 5.20 ) :面 心 立 方 和体 心 立方晶体 显示 出典型 的 三 阶 段，至于密排六 方金属 单 晶体的第 I阶 段通常很 长 ， 远远 超 过 其他 结 构的晶体， 以致于第 II阶段 还 未充分 发 展 时 试样 就已 经 断裂了。300 多晶体 (0- 012mm)单 品体。 104呻 t主 Il.t图 5.21 多晶体与 单 晶体塑性 变 形 对 比勿同哩寺 Z叫 。 “.-.干 多品悴图 5.22!时 ，199 99% )21)i申民 /呀，3D 40其硬化曲 线 通常更陡， 细 晶粒多晶体在 变 形开始 阶 段尤 为 明 显(图 5.22)塑性 变 形 过 程中位 错 密
30、度的增加及其所 产 生的 钉 扎作 用是 导 致加工硬化的决定性因素。b. 其他性能的 变 化经 塑性 变 形后的金属材料，由于点 阵 畸 变 ，空位和位 错 等 结 构缺陷的增加，使其物理性能和化学性能也 发 生一定 的 变 化。如塑性 变 形通常可使金属的 电 阻率增高，增加的程 度与形 变 量成正比。另外，塑性 变形后，金属的 电 阻温度系 数下降，磁 导 率下降， 热导 率也有所降低， 铁磁材料的磁滞 损 耗及 矫顽 力增大。由于塑性 变 形使得金属中的 结 构缺陷增多，自由焰升高， 因而 导 致金属中的 扩 散 过 程加速，金属的化学活性增大，腐 蚀 速度加快。4. 形 变织 构在塑
31、性 变 形中，随着形 变 程度的增加，各个晶粒的滑 移面和滑移方向都要向主形 变 方向 转动 ，逐 渐 使多晶体中 原来取向互不相同的各个晶粒在空 间 取向上呈 现 一 定程度 的 规 律性， 这 一 现 象称 为择优 取向， 这 种 组织 状 态则 称 为 形 变织 构。形 变织 构随加工 变 形方式不同主要有两种 类 型 :拔 丝 时 形成的织 构称 为丝织 构，其主要特征 为 各晶粒的某 一 晶 向大致与拔 丝 方向相平行 ;轧 板 时 形成的 织 构称 为 板 织 构， 其主要特征 为 各晶粒的某 一晶面和晶向分 别趋 于同 轧 面与 轧 向相平行。5. 残余 应 力塑性 变 形中外力
32、所作的功除大部分 转 化 成 热 之外， 还 有一小部分以畸 变 能的形式 储 存在形 变 材料内部。 这 部分能量叫做 储 存能。 储 存能的具体表 现 方式 为 :宏 观 残 余 应 力、微 观 残余 应 力及点阵 畸 变 。按照 残余 应 力平衡范 围 的不同，通常可将其分为 三 种 :(1) 第一 类 内 应 力 又称宏 观 残余 应 力，它是由工件不同部分 的宏 观变 形不均匀性引起的，故其 应 力平衡范 围 包括整个工件。例如， 图 5.23和 图5.24 中将金属棒施以弯曲 载 荷， 则 上 边 受 拉而伸 长 ，下 边 受到 压缩 ;变 形超 过弹 性 极限 产 生了塑性 变
33、形 时， 则 外力去除后被 伸 长 的 一 边 就存在 压应 力，短 边为张应 力。 这类 残余 应 力所 对应 的畸 变 能不大， 仅 占 总储 存能 的 0.1% 左右。国 5.23 金属棒弯曲 变 形后的残留 应 力- - 四 .-. 圃， - +图 5.24 金属拉 丝 后的残留 应 力(2) 第二 类 内 应 力.又称微 观 残余 应 力，它是由晶粒或 亚 晶粒 之 间 的变 形不均匀性 产 生的。其作用范 围 与晶粒尺寸相当，即在晶粒或 亚 晶粒之 间 保持平衡。 这 种内 应 力有时 可达到很大的 数 值 ，甚至可能造成 显 微裂 纹 并导 致工件 破坏。(3)第三 类 内 应
34、力 又称点 阵 畸 变 。其作用范 围 是几十至几百 纳 米， 它是由于工件在塑性 变 形中形成的大量点 阵 缺陷 (如空位、 问 隙原子、位 错 等 )引起的。 变 形金 属中 储 存能的 绝 大部分 (80%-90% )用于形成点 阵 畸 变 。 这 部分能量提高了 变 形晶体的能量，使 之 处 于 热 力学不 稳 定状 态 ，故它有 一 种使 变 形金 属重新恢复到自由大含最低的 稳 定 结 构状 态 的自 发 趋势 ，并 导 致塑性 变 形金属在加 热时 的回复及再 结 晶 过 程。5.3 回复和再 结 晶经 塑性 变 形的材料具有白 发 恢复到 变 形前 低自由能状 态 的 趋势 。
35、当冷 变 形金属加 热时 会 发 生回复、再 结 晶和晶粒 长 大等 过 程。了 解 这 些 过 程的 发 生和 发 展 规 律，对 于改善和 控制金属材料的 组织 和性能具有重要的意 义 。5.3.1 冷 变 形金属在加 热时 的 组织 与性能 变 化冷 变 形后材料 经 重新加 热进 行退火之后， 其 组织 和性能会 发 生 变 化。 观 察在不同加 热 温 度下 变 化的特点可将退火 过 程分 为 回复、再 结 晶和晶粒 长 大 三 个 阶 段 ( 图 5.25)。回复是指新 的无畸 变 晶粒出 现 之前所 产 生的 亚结 构和性能 变 化的 阶 段 ;再 结 晶是指出 现 无畸 变 的
36、等 轴 新 晶粒逐步取代 变 形晶粒的 过 程 ;晶粒 长 大是指再 结 晶 结 束之后晶粒的 继续长 大。 固复 十辑结 属 f 矗位最大 ，“ t，t% 13s 雹 4宫 2 事加 热 温度或保温 时间图 5.25 冷 变 形金属退火 时 晶粒形状大小的 变 化由 图 5.25和 图 5.26可 见 ，在回复 阶 段，由于不 发 生大角度晶界的迁移，品粒的形状和大小与 变 形 态 的相同，仍保持着 纤维 状或扁平状，从光学 显 微 组织 上几乎看不出变 化。在再 结 晶 阶 段，首 先是在畸 变 度大的区域 产 生新的无畸 变 晶粒的核心，然后逐 渐 消耗周 围 的 变 形基体而 长 大，
37、 直 到 形 变组织 完 全改 组为 新的、无畸 变 的 细 等 轴 晶粒 为 止。最后，在晶界表面能的 驱动 下，新晶粒互 相吞食而 长 大，从而得到 一 个在 该 条件下 较为稳 定的尺寸，称 为 晶粒 长 大 阶 段。(a) (b)(c)图 5.26 显 微 组织变 化 (示意 图 )冷 变 形金属在退火 过 程中的性能和能量 变 化。(1) 强 度与硬度 :回复 阶 段的硬度 变 化很小， 约 占 总变化 的 1/5， 丽 再 结 晶 阶 段 则 下降 较 多。可 以推断， 强 度具有与硬度相似的 变 化 规 律。上述 情况主要与金属中的位 错机制有关，即回复 阶 段 时 ， 变 形金
38、属仍保持很高的位 错 密度，而 发 生再 结 晶后， 则 由于位 错 密度 显 著降低，故 强 度与硬 度明 显 下降。(2) 电 阻 :变 形金属的 电 阻在回复 阶 段己表 现明 显 的下降 趋势 。因 为电 阻率与晶体点 阵 中的 点缺陷 (如空位、 间 隙原子等 )密切相关。点 缺陷所引起的点 阵 畸 变 会使 传导电 子 产 生散射， 提高 电 阻率。它的散射作用比位 错 所引起的更 为 强 烈。因此，在回复 阶 段 电 阻率的明 显 下降 就标 志着在此 阶 段点缺陷 浓 度有明 显 的减小。(3)内 应 力 :在回复 阶 段，大部或全部 的宏 观内 应 力可以消除，而微 观 内
39、应 力 则 只有通 过 再 结晶方可全部消除。(4) 亚 晶粒尺寸 :在回复的前期， 亚 晶粒 尺寸 变化不大，但在后期，尤其在接近再 结 晶 时 ， 亚 晶粒尺寸就 显 著增大。(5) 密度 :变 形金属的密度在再 结 晶 阶 段 发 生急 剧 增高， 显 然除与前期点缺陷数目减小有关 外，主要是在再 结 晶 阶 段中位 错 密度 显 著降低 所致。(6) 储 能的 释 放 :当冷 变 形金属加 热 到足以引 起 应 力松弛的温度 时 ， 储 能就被 释 放出来。回 复 阶 段 时 各材料释 放的 储 存能量均 较 小，再 结 晶晶粒出 现 的温度 对应 于储 能 释 放曲 线 的高峰 处
40、( 图 5.27)。上述介 绍 的性能 变 化情况 见 图 5.28 0再 A结a霄结再撞Sc，f I A:纯 金属B: 不 纯的金属C:A口 一 合 -Bi八蝠I瑶 摞 / I I温度图 5.27 变 形金属加 热时储 能的 释 放回复Fl| |硬度临 件坦坦拭N问剧也树干二温度图 5.28 变 形金属加 热时 性能的 变 化5.3.2 回复1. 回复 动 力 学 (图 5.29)回复是冷 变 形金属在退火 时发 生 组织 性能 变 化 的早期 阶段。回复特征通常可 用 -级 反 应 方程来表达 :dx一一 - = -cxdt式中， t为 恒温下的加 热时间 ; x为 冷 变 形 导致的性能
41、增量 经 加 热 后的残留分数 ; 和温度有关的比例常数 .c为 与材料c1直与温度的关系具有典型的 热 激活 过 程的特点，可由著名的阿累尼 乌 斯 方程来描述 :_Qjc=cog lE(Arrhenius)式中， Q为 激活能 ;R为 气体常数 ;T为绝对 温度 ; Co为 比例常数。回复方程式 :lnt=A+ 一二RT式中， A 为 常数。 作 lntl/T 图 ，如 为 直 线 ， 则由 直 线 斜率可求得回复 过 程的激活能。E国司 变电 量自 oE喘 0， 画自时间 /图 5.29 经 拉伸 变 形的 纯铁 在不同温度下加 热时 ， 屈服 强度的回复 动 力学回复 动 力学特点 :
42、(1) 回复 过 程没有孕育期，随着退火的开始 进 行， 发 生 软 化。(2) 在一定温度下，初期的回复速率很大，以后 逐 渐变 慢，直到最后回复速率 为 零。(3) 每 一 温度的回复程度有一极限 值 ，返火温度 越高， 这个极限 值 也越高，而达到此极限所需 时 间则 越短(4) 回复不能使金属性能恢复到冷 变 形前的水平。例 5.1 回复 动 力学方程例 :己知辞 单 晶的回复激活能 Q=20000cal/mol ， 在 OOC 回复到 残 留 75%的加工硬化 需 5min， 请问 在 270C 和 -500C 回复到同 样 程度需多 长时间 ?解 : fl=5e200叮 1性 古
43、)=0.185Crnin)2000070% )的金 属或合金，在 lh内能 够 完成再 结 晶的 ( 再 结 晶体 积 分数 95%) 最低温度。高 纯 金属 :T再 = (0.25-0.35)Tm 02经验 公式 斗 工 业纯 金属 :T再 =(0.35-0剧 Tmo合金 :T再 = (0.4-0.9)Tm 0注 :再 结 晶退火温度 一 般比上述温度高 1002000C 。3 影响因素变 形量越大， 驱动 力越大，再 结 晶温度越低 ; 纯 度越高，再 结 晶温度越低 ;加 热 速度太低或太高，再 结 晶温度提高。4、影响再 结 晶的因素1) 退火温度。温度越高，再 结 晶速度越大。2)
44、变 形量。 变 形量越大，再 结 晶温度越低 ;随 变 形量增大，再 结 晶温度 趋 于 稳 定 ;变 形量低 于一定 值 ，再 结 晶不能 进 行。如 原始晶粒尺寸。晶粒越小， 驱动 力越大 ;晶 界越多，有利于形核。4) 微量溶 质 元素。阻碍位 错 和晶界的运 动 ，不 利于再结 晶。5) 第 二 分散相 :间 距和直径都 较 大 时 ，提高畸变 能，并可作 为 形核核心，促 进 再 结 晶 ;直径 和 间 距很小时 ，提高畸 变 能，但阻碍晶界迁移， 阻碍再 结 晶。5、 再 结 晶晶粒大小的控制 (晶粒大小一 变 形量关系 图 )1) 变 形量 (图 ) 存在 临 界 变 形量，生
45、产 中 应 避 免 临 界变 形量。2) 原始晶粒尺寸 晶粒越小， 驱动 力越大，形核位置越多，使晶粒 细 化。3) 合金元素和 杂质 增加 储 存能，阻碍晶界移 动 ，有利于晶粒 细 化。4) 温度 变 形温度越高，回复程度越大， 储 存能减 小，晶粒粗化 ;退火温度越高， 临 界 变 形度越小，晶粒粗大。6 再 结 晶的 应 用恢复 变 形能力 改善显 微 组织 消除各向异性 提高 组织稳 定性再 结 晶返火再 结 晶温度 :T再 +100 2000C 。5.3.4 晶粒 长 大再 结 晶 结 束后，材料通常得到 细 小等 轴 晶 粒，若继续 提高加 热 温度或延 长 加 热时间 ，将 引
46、起晶粒 进 一步 长 大。对 晶粒 长 大而言，晶界移 动 的 驱动 力通常 来自 总的界面能的降低。晶粒 长 大按其特点可 分 为 两 类 :正常晶粒 长 大与异常晶粒 长 大 (二 次再 结晶人前者表 现为 大多数晶粒几乎同 时 逐 渐 均匀 长 大 ;而后者 则为 少数晶粒突 发 性的不 均匀 长 大。1. 晶粒的正常 长 大1) 正常 长 大 :再 结 晶后的晶粒均匀 连续 的 长 大 02) 驱动 力 :界面能差。界面能越大，由率半径 越小， 驱动力越大。(长 大方向是指向曲率中心，而再 结 晶晶核的 长 大 方向相反.)3) 晶粒的 稳 定形状.晶界 趋 于平直 ; 晶界 夹 角
47、趋 于 1200C;.二 维 坐 标 中晶粒 边 数趋 于 6.( 图 5.36) I 图 W 晶拉 长 大 时 晶界移 动 方向4 影响晶粒 长 大的因素(1)温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。(2)分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒 长 大速 率。一般有晶粒 稳 定尺寸 d和第二相 质 点半径 队 体 积 分 数 的关系:d=4r/3(3)杂质 与合金元素。 “气 团 作 “钉 扎晶界，不利于 晶界移 动。(4) 晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度 晶界，因而前者的移 动 速率低于后者。2 晶粒的异常 长 大钉 扎晶界的第二相溶于基体 . 再 结 晶 织 构中位向一致晶粒的合并 . 大晶粒吞并小晶粒 .1.机制各向异性 织 构明 显优 化磁 导率 晶粒大小不均 性能不均2. 对组织 和性能的影响降低 强 度和塑 韧 性晶粒粗大 提高表面粗糙度3 再 结 晶退火的 组织1) 再 结 晶 图 。退火温度、 变 形量与晶粒大小的关 系 图 。2) 再 结 晶 织 构 :再 结 晶退火后形成的 织 构。退火 可将形变织 构消除，也可形成新 织 构。择优 形核 (沿 袭 形 变织 构 ) 择优 生 长 (特殊位向的再 结 晶晶核快速 长 大 )3) 返火 孪 晶 :再 结 晶返火后出 现 的 孪 晶。是由于 再
