实验七 材料的塑性变形和再结晶
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塑性变形金属的回复与再结晶
图 3.刃形位错的攀移和滑移示意图
图 4.多变形化前、后刃形位错的排列状况
1.3 回复后金属性能的变化
金属的电阻率是点缺陷敏感的一种物理性能， 塑性变形使空位增加而导致金 属电阻率增大；低温回复使空位消失，电阻减小，达到接近冷变形前的状态。力 学能是对点缺陷不敏感的性能，故低温回复之后力学性能不发生较大改变。 中温回复时，第一类应力消除，使金属构件尺寸稳定；第二类应力基本上消 除了， 抗应力腐蚀有明显提高甚至恢复到冷变形前的状态，所以许多金属材料如 黄铜加工产品在出厂之前要经过消除应力退火， 防止以后放置或使用时造成晶界 应力腐蚀开裂。由于位错数量的减少并不显著，故力学性能基本上不发生变化。 高温回复时， 除了上述的物理和化学性能得到完全的回复外，由于多边形化 的形成，力学性能稍有变化，强度有所降低和塑性有少量改善。某些金属材料出 厂前，进行较高温度的消除应力退火，除了提高耐腐蚀性之外，在消除应力、尺 寸稳定的前提下，保留变形硬化效果，也是退火的目的之一。如用冷拉钢丝卷成 弹簧，在成形之后，要在 250-300℃进行退火以消除低内应力并使之定形，而强 度和硬度又基本上保持不变。
1.2 回复机理
回复过程可以分为低温、中温和高温三个阶段。
在低温回复过程中，主要表现为空位的消失。冷变形所产生的大量空位，受 热后发生空位迁移， 使空位迁移到金属的自由表面或界面，或使空位与间隙原子 重新结合；空位与位错发生交互作用；空位聚集成空位片等。这些因素都会使空 位数量急剧减少，因而便与点缺陷敏感的电阻率发生不同程度的下降。 中温回复的过程表现为位错的滑移，导致位错重新结合，异号位错的汇聚而 抵消以及亚晶的长大。 在冷塑性变形过程中，位错的不断增殖和塞积，大量位错的相互交互缠结而 形成发团， 井将晶粒分割成若干个细小的胞状结构。胞壁上纠缠着大量位错且有 一定的厚度。在中温回复时，温度升高，使位错容易滑移，同一滑移面上的异号 位错相遇会相互吸引而抵消， 不但使亚晶内部的位错数目减少，而且胞壁缠结位 错的减少更为显著，重新调整排列规则，胞壁也变得明晰，形成回复亚晶。 高温回复的过程是位错的进一步滑移并产生攀移，形成位错墙，发生多边形 化的过程。 同一滑移面上的异号位错已在中温回复时相互抵消而只留下同号位错， 但其 分布排列并不均匀， 且多层相互平行的滑移面上的位错数目并不相同。在高温回 复阶段，位错运动的动力学条件充分，不但容易发生滑移并能够进行攀移，由于 攀移的结果使多层滑移面上的位错密度趋于相同， 各位错之间的作用力又使同一 滑移面上的位错分布均匀， 间距大体相等，并且使各层滑移面上的位错在与滑移 面垂直的方向上形成规则排列的位错墙，称为多边形化，如图 3 和图 4 所示。多 边形化构成的位错墙即是小角度晶界，它将原晶粒分隔成若干个亚晶粒。
金属材料的塑性变形与再结晶
4、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生的原因？
5、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？
6、用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后要进行何种退火处理?为什么? 72、021把/4/9铅锭在室温下经过多次轧制成薄板，是否需要中间退火？为何？ 34
3、断裂：
应力继续增大，发生颈缩后断裂， 抗拉强度b，断口形貌
2021/4/9
2
韧性断口
2021/4/9
脆性断口
3
一、单晶体的塑性变形
主要通过滑移和孪生两种方式
切 应 力 作 用 下 的 变 形
2021/4/9
单晶体
多晶体
锌 单
1、滑移
晶
在切应力作用下晶体的一部分相对于另
拉
伸
一部分沿着一定晶面和晶向发生相对移
低于再结晶温度的加工称为冷加工，高于再结晶温度的加工称为热加工。 2、Fe 的再结晶温度为450℃，其在400℃ 以下的加工仍为冷加工。
W的再结晶温度为1200℃，则其在1000℃的加工为冷加工。 Sn 的再结晶温度为0℃，则其在室温下的加工为热加工。
3、热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵 消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
2021/4/9
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉 、心、肺、肾等多脏器严重损害 的，全身性疾病，而且不少患者 同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表 现如下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
700℃加热10分钟后晶粒粗大
27
再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒，如果继 续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就会通过晶界的 迁移、大晶粒吞并小晶粒而长大。
材料的塑性变形-回复与再结晶
2.3 塑性变形的力学性能指标
22:11
19
• 复习 ： • 一 、塑变对金属组织的影响
塑变后组织变化： 纤维组织、位错胞、织构。
22:11
20
2.2.1 塑性变形对材料性能的影响
☺（一）加工硬化 ☺（二）残余内应力 ☺（三）储存能
（四） 对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。
三、多晶陶瓷的塑性变形特点
四、非晶体陶瓷的塑性变形
2.1.3 高分子材料的塑性变形机理
一、线性非晶态高分子材料的塑性变形
Plastic deformation of Linear amorphous polymers 二、结晶态高聚物的塑性变形
Plastic deformation of Crystalline polymers
1）第二类内应力：
✓晶粒变形不均匀，
晶粒内或晶粒之间， （软取向和硬取向）。
✓ 引起
应力腐蚀开裂：
22:11
30
2.2.1塑性变形对材料性能的影响
2）第三类内应力：
✓ 晶格畸变应力
(位错、空位等引起)， 占残余内应力的80%-90%。
✓ ??三类内应力---
对加工硬化的作用大小？
✓ 第三类内应力是产生
(1)形变量越大； (2)变形温度越低，形变速度越大； (3)应力状态越复杂，
→储存能越大。
22:11
33
2.2.1塑性变形对材料性能的影响
问题：如何----？ ➢降低残余拉应力? ➢消除加工硬化？ ➢降低储存能?
→减少点阵缺陷？
激活高能量的金属
☺提供能量： ☺加热，热能！
22:11
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• 复习 ： • 一 、塑变对金属组织的影响
塑变后组织变化： 纤维组织、位错胞、织构。
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2.2.1 塑性变形对材料性能的影响
☺（一）加工硬化 ☺（二）残余内应力 ☺（三）储存能
（四） 对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。
三、多晶陶瓷的塑性变形特点
四、非晶体陶瓷的塑性变形
2.1.3 高分子材料的塑性变形机理
一、线性非晶态高分子材料的塑性变形
Plastic deformation of Linear amorphous polymers 二、结晶态高聚物的塑性变形
Plastic deformation of Crystalline polymers
1）第二类内应力：
✓晶粒变形不均匀，
晶粒内或晶粒之间， （软取向和硬取向）。
✓ 引起
应力腐蚀开裂：
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2.2.1塑性变形对材料性能的影响
2）第三类内应力：
✓ 晶格畸变应力
(位错、空位等引起)， 占残余内应力的80%-90%。
✓ ??三类内应力---
对加工硬化的作用大小？
✓ 第三类内应力是产生
(1)形变量越大； (2)变形温度越低，形变速度越大； (3)应力状态越复杂，
→储存能越大。
22:11
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2.2.1塑性变形对材料性能的影响
问题：如何----？ ➢降低残余拉应力? ➢消除加工硬化？ ➢降低储存能?
→减少点阵缺陷？
激活高能量的金属
☺提供能量： ☺加热，热能！
金属的塑性变形与再结晶(3)
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切 应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐步移动， 当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上 半部就相对于下半部移动了一个原子间距，形成 一个原子间距的滑移量。
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
《金属材料与热处理》综合训练知识点训练解答模块7金属的塑性变形与再结晶
模块七金属的塑性变形与再结晶（P155）一、名词解释滑移，加工硬化，纤维组织，变形织构，回复，再结晶，热变形加工，冷变形加工，带状组织。
答：滑移：是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（即滑移面）发生相对的滑动。
加工硬化：塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。
纤维组织：金属发生塑性变形时，随着变形程度的增加，晶粒外形被拉长而形成的组织状态。
变形织构：由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫作变形织构。
回复：冷塑性变形金属加热时，当加热温度较低时，原子活动能力较弱，只能回复到平衡位臵，冷变形金属的显微组织没有明显变化，力学性能变化也不大;但残留应力显著降低，其物理和化学性能也基本恢复到变形前状态，称这一阶段为回复或恢复。
再结晶：冷塑性变形金属加热时，当加热温度较高时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，破碎的、被拉长或被压扁的晶粒变成均匀、细小的等轴晶粒，这一变化过程也是通过形核和晶核长大方式进行的，故称为再结晶。
再结晶后金属的强度、硬度显著下降，塑性、韧性明显提高，冷变形强化得以消除。
热变形加工：在再结晶温度以上进行的变形加工称为热变形加工;冷变形加工：在再结晶温度以下进行的变形加工称为冷变形加工。
带状组织：在经过热变形加工的亚共析钢的显微组织中，出现铁素体与珠光体呈条带状沿金属的热变形方向大致平行、交替排列分布的组织。
因为热变形时夹杂物排列成纤维状，缓慢冷却后，铁素体首先在夹杂物的周围析出而排列成行，珠光体随之析出，形成带状组织二、填空题1.常温下，金属单晶体的塑性变形方式为滑移和孪生。
2.再结晶温度是指能够进行再结晶的最低温度，其数值与熔点间的大致关系为T再≈（0.35～0.40）T 。
3.在金属学中，冷变形加工和热变形加工的界限是以再结晶温度来划分的。
因此，Cu（熔点为1084℃）在室温下的变形加工称为冷加工，Sn（熔点为232℃）在室温下的变形加工称为热加工。
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
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一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
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二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
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二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
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链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
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二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
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二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
9-材料的变形与再结晶解析
(3) 弹性变形量随材料的不同而异。
对完全各向同性材料 υ= 0.25 对金属υ值约为0.33（或1/3）
当υ=0.25时，G=0.4E； 当υ=0.33时，G=0.375E , K=E/3(1-2υ) ≈E
弹性常数4个： E，G，υ，K 只要已知E和υ，就可求出G和K ， 由于E易测，因此用的最多。
纳P—N力，其大小为：
τP-N = 2Gexp(-2пW/b)/(1-ν) τP-N与位错的宽度W 呈指数关系，滑移面间距d增大，w[=d /(1-ν)]增大， 或滑移方向上原子间距b减小，则τP-N下降，滑移阻
力小, 滑移容易进行。
刃位错的滑移示意图
刃位错的滑移模型
螺位错的滑移模型
2.孪生
根据拉伸试验研究表明，金属在外力作用下一般经历三个阶段：
弹性变形（elastic deformation） 塑性变形（plastic deformation） 断裂（fracture）
三、应力—应变曲线
原始曲线：载荷-伸长曲线 经过变换：应力-应变曲线
σp:比例极限
σe: 弹性极限
σs:屈服极限 σb: 强度极限
(1) 孪生变形过程 孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)
和一定方向(孪生方向)相对于另一部分作均匀的切变所产生的
变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。
变形与未变形的两部分晶体构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。
均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。
孪晶面（twining plane）： 孪晶方向（twining direction）：
② 每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。 如：fcc中有12个, bcc中有48个， hcp中有3个。
材料的变形和再结晶-动态
材料的变形和再结晶
热变形与动态回复、再结晶 Hot working and dynamic recovery, recrystallization
热加工 概念： 1. 工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加 工。 2. 工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加 工。 3. 变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工 称为温加工。
几个公式
虎克定律
σ=Eε τ=G 滑移的临界分切应力 τ＝ ｓｃｏｓｃｏｓ=m ｓ
派-纳力（Peierls-Nabarro）
Hall-Petch equation
s=0+kd-1/2
弥散强化关系式
聚合物合金强化关系
Gb
s 11 2 2
动态回复和动态再结晶
概念： 热加工时，由于变形温度高于再结晶温度，在变形的同时 伴随着回复、再结晶过程。 分类： 动态回复 在热变形时，即在外力和温度共同作用下发生的 动态再结晶
亚动态再结晶在热加工完毕去除外力后，已在动态再结晶时 形成的再结晶晶核及正在迁移的再结晶晶粒界 面，不必再经过任何孕育期继续长大和迁移。 在热加工完毕或中断后的冷却过程中，即在无外力 作用下发生的。
临界分切应力，施密特因子，软取向，硬取向，派-纳力 屈服现象，应变时效 固溶强化-加工硬化-弥散强化 形变织构、丝织构、板织构、残余应力、点阵畸变、带状组 织、流线 回复和再结晶、晶粒长大，二次再结晶，冷加工、热加工、 动态再结晶 储存能、多变化、回复激活能、再结晶激活能、再结晶温度 弓出形核、临界变形量、再结晶织构、退火孪晶
1பைடு நூலகம் 2. 3.
4. 5.
静态回复 静态再结晶
热变形与动态回复、再结晶 Hot working and dynamic recovery, recrystallization
热加工 概念： 1. 工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加 工。 2. 工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加 工。 3. 变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工 称为温加工。
几个公式
虎克定律
σ=Eε τ=G 滑移的临界分切应力 τ＝ ｓｃｏｓｃｏｓ=m ｓ
派-纳力（Peierls-Nabarro）
Hall-Petch equation
s=0+kd-1/2
弥散强化关系式
聚合物合金强化关系
Gb
s 11 2 2
动态回复和动态再结晶
概念： 热加工时，由于变形温度高于再结晶温度，在变形的同时 伴随着回复、再结晶过程。 分类： 动态回复 在热变形时，即在外力和温度共同作用下发生的 动态再结晶
亚动态再结晶在热加工完毕去除外力后，已在动态再结晶时 形成的再结晶晶核及正在迁移的再结晶晶粒界 面，不必再经过任何孕育期继续长大和迁移。 在热加工完毕或中断后的冷却过程中，即在无外力 作用下发生的。
临界分切应力，施密特因子，软取向，硬取向，派-纳力 屈服现象，应变时效 固溶强化-加工硬化-弥散强化 形变织构、丝织构、板织构、残余应力、点阵畸变、带状组 织、流线 回复和再结晶、晶粒长大，二次再结晶，冷加工、热加工、 动态再结晶 储存能、多变化、回复激活能、再结晶激活能、再结晶温度 弓出形核、临界变形量、再结晶织构、退火孪晶
1பைடு நூலகம் 2. 3.
4. 5.
静态回复 静态再结晶
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滑移变形具有以下特点: ①滑移在切应力作用下产生(图2)。
图 2 晶体在切应力作用下的变形
②滑移沿原子密度最大的晶面和晶 向发生。
滑移常沿晶体 中原子密度最 大的晶面和晶 向发生，因为 原子密度最大 的晶面之间间 距最大，点阵 阻力最小，原 子密度最大晶 向上原子间最 短，结合力最 弱，因此产生 滑移所需切应 力最小。
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 性能。故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
2.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形后，金属在组织和性能方面发生四个方面的变化： 1）产生纤维组织，性能由各向同性趋于各向异性。
• 变形金属在加热中一般经历三个过程： （1）回复 （2）再结晶 （3）晶粒长大
变形金属加热时组织和性能变化示意图
回复 再结晶
晶粒长大
组 织
变 内应力
化
性
能 变
强度
化
晶粒度 塑性
（1）回复
（2）再结晶
• 由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降， 塑性、韧性提高，加工硬化消失。
再结晶温度（T再）： 通常指经大变形度（70~80%）的变形后，在规定
图5a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。纯铁在低温 下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图5b所示，在 这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶
100
b 铁的变形孪晶
图5 变形孪晶光学显微形貌
100
工业纯铁压缩变形——滑移线
纯锌冲击变形——孪晶
2.多晶体的塑性变形
这种现象称择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶 粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构。
4）产生残余的内应力
残余的内应力力。 根据残余的内应力的作用范围分为三类。
2.3. 冷变形金属在加热时组织和性能的变化
• 冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组 织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。但是由于室 温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以 多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定 状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。
的时间内能完成再结晶的最低温度。
再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范 围内连续进行的过程。发生再结晶的最低温度称为再 结晶温度。
最低再结晶温度: 纯金属：T再（min）=（0.35~0.4）T熔； 合金： T再（min）=（0.5~0.7） T熔；
注：温度的单位为K；
（3）晶粒长大 当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒 之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大.
实验 金属的塑性变形和再结晶
董立新
一、实验目的
• 1）了解金属塑性变形及滑移带、变形孪晶的特征； • 2）了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响； • 3）了解经冷塑性变形金属在加热时组织与性能的
变化规律； • 4）了解变形量对再结晶后晶粒大小的影响。
二、原理概述
2.1 金属的塑性变形
金属在外力的作用下的行为： 随着应力的增加，可先后发生弹性变形、塑性变形、直至断
• 晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性 降低。
2.4 再结晶后的晶粒大小
变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、 韧性上升。
但这并不意味着与变形前完全一样，中心问题是再 结晶后的晶粒大小，所以，就必须了解决定再结晶退 火后晶粒度的因素有哪些？
影响因素有： （1）加热温度
⑵ 变形量
⑴ 加热温度的影响
裂。
• 金属材料发生塑性变形，在外力除去后，变形永久残留。 • 塑性变形是材料的一个重要的特性
塑性变形的基本方式有：滑移和孪生两种
1.单晶体的塑性变形 （1）滑移带，如图1所示。
图1 纯锌单晶体滑移变形示意图
滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶 面和晶向相对于另一部分产生滑动。所沿晶面和晶向称为滑 移面和滑移方向。
退火
15%变形 后经
550℃退
再结晶全图：变形量和加热温度对再结晶后晶粒度的影响
三、实验内容
• 观察纯铝经不同塑性变形量后再结晶的组织；
• 测定晶粒大小：
将退火状态的长约15O mm，宽约40mm，厚约 0.5～2．0mm的铝片，在小型拉伸机上拉伸。使 其变形量分别为2％、 3％、 5%、6％、 9％、 12％、15%。然后在550℃加热炉内保温40分钟， 出炉空冷至室温后浸蚀，当表面显出清晰的晶粒 时立即取出、用水冲洗并吹干。然后数出单位面 积（1cm2）内的晶粒数N，记入下表中
(2)晶界的影响
当位错运动到晶界附近时，收到 晶界的阻碍而堆积起来，称之为 位错的塞积。要使变形继续进行， 则必须增加外力，从而使金属的 变形抗力提高。
(3)晶粒大小的影响
一般地，金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。
因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越 多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属 塑性变形的抗力越高。
再结晶时，加热温度越高，原子的活动能力越强，越有 利于晶界的迁移，所以，退火后晶粒越粗大；同时，在加热 温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。
⑵ 变形量的影响：
当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变形度小， 畸变能小，不足以引起再结晶）
当变形度在2%~10%时，再结晶后的晶粒特别粗大。将此 范围的变形度称为“临界变形度”，生产上应尽量避免在 此范围内变形。
变形量％ 每平方厘米晶粒数N 晶粒大小（1/N）
2
3
5
6
9
12 15
四、材料及设备
1．材料 不同变形量的纯铝试样一套；
2．设备 拉伸试验机、电阻炉、多媒体教学设备。
五、实验报告要求
• 1．实验目的； • 2．实验原理； • 3. 根据实验结果绘出“铝片的晶粒大小—变形量”
关系曲线，并确定临界变形量。
滑移的机理
位错运动的滑移的机理
图3 位错的运动
图4 通过位错运动产生滑移的示意图
（2）孪生
孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形 方式。
孪生是指晶体的一部分沿着一定晶面和晶向相对于另一部 分所发生的切变。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体 中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见 到。因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方 式进行。
• 低碳钢在不同变形量下的组织形貌：
5%变形量，200
15%变形量， 200
20%变形量， 200
30%变形量，200
50%变形量，200
70%变形量，200
2）产生加工硬化现象
随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增
加，塑性下降的现象称为加工硬化。
3）产生变形织构
当塑性变形量很大时，各晶粒位向都大体上趋于一致了，
单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形比单 晶体复杂。
图3-5 两个晶粒试样在拉伸时的变形
(1)晶粒取向的影响
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒 发生塑性变形，为了保持金属的连续性， 周围的晶粒必以弹性变形来与之协调。 这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变 形阻力。由于这种晶粒间的这种相互约 束，使多晶体金属的塑性变形抗力提高
③滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。
滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移 线组成一个滑移带。
④滑移的同时伴随着晶体的转动。如图1(b)右 图所示。
转动有两种方式：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移 方向向最大切应力方向转动。
转动的原因：晶体滑移 后使正应力分量和切应 力分量组成了力偶。
当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，变形便越趋 于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶粒就越细小均匀。
当变形度大于90%以上时，某些金属还会出现晶粒的异常 长大。
冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）
3%变形后 经550℃退
火
6%变形后 经550℃
退火
9%变形后 经550℃退
火
12%变形 后经550℃