金属塑性变形和再结晶
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第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，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。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶一、实验目的：1、了解显微镜下滑移线、变形孪晶和退火孪晶特征。
2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。
3、讨论冷加工变形对再结晶晶粒大小的影响。
二、实验内容：1、观察工业纯铁冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶，黄铜或纯铜的退火孪晶。
2、观察工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的显微组织。
3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小。
三、实验内容讨论：1、显微镜下的滑移线与变形孪晶：当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。
我们之所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所致。
滑移线的形状取决于晶体结构和位错运动，有直线形的，有波浪形的，有平行的，有互相交叉的，显示了滑移方式的不同。
变形量越大，滑移线愈多、愈密。
在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以进行滑移变形。
孪晶可以看成是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。
由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下，孪晶区是一条较浅或较深的带。
在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。
除变形孪晶外，有些金属如黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。
滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。
如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。
制备孪晶试样时，是先经塑性变形，然后再抛光腐蚀，可见：（1）对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到，而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看见。
（2）滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。
滑移线和磨痕的区别在于前者是不会穿过晶界的。
2、冷变形后金属的显微组织和机械性能冷加工变形后，晶粒的大小、形状及分布都会发生改变。
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 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 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢加工硬化是强化金属的重要手段之一。
对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
金属的塑性变形与再结晶
56
➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
57
热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
58
√
59
带状组织
➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
42
➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
43
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
驱动力：晶界能的降低。
47
48
49
小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
5
➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
57
热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
58
√
59
带状组织
➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
42
➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
43
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
驱动力：晶界能的降低。
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小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
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金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，
必有力求恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进 行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复 过程的进行。 加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
金属的塑性变形与再结晶
实验六 金属的塑性变形与再结晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals ）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1． 观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征；2． 了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3． 讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1． 显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。
所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
金属的塑性变形与再结晶
相反，原来硬取向旳滑移系，将逐渐趋于软位向， 易于滑移，称为“取向软化”。
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
金属的塑性变形与再结晶返回
按这种位错运动机制来实现滑移的理论，计算出的临界切应力值与实测值相符。位错运动 引起的滑移是造成晶体宏观塑性变形的主要微观机制。
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
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。 可是若对变形金属加热、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。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
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。 可是若对变形金属加热、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。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
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冷变形金属在加热时的组织和性能变化
（示意图）
回复阶段，形貌基本不变
回复机理
低温回复（ 低温回复 （0.1－0.3 Tm） Tm） 移至晶界、位错处 移至晶界、 空位 ＋ 间隙原子消失 间隙原 消失、缺陷密度降低 间隙原子消失、 空位聚集（ 空位聚集 （空位群 空位群、 、对）
点缺陷运动 点缺陷 动
对力学性能的影响（加工硬化）
强化金属的重要途径； 提高材料使用安全性； 材料加工成型的保证。 材料加工成型的保证。 变形阻力提高， 变形阻力提高 ，动力消耗增大； 脆断危险性提高。 脆断危险性提高 。
利 利弊 弊
1200 1000 800 600 400 200 0 硬度（HBS） 抗拉强度（Mpa) 变形前 变形后
F Fe
{0001}×1
×3
3
Mg,Zn,Ti
{1010} {1011}
<1120>
3 6
Mg,Zr,Ti Mg,Ti
例子
（FCC）
12个棱边
例子
位错滑移 滑移系 位错滑移、滑移系
体心立方、面心立方、密排六方的滑移系统 滑移系越多，越容易塑性变形。
单晶中的滑移
位错-塑性变形
（edge d di dislocation l i ）
位错滑移、滑移系 位错滑移 滑移系
晶体结构 面心立方 滑移面 {111}×4 滑移方向 <110>×3
（Page g 18）
滑移系数目 12
常见金属 C Al Ni A Cu,Al,Ni,Au
2*2*2/2
体心立方 {121}×12
2*2-1
<111> ×1
12
12 Fe,W
{123}×24
×1
24
由低温到高温回复，类 似塑性变形回放（小品）
再结晶
通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所 降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组 织仍处于不稳定的状态。 当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力， 使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶 粒 和变形前的晶粒形状相似 晶格类型相同 把这 阶段 粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段 称为“ 称为 “再结晶” 再结晶”。 冷变形金属被加热到适当温度时 在变形组织内部新的无 冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无 畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全 消除的过程。
例子 板材力学性能测量
40% 75%
（铜板延伸率）
40%
制 耳
（不同方向上延伸率（塑性）不同、织构的各向异性）
织构的应用
变压器里的硅钢片 <100>方向为易磁化方向： 故尽量<100>平行于磁场。 平行于磁场
残余应力
（以尺度划分）
残余应力（约占变形功的10％，其它变成了热） 第 类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物 第一类残余应力（ ） 宏观内应力 由整个物 体变形不均匀引起。 第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80 80-90%。 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 弊 引起变形 开裂 如黄铜弹壳的腐蚀开裂 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 消除：去应力退火，消除或降低内应力。
锌（Zn）的拉伸曲线 （性能比较）
抗拉强度 延伸率（塑性）
晶粒直径对屈服强度的影响（高强度）
平均晶粒直径 为常数。 Cu—Zn 合金
晶粒直径对屈服强度的影响（高塑性）
晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 晶粒越多， 导致的开裂机会减少， 导致的开裂机会减少 ，可承受更大的变 形量， 形量 ，表现出 表现出高塑性 高塑性。 。
Silicon （硅）
不锈钢
位错密度：退火 变形后
对于无（极少）位错的材料 对于无 极少 位错的材料
（晶须）
相差在一个量级内
滑移
（slip）
常温下塑性变形的主要方式：滑移、 常温下塑性变形的主要方式：滑移 、孪生、 孪生、扭折。 扭折。 一 滑移 1 滑移：在切应力作用下 滑移 在切应力作用 ，晶体的一部分相对于另 滑移：在切应力作用下， 晶体的 部分相对于另 一部分沿着一定的晶面（ 一部分沿着一定的晶面 （滑移面 滑移面） ）和晶向（ 和晶向（滑移方向） 滑移方向） 产生相对位移， 产生相对位移 ，且不破坏晶体内部原子排列规律性的 塑变方式。 塑变方式 。 光镜下：滑移带（ 光镜下：滑移带 （无重现性 无重现性） ）。 2 滑移的表象学 电境下：滑移线。 电境下：滑移线 。
回复
（recovery）
再结晶
回复、再结晶（铜）
冷作硬化 再结晶最开始 阶段
再结晶晶粒 局部取代冷 作硬化后的 晶粒
再结晶完成 细晶
稀土铝箔冷轧和再结晶退火后的组织
再结晶温度 再结晶 度
1 再结晶温度：经严重冷变形（ 再结晶温度：经严重冷变形 （ 变形量 变形量> >70% 70% ） 的金属或合 金，在 1hr 内能够完成再结晶的 内能够完成再结晶的（ （再结晶体积分数 再结晶体积分数> >95 95% %） 最低温度。 最低温度 。 高纯金属：T 高纯金属： T再＝(0.25 - 0.35)Tm 35)Tm 2 经验公式 工业纯金属： 工业纯金属 ：T再＝(0.35 - 0.45 45)Tm )Tm 合金： 合金 ：T再＝(0.4 - 0.9)Tm 一般 T再＝ 0.45 Tm 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100 注：再结晶退火温度一般比上述温度高 注 再结晶退火温度 般 述温度高100～ ～200 200℃ ℃。 杂质 、 第 杂质、 第二相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移， 第二相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移 相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移 ， 故可显著 相等常会阻碍原子扩散或晶界迁移， 提升再结晶温度。 提升再结晶温度 。
冷变形金属在加热时的组织和性能变化
回复阶段 再结晶 晶粒长大
回复阶段性能变化
力学性能（示意图 力学性能（ 示意图） ） 强度、 强度 、硬度略有下降， 硬度略有下降，塑性略有提高 塑性略有提高。 。 大部分或全部消除第一类内应力， 大部分或全部消除第一类内应力 力，部分消第二 部分消第二、 、三类内应力； 力 物理性能 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。 电阻：电阻在回复阶段可明显下降 。 耐蚀性：由于内应力降低， 耐蚀性：由于内应力降低 ，耐应力腐蚀性提高 耐应力腐蚀性提高。 。
位错发生、塞集、缠结
加工硬化
加工硬化的原因
（物理原因）
晶粒破碎 缺陷（位错） 晶粒破碎、缺陷（位错）
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
（大变形量70 （大变形量 70-90% 7090%；晶粒破碎并沿拉伸方向转动） ；晶粒破碎并沿拉伸方向转动） 晶粒破碎并沿拉伸方向转动）
形变织构示意图（textile il ）
回复机理
中温回复 （0.3－0.5 Tm） Tm） 异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列、 位错缠结重新排列、位错密度降低 亚晶粒长大
位错滑移
回复机理
高温回复（ 高温回复 （> 0.5 Tm Tm） ） 位错攀移（＋ 滑移 位错攀移（ 滑移） ） 多边化（ 多边化 （亚晶粒） 亚晶粒） 位错垂直排列 位错垂直排列（ （亚晶界 亚晶界） ） 弹性畸变能降低 弹性畸变能降低。 。
常见例子（拉拔） 拉拔）
常见例子（正挤压）
晶界和晶粒位向的影响（多晶体）
两晶粒实验，晶界部 分不易变形。
晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶 格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因此多晶体金属 的变形抗力总是高于单晶体 。 金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高 ，而且塑性与韧性 也较高 。
位错滑移、滑移系
滑移一般沿晶体中原子密度最大的晶面、 晶向发生（密排面---面间距） 一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移 系。 系。
滑移系的个数:
(滑移面个数） 滑移面个数）× ×（每个面上所具有的滑移方向的个数
滑移的晶体学
滑移的晶体学 滑移面 （密排面） 密排面） （1）几何要素 滑移方向 （密排方向 密排方向） ）
受力（剪应力）
位错移动方向
rug、caterpillar analogy
位错-塑性变形
（screw dislocation）
受力 剪应力 受力（剪应力）
位错移动方向
最终(塑性)变形
例子
（温度影响）
（位错的运动 实际上是原子的运动） （位错的运动、实际上是原子的运动）
作间隙原子、填充空位
和左侧刚好相反
晶粒越细， 晶粒越细 ，塑韧性提高
细晶粒材料中，应力集中小 细晶粒材料中， 应力集中小， ，裂纹不易 萌生；晶界多， 萌生；晶界多 ，裂纹不易传播， 裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量, 过程中可吸收较多能量 ,表现出 表现出高韧性 高韧性。 高韧性。
例子
（纳米铜，LuKe，Science）
塑性变形 性变形
(review) ( )
•
应力
• 应变 • 应力 -- 应变曲线 • 弹性段 • 屈服、屈服强度 屈服 屈服强度 • 强化 • 抗拉强度 • 塑性（伸长率、断面收缩率） 收缩
金属单晶体塑性变形 属单晶体 性变形
(review) ( )
应力可以分解为 应力可以分解为：
一个正应力( ) 一个切应力() 正应力 -> 伸长、断裂 切应力 -> 滑移变形
金属的塑性变 金属的塑性变形和再结晶 再结晶
（plastic deformation and rere-crystalization） （3学时）