第五章 材料的形变和再结晶
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:
材料科学基础材料的变形和再结晶介绍

空位消失有四种可能的情况: (1) 空 位 迁 移 到 晶 体 的 自 由 表 面 或 界 面 而 消 失 。 (2)空位与塑性变形所产生的间隙原子重新结合而消 失。 (3)空位与位错发生相互作用而消失。 (4)空位聚集成空位盘然后崩塌成位错环而消失。
2.中温回复 进一步升高温度,内应力进一步消除,电阻率 继续下降。这一时期,位错运动而导致部分位错复 合消失(重新组合)。有时,这一时期不明显。
变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响
加热温度与晶粒尺寸
5.3.4. 晶粒长大
再结晶结束后,材料的晶粒一般比较细小(等 轴晶 ) ,若继续升温或延长保温时间,晶粒会继 续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒长大的 驱动力来自总的界面能的降低。 根据再结晶后晶粒长大特点,分为: (1)正常晶粒长大(normal grain growth):均 匀长大 (2)异常晶粒长大(abnormal grain growth): 不 均 匀 长 大 , 又 称 二 次 再 结 晶 (secondary recrystallization) ;把通常说的再结晶称为一次 再结晶(primary recrystallization)。
一些金属的再结晶温度
影响再结晶的因素
1.变形程度:变形度增大、开始TR下降,等温退 火再结晶速度越快;而大到一定程度, TR 趋 于稳定。 2.原始晶粒尺寸:其它条件相同时,金属原始晶 粒细小,则 TR 越低,同时形核率和长大速度 均增加,有利于再结晶。 3. 微量溶质原子:其作用一方面以固溶状态存在 于金属中,会产生固溶强化作用,有利于再 结晶;另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界 处,起阻碍作用。总体上起阻碍作用,使TR 提高。
4.第二相粒子:其作用是两方面的,这主要取决 于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸 较大 , 间距较宽( >1 微米),促进再结晶。 第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再 结晶形成。 5.退火工艺参数:加热速度过于缓慢或极快时, TR上升; 当变形程度和保温时间一定,退火温度越 高,再结晶速度快;在一定范围内延长保温 时间,TR降低。
第5章金属塑性变形与再结晶

二、金属单晶体的塑性变形
滑移系:一个滑移面和一个滑移方向构成一 个滑移 系, 即一个最大原子密度晶面和一个最大原子密度晶 向组成一 个滑移系。
三种典型晶格的滑移系
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
滑移面 {110} 6个 {111} 4个 六方底面 1个
滑移方向 ‹111› 2个 <110> 3个 底面对角线3个
第5章金属塑性变形与再结晶
三、多晶体的塑性变形
2 、晶粒之间变形的协调性
(1)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。 (2)要求:各晶粒之间变形相互协调。(独立变形会导致晶 体分裂) (3)条件:独立滑移系5个。(保证晶粒形状的自由变化)
多晶体变形协调性:多晶体的每个晶粒都处于其他晶粒的包 围之中,其变形必须与周围的晶粒相互协调配合。 结果:多晶体的塑性变形较单晶体困难,其屈服应力也高于 单晶体。
滑移系
6x2=12
4x3=12
第5章金属塑性变形与再结晶
1x3=3
二、金属单晶体的塑性变形
❖ 滑移系的数目越多则金属的塑性愈好,反之滑移系数愈少, 塑性不好,且相同滑移系数目相同时,滑移方向数越多,越 易滑移,塑性越好。
如金属的塑性: 面心立方 > 体心立方 > 密排六方
滑移系的特点: 1)滑移面总是晶体的密排面,而滑移方向也总是密排方向。 2)每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。滑移系的多 少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。
1 孪生现象 在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶 面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 变形部分与未变形部分以孪晶面为准,构成镜面对称,形成 孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。
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
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。
2.再结晶温度
经过大变形量冷塑性变形的金属(变形度>70%),在一小时保温 时间内能够完成再结晶转变(转变量>95%)的温度。
3.再结晶退火
把冷变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温,使其发生 再结晶过程的热处理工艺。
三、晶粒长大
再结晶后的金属一般都能得到细小而均匀的等轴晶粒。如果 继续升高温度或延长保温时间,再结晶后的晶粒又以互相吞并的 方式长大。
一)单晶体的塑性变形
1.滑移 滑移 1)滑移线与滑移带
2)滑移系
滑移总数沿着一定的晶面和该面上一定晶向进行的,此晶面 称为滑移面,此晶向称为滑移方向。一个滑移面和一个滑移方向 组成一个滑移系。
一)单晶体的塑性变形
1.滑移 滑移 1)滑移线与滑移带 2)滑移系 3)滑移的特点
一)单晶体的塑性变形
二、再结晶
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 晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。 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。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的 晶粒,完成了一次新的结晶过程。
Ch5材料的变形和再结晶变形

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第三节 单晶体的塑性变形
对于单晶体而言,其塑性变形中, 对于单晶体而言,其塑性变形中,滑移是位错在切 应力作用下滑移面及滑移方向进行, 应力作用下滑移面及滑移方向进行,其滑移必须满 足临界分切应力定律, 足临界分切应力定律,即 一、施密特定律
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●孪生与滑移的区别 滑移 (1)一部分晶体沿滑移面相 一部分晶体沿滑移面相 对于另一部分晶体作切变, 对于另一部分晶体作切变 切变时原子移动的距离是 滑移方向原子间距的整数 倍。 (2)滑移面两边晶体的位相 滑移面两边晶体的位相 不变。 不变。 孪生 (1)一部分晶体沿挛晶面相 一部分晶体沿挛晶面相 对于另一部分晶体作切变, 对于另一部分晶体作切变 切变时原子移动的距离不 是滑移方向原子间距的整 数倍。 数倍。 (2)挛晶面两边晶体的位相 挛晶面两边晶体的位相 不同,成镜向对称。 不同,成镜向对称。
Gb W= 2π (1 − υ )σ u
理论剪切强度
G b σu = 2π a
τ p−N
2π G −2πW / b e = 1−υ
●位错点阵阻力
τ P−N
2π G = e 1 −ν
2πa − ( 1 −ν ) b
其中, a — 原子间距,
b — 柏氏矢量
ν — 泊松系数
τ 1)a越大,即原子面间距大, P − N 越小,表示点阵 ) 越大 即原子面间距大, 越大, 越小, 阻力小,说明原子面间距越大,位错运动阻力小, 阻力小,说明原子面间距越大,位错运动阻力小, 增大的面即原子最密排面。 而a增大的面即原子最密排面。 增大的面即原子最密排面
P−N
大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。 大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。
北京科技大学材料科学基础A第5章-材料的形变与再结晶(2)

第五章材料的形变与再结晶
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第五节 孪生及扭折
滑移是形变的主要形式,孪生及扭折也是形变的不同形式。 一、孪生 孪生━ 孪生━晶体受力后,以产生孪晶的方式而进行的切变过程, 称为孪生。 孪晶━ 孪晶━以共格界面相联结,晶体学取向成镜面对称关系的 这样一对晶体(或晶粒)的合称。
晶体受到切应力后,沿着一定的晶面 (孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在 孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 一个区域内发生连续的顺序的切变。
2. 形变引起的各向异性 金属和合金多晶体经方向性的形变后,力学性能和物理性能方 面都会出现各向异性现象。 各向异性的产生: 组织方向性 宏观偏析、微观偏析、异相晶粒、杂质等 发生方向性分布; 结构方向性 晶粒取向转动、晶体结构择尤取向, 出现织构。 3. 其它物理性能变化 结构敏感的性能(导磁率、磁饱和度、电阻) 结构敏感的性能(导磁率、磁饱和度、电阻) 明显变化 结构不敏感的性能(比重、导热性、弹性模量) 结构不敏感的性能(比重、导热性、弹性模量) 有一定影响
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第六节 多晶体的范性形变
四、晶体的转动与形变织构
单晶体形变时,作用滑移系要发生转动: 拉伸时,作用滑移系趋于与力轴平行; 压缩时,作用滑移系趋于与力轴垂直。 多晶体在单向受力条件下形变时,各作用滑移系都有转向 与力轴平行(拉伸时)或垂直(压缩时)的总趋势。 当形变程度相当大时,多晶体会出现择尤取向,产生形变 织构。即大部分(或相当一部分)晶粒之间至少有一 个晶向相互平行或接近平行。
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第六节 多晶体的范性形变
三、晶粒大小对形变的影响
1. 晶粒越小,试样单位横截面上晶粒的数量越多, 形变的抗力越大:
σS = σ0 + Kyd −1/ 2
晶粒的平均直径 表征晶界对形变的影响 屈服应力 屈服强度 表示晶内对形变的抗力, 约相当于单晶体τ 约相当于单晶体τk的2~3倍
工程材料第五章金属的塑性变形与再结晶ppt课件

(1)不受外力:图5-1a表示,当单晶体不受外力 的作用时,原子处于平衡位置。
2020/9/22
图5-1 a)未变形;b)弹性变形;c)弹塑性变形;d)塑性变形(滑移)
第五章 金属的塑性变形与再结晶
滑移 孪生
由于多数情况下金属的塑性变形以滑移方 式进行,因此这里只考虑“滑移”。
图 滑移方式
图 孪生方式
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第五章 金属的塑性变形与再结晶
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常见心律失常心电图诊断的误区诺如 病毒感 染的防 控知识 介绍责 任那些 事浅谈 用人单 位承担 的社会 保险法 律责任 和案例 分析现 代农业 示范工 程设施 红地球 葡萄栽 培培训 材料
因此,研究金属的塑性变形,对改进金属 材料的加工工艺,提高产品质量都有重要的意 义。
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第五章 金属的塑性变形与再结晶
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第五章 金属的塑性变形与再结晶 工程材料CAI
第一节 金属的塑性 变形
第二节 塑性变形对 金属组织和性能的 影响
第三节 塑性变形 金属在加热时的组 织和性能变化
本章主要简介两大问题:
1.金属的冷塑性变形及其对性能的影响;
2.对冷塑性变形金属加热后其组织和性 能的变化。
第四节 金属的热 加工筒介
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第三节 塑性变形 金属在加热时的组 织和性能变化
第四节 金属的热 加工筒介
前言
1.压力加工得到了广泛地应用 在工业生产中,压力加工得到了广泛地应
金属学及热处理 第五章 金属的塑性变形和再结晶

5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力-应变曲线
• 拉伸曲线的最高点所代表的应力 为抗拉极限强度σb 。
低碳钢拉伸应力应变曲线
试样断裂后标距长度伸长量ΔL(Lk-L0)与原始标距长度L0 的百分比称为延伸率δ: δ=(Lk-L0)/ L0 ×100% 试样的原始截面面积F0和断裂时的截面面积Fk之差与原 始截面面积F0的百分比称为断面收缩率Φ : Φ =(F0- Fk)/F0×100%
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体中一个晶粒发生变形,在晶界附近产生位错塞 积,引起应力集中。应力集中大小与塞积位错数目有 关。晶粒越小,位错塞积距离越小,应力集中越小, 引发相邻晶粒变形的机会越小,需要外力越大,表现 出强度越高。
这就是霍尔-佩奇 ( Hall-Petch ) 公 式 的物理本质。 位错塞积示意图
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力-应变曲线
• 金属的塑性变形: 应力大于σe时开始塑性变形。 应力达到σs和σ0.2时开始明显 低碳钢拉伸应力应变曲线 塑性变形。 σs表示金属开始产生屈服现象时的应力--屈服极限。 金属的弹性变形量一般不超过1%。 σ0.2表示金属的残余应变达到0.2%时的应力 --条件屈服极限。
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体晶粒细小均匀时,一定体积内晶粒数目多。形 相同变形量下,变形分散在较多晶粒内进行,变形较 均匀,引起应力集中小,使材料在断裂之前能承受较 大的变形量,可以得到较大的延伸率。因此,晶粒小 小,不仅室温强度高,而且具有较好的塑性。
晶粒越细,晶界曲折,不利于裂纹扩展,断裂吸收的 能量高,因此表现出良好的韧性。 在工业生产中,要设法获得细小均匀的晶粒组织,具 有较高的综合性能。
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第五章:材料的形变和再结晶
5.1 弹性和粘弹性
弹性变形:指外力去除后能够完全恢复的那部分变形
主要特征:
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还是卸载,只要在弹性变形范围内,其应力和应变之间遵循胡克定律。
弹性模量:代表着是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。
弹性不完整的现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。
包申格效应:材料经预先加载产生少量塑性变形(小于4%),而后同向加载则应力升高,反向加载则应力下降,此现象被称为包申格效应。
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。
这种在弹性极限范围内,应变滞后于外加应力,并和时间有关的现象,被称为弹性后效或滞弹性。
弹性滞后:由于应变落后于应力,在应力-应变曲线上使加载线或卸载线不重合而形成一封闭曲线。
黏性流动:是指非晶态固体和液体在很小外力作用下,会发生没有确定形状的流变,并且在外力去除后,形变不能恢复。
5.2金属的塑性变形
5.2.1单晶体的塑性变形
滑移
滑移带:将良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当的拉伸,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,通常称为滑移带
滑移带是由滑移线组成的
滑移面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。
原因是原子密排最大的晶面其晶面间距最大,点阵阻力最小因而最易发生滑移;最密排方向上的原子间距最短,即位错最小因而最易发生滑移。
滑移系:由一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成。
一般来说,在其他条件相同时,晶体中的滑移系越多,滑移过程可能采取的空间取向便越多,滑移便容易进行,塑性便越好。
(滑移系数目:面心立方12;体心立方48;密排六方3,因而hcp的塑性不如fcc或bcc)
临界分切应力: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。
它是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量,其数值与晶体本身有关。
晶面的转动:单晶体晶面转动时,力求使滑移方向转至最大分切应力方向,使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直。
多系滑移:一定应力下,拥有多组滑移系的晶体,它的滑移在两组或更多的滑移面上进行,称为多系滑移。
交滑移:两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。
实质是螺型位错在不改变滑移方向的前提下,从一个滑移面转到相交接的另一个滑移面的过程,可见交滑移使得滑移有了更大的灵活性。
滑移的位错机制:晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移,而是借助位错在滑移面上运动来逐步进行的。
位错运动需要克服的点阵阻力称为派-纳力;还有位错与位错的交互作用产生的阻力;扭折和割阶产生的阻力;位错与其他晶体缺陷相互作用产生的阻力。
孪生是塑性变形的另一种重要形式,作为滑移不易进行时的补充;我们把未改变晶体的点阵类型,却使得均匀切变区的晶体取向发生变更,变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向的切变过程为孪生
特点:①孪生所需要的临界分切应力比滑移大;②:孪生是一种均匀切变;③孪生的两部分晶体形成镜面对称的关系。
形成孪晶的主要三种方式:机械孪晶或变形孪晶;生长孪晶;退火孪晶
5.2.2 多晶体的塑性变形
多晶滑移需要至少五个独立的滑移系,因此面心立方和体心立方晶体可以满足,从而具有较好的塑性;密排六方由于滑移系较少,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很低。
多晶体的强度随晶粒细化而提高—细晶强化
5.2.3合金的塑性变形
固溶强化:溶质原子的存在及其固溶体的增加,使基体金属的变形抗力随之提高柯氏气团:在固溶体合金中,溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
应变时效:当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形后卸载,然后立即重新加载拉伸,可见其拉伸曲线不再出现屈服点,此时试样不会发生屈服现象,但是若将预变性试样在常温下放置几天或经200℃左右短时加温后再进行拉伸,则屈服现象有重复出现,且屈服应力进一步提高。
多相合金的塑性变形:
聚合型合金在塑性变形中的性能体现:取决于第二相的相对数量、大小、形状、分布等
弥散分布型合金受控于粒子的本性、尺寸和分布等
5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响
纤维组织:当变形量很大时,晶粒变得模糊不清,难以分辨从而呈现出一片如纤维状的条纹,称为纤维组织。
加工硬化:金属材料经冷加工变形后,强度硬度显著提高,而塑性很快下降的现象。
塑性变形使得金属中的结构缺陷增多,自由晗升高,因而导致金属中的扩散过程加速,金属的化学活性增大,腐蚀速度也加快。
在塑性变形中,随着变形程度的增加,各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主变形方向转动,逐渐使多晶体中原来取向各不相同的各个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性,这一现象叫做择优取向,这种组织状态称为形变织构。
残余应力:
宏观残余应力: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。
微观残余应力:由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的,其作用范围于晶粒尺寸相当。
点阵畸变:有大量点阵缺陷组成,储存了绝大部分的能量,故它有一种使得变形金属重新恢复到自由晗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
当冷变形金属加热时会发生回复和再结晶和晶粒长大等过程。
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。
回复:
冷变形金属再退火过程中强度、电阻、内应力、亚晶粒尺寸、密度、储能释放的变化!(书P197页)
回复的特点(P198)
回复机制(P199):低中高f温各自的回复机制
位错多边化:位错沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向的位错墙(小角度亚晶界),由此产生亚晶。
再结晶:
晶体结构不变,驱动力是变形金属经回复后未被释放的储存能(90%),可消除冷加工的影响。
也是形核和长大的过程,两种形核机制(P200)。
亚晶粒本身是在剧烈应变的基体通过多边化形成的,几乎无位错的低能量地区通过消耗周围的高能量区长大成为再结晶的有效核心,因此,随着形变度的增大,会产生更多的亚晶而有助于再结晶形核。
(变形程度大晶粒越细)
晶粒长大的推动力是无畸变的新晶粒本身与周围畸变的母体之间的应变能差。
再结晶温度:冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度,工业生产中指经1h退火能完成再结晶的温度称为再结晶温度。
影响再结晶温度的因素和晶粒大小的影响因素(P204、P206)
晶粒长大:
能量来源于总的界面能的降低。
影响因素(P208)
二次再结晶(P210)
再结晶织构
5.4、热变形与动态回复、再结晶
再结晶温度以上的是热加工,以下的是冷加工。
热加工过程中变形、加工硬化与动态回复、动态再结晶同时存在。
动态回复:
层错能高的金属位错更易移动,动态回复是主导的软化机制。
动态回复的三个阶段(P214)
动态回复机制和组织结构
动态再结晶:
层错能低的金属由于扩展位错很宽,难滑移,所以更易发生动态再结晶。
三个阶段、机制、组织(P215)
热加工不发生加工硬化,使材料的致密度和力学性能有所提高。
加工流线和带状组织(P217)
蠕变:是指在某温度下恒定应力下所发生的缓慢而连续的塑形流变d现象。
蠕变曲线的三个阶段、蠕变机制(P219)
超塑性
回复的动力是弹性畸变能,再结晶是应变能差,晶粒长大是总界面能。