第5章材料形变和再结晶一
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大连理工大学 材料科学基础 第五章 回复与再结晶
粒长大后趋于缓慢。
8
B：电阻率resistivity：其大小与点阵 中的点缺陷密切相关，随温度升高， 空位浓度下降，故电阻率呈现连续 下降趋势。
C：内应力inner stress：回复之后， 宏观内应力基本消除，微观内应力 部分消除；再结晶后，冷变形造成 的内应力全部消除。
D：密度density：密度在再结晶阶段急剧增加，主要是 由于此时位错密度显著降低造成的。
4th
冷加工变形：加工硬化，可使位错数量增加， 金属的强度和硬度增加
冷加工缺点：内应力，这种残余应力在金属零 件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变 形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用， 造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率增加 等。这时金属处于一种不稳定状态。
1
体发
不生
应
锈应
• 再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶 的最低温度称再结晶温度。
31
影响再结晶温度的因素：
• 1、金属的预先变形度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度 越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值， 称最低再结晶温度。
• 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之 间的近似关系: T再≈(0.35-0.4)T熔， 其 中T再、T熔为绝对温度K.
R m r m 0
R — 屈服强度回复率
m — 变形后屈服强度 r — 回复后屈服强度 0 — 原始态的屈服强度
1.0
同一变形度的Fe在不同温度下的回复
0.8
300oC
350oC
0.6
400oC
0.4
450oC
0.2
500oC
0 100 200 300 400
材料科学基础_第五章材料的形变和再结晶
材料科学基础_第五章材料的形变和再结晶材料的形变是指材料在外力作用下发生的形状、尺寸及结构的变化。
形变可以分为弹性变形和塑性变形两种形式。
弹性变形是指物质在外力作用下只发生形状的改变，而不发生组织内部结构的改变，当外力消失时，物质能恢复到原来的形状。
塑性变形是指物质在外力作用下发生形状和内部结构的改变，当外力消失时，物质不能恢复到原来的形状。
形变过程中，材料的内部晶粒会发生滑移、动晶界和晶界迁移等变化，这些变化有助于减小材料中的位错密度，同时也能影响晶粒的尺寸、形状和分布。
当形变达到一定程度时，晶粒内部会产生高密度的位错，这会导致晶体的韧性下降，同时也容易引起晶粒的断裂和开裂。
因此，形变过程中产生的位错对材料的性能具有重要影响。
再结晶是指在材料的形变过程中，通过退火处理使晶粒重新长大，去除或减小形变过程中产生的位错和晶界等缺陷，从而改善材料的力学性能和其他性能。
再结晶的发生与材料的种类、成分、形变方式等因素有关。
再结晶可以通过两种方式实现：显微再结晶和亚显微再结晶。
显微再结晶是指晶粒在正常晶界上长大，形成新的晶粒；亚显微再结晶是指材料中的一些晶粒发生部分再结晶，形成较大的再结晶晶粒。
再结晶的发生和发展受到晶粒的尺寸、形状和分布的影响。
晶粒尺寸越小，再结晶发生越容易，且再结晶晶粒的尺寸也越小。
再结晶晶粒的尺寸和分布对材料的性能影响很大。
晶粒尺寸较小的材料通常具有优良的力学性能和高韧性，且易于加工。
因此，控制再结晶晶粒的尺寸和分布对材料的性能优化和加工有重要意义。
总之，材料的形变和再结晶是材料科学中重要的研究领域。
通过研究形变和再结晶的机制和规律，可以优化材料的性能和加工过程，从而推动材料科学的发展和应用。
材料科学基础-第5章2013
弹簧元件表示的弹性变形部分 —— 与时间无关，
Voigt-Kelvin 模型—— 描述蠕变回复、弹性后效和弹
E 为松弛常数。
性记忆等过程：
粘弹性变形特点——应变落后于应力—–弹性滞后。 施加周期应力时形成的应力 - 应变曲线回线所包含的
d ( t ) E dt
交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功 的能力。虽然这两个名词有时可以混用， 但严格来说循环韧性与内耗是有区别的： 循环韧性——指金属在塑性区内加载时吸 收不可逆变形功的能力——消振性; 内耗——指金属在弹性区内加载时吸收不 可逆变形功的能力。
弹性滞后——表明加载时消耗于材料的变形功大于 卸载时材料回复所释放的变形功，多余的部分变形 功已被材料内部所消耗——内耗现象——用弹性滞 后环的面积度量其大小。
面积——应力循环一周所损耗的能量——内耗。
5.2 晶体的塑性变形
当施加的应力超过弹性极限e时，材料会发生塑性变形——产
生不可逆的永久变形。 大多数多晶体工程材料，变形与各晶粒的变形相关。 一、单晶体的塑性变形 在常温和低温下，单晶体的塑性变形——主要形式为滑移 (Slip)；其次有孪晶(Twins)、扭折(Twist)等方式。 高温下，单晶体的塑性变形——主要形式为扩散性变形和晶界 滑动与移动等。 滑移——在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面(滑移 面)和一定晶向(滑移方向)相对另一部分发生相对位移的现象。
2014-6-11 材料科学基础CAI教材 曾德长 13
其应力、应变符合Hooke定律——应力去除后应变 回复为零。 粘壶 —— 由装有粘性流体的气缸和活塞组成；活 塞的运动是粘性流动的结果 —— 符合 Newton 粘性 流动定律。 Maxwell模型——解释应力松弛机制：
热变形与动态回复、再结晶
动态回复机制
随应变量的增加，位错通过增殖，密度不断增加， 开始形成位错缠结和胞状亚结构。 热变形温度较高，为回复过程提供了热激活条件。 位错运动 1. 刃型位错的攀移 2. 螺型位错的交滑移 3. 位错结点的脱钉 位错密度降低 4. 异号位错相遇 位错增殖和消亡速率达到平衡时，不再发生硬化， 应力-应变曲线转为水平的稳态流变阶段。
1.
概念：
工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加工（ Hot working）。
2.
3.
工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加工 (Cold working)。
变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工称为 温加工(Warm working)。
历史上的专业设置
1. 2.
热加工专业：
金属材料及热处理 焊接
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。 在热变形过程中，形变而产生的加工硬化过程与动态回 复、再结晶所引起的软化过程同时存在，热加工后金属 的组织和性能就取决于它们之间相互抵消的程度。
动态回复和动态再结晶
分类： 在热变形时，即在外力和温度共同作 用下发生的.
动态回复时的组织结构
晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但晶粒内部却保持等轴 亚晶无应变的结构。 动态回复形成的亚晶尺寸d，主要取决于变形温度和变形 速率： d 1 a b lg Z
式中，a/b为常数 ， Z eQ / RT 为用温度修正过的应变速 率。
.
动态再结晶(dynamic reerystallization)
1. 动态回复
2. 动态再结晶
3. 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。
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。
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶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。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
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”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
第五章-材料的形变和再结晶
切应变： = tan ( 100 %)
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
精选2021版课件
5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
精选2021版课件
5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库(名校考研真题 材料的形变和再结晶)【圣才出品】
【答案】再结晶；降低；冷加工；热加工
4．形变织构的性质与变形金属的原始条件、_______、_______有关。[江苏大学 2005 研]
【答案】形变方式；形变程度
5．细化晶粒不但可以提高材料的________，同时还可以改善材料的________和 ________。[沈阳大学 2009 研]
【答案】强度；塑性；韧性
4．真实应力[重庆大学 2010 研] 答：真实应力是指拉伸（或压缩）试验时，变形力与当时实际截面积（而不是初始截 面积）之比。其数值是随变形量、温度与应变速率而变化的。
5．超塑性[燕山大学 2005 研] 答：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异 常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力，易成形。超塑性变 形时，应变速率敏感性指数 m 很大，m≈0.5，而一般金属材料仅为 0.01～0.04。
三、判断题
1．在室温下对金属进行塑性变形为冷加工。加热到室温以上对金属进行塑性变形为 热加工。（ ）[华中科技大学 2005 研]
【答案】× 【解析】将再结晶温度以上的加工为“热加工”，再结晶温度以下而又不加热的加工称 为冷加工。
2．金属铸件可以通过再结晶退火来达到细化晶粒的目的。（ 2007 研]
阻力。因此，在位错移动时，需要一个力克服晶格阻力，越过势垒，此力称为派纳力
3．动态再结晶[北京工业大学 2009 研] 答：动态再结晶是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。与热变形各道次之间以 及变形完毕后加热和冷却时所发生的静态再结晶相比，动态再结晶的特点是：动态再结晶 要达到临界变形量和在较高的变形温度下才能发生；与静态再结晶相似，动态再结晶易在 晶界及亚晶界形核；动态再结晶转变为静态再结晶时无需孕育期；动态再结晶所需的时间 随温度升高而缩短。
4．形变织构的性质与变形金属的原始条件、_______、_______有关。[江苏大学 2005 研]
【答案】形变方式；形变程度
5．细化晶粒不但可以提高材料的________，同时还可以改善材料的________和 ________。[沈阳大学 2009 研]
【答案】强度；塑性；韧性
4．真实应力[重庆大学 2010 研] 答：真实应力是指拉伸（或压缩）试验时，变形力与当时实际截面积（而不是初始截 面积）之比。其数值是随变形量、温度与应变速率而变化的。
5．超塑性[燕山大学 2005 研] 答：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异 常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力，易成形。超塑性变 形时，应变速率敏感性指数 m 很大，m≈0.5，而一般金属材料仅为 0.01～0.04。
三、判断题
1．在室温下对金属进行塑性变形为冷加工。加热到室温以上对金属进行塑性变形为 热加工。（ ）[华中科技大学 2005 研]
【答案】× 【解析】将再结晶温度以上的加工为“热加工”，再结晶温度以下而又不加热的加工称 为冷加工。
2．金属铸件可以通过再结晶退火来达到细化晶粒的目的。（ 2007 研]
阻力。因此，在位错移动时，需要一个力克服晶格阻力，越过势垒，此力称为派纳力
3．动态再结晶[北京工业大学 2009 研] 答：动态再结晶是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。与热变形各道次之间以 及变形完毕后加热和冷却时所发生的静态再结晶相比，动态再结晶的特点是：动态再结晶 要达到临界变形量和在较高的变形温度下才能发生；与静态再结晶相似，动态再结晶易在 晶界及亚晶界形核；动态再结晶转变为静态再结晶时无需孕育期；动态再结晶所需的时间 随温度升高而缩短。
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第5章材料形变和再结晶一
一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以 同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象
1.Maxwell 模型
对解释应力松弛特别有用 应力随时间的变化
E
(t)0exp(E t)0exp(t'')
式 中 ， '称 为 松 弛 系 数
E
第5章材料形变和再结晶一
2.Voight 模型
应变
b
an
a
a’
0
0 c O
时间
a n c’ d
恒应力下的应变弛豫
第5章材料形变和再结晶一
3.弹性滞后
由于应变落后于应力，在σ -ε 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
σ σ
(a) σε
O
ε
σ (b)
O
ε
O
ε
(c)
(d)
弹性滞后(环)与循环韧性
(a)单向加载; (b)交变加载第5(章慢材)料;形变(c和)交再结变晶加一 载(快); (d)交变加载塑性滞后
在正应力下，σ= Eε， 在切应力下，τ=Gγ，
Robert Hooke 1635— 1703
式中， σ ， 分别为正应力和切应力； ε ， γ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
第5章材料形变和再结晶一
弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：
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
（3）弹性变形量随材料的不同而异
低于比例极 限sp的应力
范围内
多数金属材料
线性
高分子材料
一般 情况
非线性
符合 虎克 定律
弹性变量 不超过0.5%
不符 合虎 克定 律
高弹性变量 最高可达1000%
第5章材料形变和再结晶一
5.1.3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。
第5章材料形变和再结晶一
第5章材料形变和再结晶一
O
r0
r
(b)
第5章材料形变和再结晶一
5.1.2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，加载时变形，
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（Hooke）定律：
滑移带形成示意图
第5章材料形变和再结晶一
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，其滑移面和滑移方向也不同Biblioteka 滑移面通常是 原子的密排面
原子密度最大的晶面其面间距最 大，点阵阻力最小，因而容易沿 着这些面发生滑移
滑移方向通常是 原子的密排方向
5.1 弹性和粘弹性
弹性变形
塑性变形
第5章材料形变和再结晶一
5.1.1弹性变形的本质
U
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
dU 0 dr
O
r0
r
(a)
吸引力
斜率S0
0
F
图（a）体系能量与原子
排斥力
间距的关系和（b）原子
作用力和距离的关系
可用来描述蠕变回复、弹性后效 和弹性记忆等过程
(t) E d
dt
E
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—应变曲线就成一回线，所包含的面积即 为应力循环一周所损耗的能量，即内耗
第5章材料形变和再结晶一
5.2晶体的塑性变形
5.2.1单晶体的塑性变形
主要
滑移
孪生
扭折
高温情况
弹性的 不完整性
包申格效应
弹性后效
弹性滞后
第5章材料形变和再结晶一
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 则e升高，反向加载则 e下降。此现象称之为包申格效应。它 是多晶体金属材料的普遍现象。
2．弹性后效
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 过程来完成其变化的。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
第5章 材料的形变和再结晶
第5章材料形变和再结晶一
材料受力
弹性变形
断裂
F
塑性变形
第5章材料形变和再结晶一
研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各 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
第5章材料形变和再结晶一
扩散性变形
晶界滑动和移动
第5章材料形变和再结晶一
1．滑移
a．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
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
最密排方向上的原子间距最短， 即位错b最小
第5章材料形变和再结晶一
第5章材料形变和再结晶一
一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系
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
面心立方晶体的滑移系共有{111}4<110>3=12个； 体心立方晶体，可同时沿{110}{112}{123}晶面滑移，故滑移系共有 {110}6<111>2+{112}12<111>1+{123}24<111>1=48个； 而密好六方晶体的滑移系仅有(0001)1<11-20>3=3个。 由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如fcc或bcc的好。
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：
式 中 为 应 力 ， d为 应 变 速 率 ， 称 为 拈 度 系 数 ， 反 映 了 流 体 的 内 摩 擦 力 ， d t 即 流 体 流 动 的 难 易 程 度 ， 其 单 位 是 P a • s
一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以 同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象
1.Maxwell 模型
对解释应力松弛特别有用 应力随时间的变化
E
(t)0exp(E t)0exp(t'')
式 中 ， '称 为 松 弛 系 数
E
第5章材料形变和再结晶一
2.Voight 模型
应变
b
an
a
a’
0
0 c O
时间
a n c’ d
恒应力下的应变弛豫
第5章材料形变和再结晶一
3.弹性滞后
由于应变落后于应力，在σ -ε 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
σ σ
(a) σε
O
ε
σ (b)
O
ε
O
ε
(c)
(d)
弹性滞后(环)与循环韧性
(a)单向加载; (b)交变加载第5(章慢材)料;形变(c和)交再结变晶加一 载(快); (d)交变加载塑性滞后
在正应力下，σ= Eε， 在切应力下，τ=Gγ，
Robert Hooke 1635— 1703
式中， σ ， 分别为正应力和切应力； ε ， γ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
第5章材料形变和再结晶一
弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：
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
（3）弹性变形量随材料的不同而异
低于比例极 限sp的应力
范围内
多数金属材料
线性
高分子材料
一般 情况
非线性
符合 虎克 定律
弹性变量 不超过0.5%
不符 合虎 克定 律
高弹性变量 最高可达1000%
第5章材料形变和再结晶一
5.1.3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。
第5章材料形变和再结晶一
第5章材料形变和再结晶一
O
r0
r
(b)
第5章材料形变和再结晶一
5.1.2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，加载时变形，
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（Hooke）定律：
滑移带形成示意图
第5章材料形变和再结晶一
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，其滑移面和滑移方向也不同Biblioteka 滑移面通常是 原子的密排面
原子密度最大的晶面其面间距最 大，点阵阻力最小，因而容易沿 着这些面发生滑移
滑移方向通常是 原子的密排方向
5.1 弹性和粘弹性
弹性变形
塑性变形
第5章材料形变和再结晶一
5.1.1弹性变形的本质
U
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
dU 0 dr
O
r0
r
(a)
吸引力
斜率S0
0
F
图（a）体系能量与原子
排斥力
间距的关系和（b）原子
作用力和距离的关系
可用来描述蠕变回复、弹性后效 和弹性记忆等过程
(t) E d
dt
E
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—应变曲线就成一回线，所包含的面积即 为应力循环一周所损耗的能量，即内耗
第5章材料形变和再结晶一
5.2晶体的塑性变形
5.2.1单晶体的塑性变形
主要
滑移
孪生
扭折
高温情况
弹性的 不完整性
包申格效应
弹性后效
弹性滞后
第5章材料形变和再结晶一
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 则e升高，反向加载则 e下降。此现象称之为包申格效应。它 是多晶体金属材料的普遍现象。
2．弹性后效
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 过程来完成其变化的。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
第5章 材料的形变和再结晶
第5章材料形变和再结晶一
材料受力
弹性变形
断裂
F
塑性变形
第5章材料形变和再结晶一
研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各 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
第5章材料形变和再结晶一
扩散性变形
晶界滑动和移动
第5章材料形变和再结晶一
1．滑移
a．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
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
最密排方向上的原子间距最短， 即位错b最小
第5章材料形变和再结晶一
第5章材料形变和再结晶一
一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系
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
面心立方晶体的滑移系共有{111}4<110>3=12个； 体心立方晶体，可同时沿{110}{112}{123}晶面滑移，故滑移系共有 {110}6<111>2+{112}12<111>1+{123}24<111>1=48个； 而密好六方晶体的滑移系仅有(0001)1<11-20>3=3个。 由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如fcc或bcc的好。
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：
式 中 为 应 力 ， d为 应 变 速 率 ， 称 为 拈 度 系 数 ， 反 映 了 流 体 的 内 摩 擦 力 ， d t 即 流 体 流 动 的 难 易 程 度 ， 其 单 位 是 P a • s