第二章 金属的塑性变形与再结晶

教学目的：掌握金属的塑性变形与再结晶规律，了解塑性变形对金属组织与性能

的影响

本章重点： 1、金属单晶体与多晶体的塑性变形及其特点

2、塑性变形对金属组织与性能的影响

3、回复与再结晶

本章难点：塑性变形对金属组织与性能的影响

参考文献：1、王从曾，材料性能学，北京工业大学出版社，2001

2、束德林，金属力学性能，机械工业出版社，1995

3、冯端，金属物理学，科学出版社，1999

4、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001

5、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术

出版社，1997

专业词汇：Tensile test; tensile strength; stress-strain curve; elastic distortion; plastic distortion;

strain energy; stress concentration; fracture strength; fracture mechanism; reduction

ratio of area; breaking extension; fracture toughness; fractography analysis; yield point;

yield strength; poisson’s ratio

由于金属铸锭中存在各种各样的缺陷，如：粗大晶粒区，组织疏松，杂质偏析，气孔、裂纹等，故铸锭需要进行压力加工，消除上述缺陷才能使用。压力加工过程中，金属产生塑性变形，使金属组织发生很大变化，这种变化一方面使金属性能得到改善，另一方面也会带来不利影响，本章将讨论这方面的问题。

第一节 金属的塑性变形

一、金属的变形与断裂

1、应力：作用在单位面积上的内力值 σ=lim(ΔS/ΔA), ΔA→0

2、应变：单位长度上的变形量。

3、弹性变形：在应力作用下，金属晶格发生了弹性伸长或歪扭，但未超过原子间的结合

力。即σ=Eε，服从虎克定律。

4、塑性变形：当应力超过原子间的结合力，晶格发生不可恢复得变形。

5、断裂：韧性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口成纤维状，无光泽

脆性断裂：断裂前未发生明显塑性变形，断口有闪烁的光泽。

脆性断裂：晶间断裂：断裂沿晶界发生，断口凹凸不平。

穿晶断裂：断裂穿过各个晶粒，断口平化。

二、金属单晶体的塑性变形

1、塑性变形的方式

滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。

孪生：晶体变形后两部分呈镜像对称——孪晶。

2、滑移变形的特点：a、滑移只能在切应力作用下产生

b、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生（因为只有在原子密度最大的晶面之间的面间距，原子密度最大的晶向之间的原子间距才最大，原子结合力最弱，最容易发生滑移）

c、滑移时晶格间的位移是原子间距的整倍数，滑移的

结果在晶体表面形成了条纹——滑移线

d、晶体滑移的同时，伴随晶体的转动（正应力力偶矩）

3、三种典型晶格的滑移系

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。

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

滑移方向 <111> 2个 <110> 3个 底面对角线3

滑移系 6*2=12 4*3=12 1*3=3

滑移系越多，金属发生滑移的倾向越大，金属塑性越好。尤其是滑移方向的数目，比滑移面的作用更大。如金属塑性：面心〉体心〉密排

4、滑移的原因

内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性滑移

外因：切应力的作用

因为刚性滑移所需的切应力比实测值高3-4个数量级，如铜刚性滑移所需的临界切应力为1540MN/m2(理论计算)，铜实际滑移的临界切应力只有1 MN/m2。

位错滑移——爬虫蠕动；火车启动。

三、金属多晶体的塑性变形

单晶体的滑移发生在一个晶体的一定晶面上，而多晶体由于多个晶体和晶界的存在，并且每个晶体的晶格位向不同，故多晶体的塑性变形比单晶体要复杂得多。

1、晶界的影响

由于晶界为晶格位向不同的两晶粒的过渡处，故晶格排列紊乱，杂质原子较多，晶格畸变严重，位错运动的阻力很大，滑移难以发生，只有在较大的外力作用下，位错才能穿越晶界进入另一个晶粒中，塑性变形抗力大。

2、晶格位向的影响

多晶体中各晶粒的晶格位向不同，所以每一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒的约束，故多晶体金属的塑性变形抗力高于单晶体金属。

从上述两影响因素，可以得出结论：晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生的抗力就越大，金属的强度就越高。

另外，晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中发生，使金属产生较为均匀的塑性变形，不致造成局部应力集中，引起断裂，

所以金属的塑性、韧性也会提高。晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。

A、塑性变形对组织和性能的影响

①晶粒沿变形方向变形，性能趋向各向异性

金属经过塑性变形，其晶粒会随着外形的变化而发生相应变化，晶界变得模糊，

金属性能具有明显的方向性。

②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化（从拉伸曲线上解释）

随着变形的增大，晶界出现位错堆积

随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶粒，位错密度明显增大

金属产生加工硬化，强度、硬度显著增大，塑性韧性下降

金属物理、化学性能发生显著变化，电阻率增大，耐蚀性下降

③产生织构现象

金属塑性变形过程中，不仅晶粒发生变形，晶粒的晶格位向也会沿变形方向发生转

动，当金属塑性变形量达到一定程度（70%—90%），金属中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋于一致，这种现象称为“织构现象”。如冷轧板产生板织构；冷拔丝产生丝织构，织构现象的出现，会使金属产生各向异性，热处理也难以消除。

④产生残余应力

塑性变形过程中，外力对金属做的功，大部分变成热而小部分转化为内应力残留于金属中，残余应力的存在，会造成：

1、零件加工后，残余应力随时间的延长而缓慢松弛，使零件产生变形，影响尺寸精度。

2、降低了金属的耐腐蚀性

B、回复与再结晶

金属塑性变形后，位错等晶格缺陷大量增加，引起金属组织与性能变化，当这种变化对生产不利时，应设法予以消除。

a、变形金属在加热过程中的组织与性能变化

① 回复

当加热温度较低时，由于原子的扩散能力弱，金属晶粒的形状及大小不发生明显变化，只是引起金属中的一些空位、间隙原子，尤其是堆积位错发生扩散，导致金属内应力释放，金属的强度、塑性等机械性能指标变化不大，这一过程称为回复。

对加工硬化金属进行低温加热，以消除内应力的热处理方法称为低温退火或去应力回火。如，冷卷弹簧制作后，须进行250-300℃的低温退火以消除内应力。

② 再结晶

提高加热温度，金属原子的扩散能力增大，使位错的扩散程度增大，破碎晶粒开始重新形核和成长，形成等轴晶粒，这一过程称为再结晶。金属再结晶后，冷加工硬化金属的组织发生彻底变化，强度、硬度显著降低，塑性、韧性重新提高，加工硬化现象得以消除。

3、晶粒长大

再结晶过程完成后，若继续升温或过分延长加热时间，等轴晶粒会合并长大，因为晶粒长大可以减小晶界面积，使表面能降低——自发过程。一旦晶粒长大，金属的机械性能恶化，因此必须严格控制加热温度和保温时间。

b、金属再结晶温度的确定

再结晶过程不是在一恒温下进行的，而是在某个温度范围内。没有经过冷作硬化（冷加工硬化）的金属不会发生再结晶。

影响再结晶温度的因素：

1、金属冷加工变形度

变形度δ越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点，K

2、金属的纯度

金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。如：纯铁T再min=450℃，

碳钢T再min=500-650℃

合金钢T再min〉650-700℃

3、加热速度和保温时间

a、提高加热速度，再结晶温度升高

b、延长保温时间，再结晶温度降低

综合上述因素，再结晶退火温度一般为：T再min+100-200℃

c、影响再结晶退火后金属晶粒度的因素

①加热温度的影响

加热温度越高，金属晶粒越粗大；加热温度一定，保温时间越长，晶粒越粗大

②冷加工变形度的影响

变形度越大，变形越均匀，再结晶后金属的晶粒越细。

临界变形度：当变形度在2-10%范围内时，再结晶后的晶粒明显粗大，因为在此变形度下，金属变形极不均匀，再结晶时晶核形成率很低，晶粒大小不均匀，易相互吞并长大。

当变形度大于70-90%以上时，由于产生织构现象，晶粒的晶格位向相同（或相近），晶界扩散很容易，故再结晶时晶粒易长大。

第三节 金属的热加工

一、冷加工与热加工的区别

冷加工：金属在再结晶温度以下进行的变形加工。

热加工：金属在再结晶温度以上进行的变形加工。

对于大尺寸工件或低塑性金属，冷加工变形十分困难，只能进行热加工，因为温度升高，金属的塑性提高。

二、热加工对金属组织和性能的影响

可提高金属铸锭的致密性，消除气孔、疏松组织等缺陷

使铸态金属的粗大晶粒、柱状晶粒破碎，细化晶粒

使铸态金属中的非金属夹杂、枝晶偏析等的分布改变，形成热加工“纤维组织”

作业：1、解释下列名词：滑移，滑移系，加工硬化，回复，再结晶，织构

2、指出下列名词的主要区别：弹性变形与塑性变性；韧性断裂与脆性断裂；热加工与

冷加工

3、为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？

4、金属的再结晶温度受哪些因素的影响？

第二篇：第六章材料的塑性变形与再结晶

何谓滑移和孪生

滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动

孪生：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向作均匀切变

指出三种典型结构金属晶体的滑移面和滑移方向

1. 面心立方金属：密排面??密排晶向4?3?12个滑移系，塑性较好 1112. 体心立方金属：密排面?110?密排晶向6?2?12个滑移系，塑性较好

?密排晶向201?3?3塑性较差 3. 密排六方金属：室温时?0001并比较其滑移难易程度

1. 当其他条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可供采用的空间位

向也多，塑性也越好

2. 面心立方晶格的金属晶体的滑移系为12个，密排立方结构的金属晶体的滑移

系为3个?0001?,20，所以面心立方晶格的金属晶体更易发生滑移

3. 从此可以看出，面心立方和体心立方金属的塑性较好，而密排六方金属的塑

性较差

4. 金属塑性的好坏，不只是取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程

度和滑移方向的数目有关

5. 例如??Fe，它的滑移方向不及面心立方金属多，其滑移面上原子密排程度

也比面心立方金属低，因此它的滑移面间距较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才开始滑移，所以它的塑性要比铜铝金银等面心立方金属差些

为何晶体的滑移通常沿着其最密晶面和最密晶向进行

1. 在晶体原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离

却最大，即密排面之间的原子间结合力最小，滑移阻力最小，最易于滑移

2. 沿最密晶向滑移的步长最小，这种滑移所需要的切应力最小

何谓加工硬化

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象

运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料强度的原因

通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化

运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料强度的原因

来自69页北京工业大学2009细晶强化的位错理论

1. 金属多晶体材料塑性变形时，粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多，形成较

大的应力场，能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续

2. 相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，必须施加更大

的外加作用力以激活相邻晶粒内的位错源

3. 因此，细晶材料要发生塑性变形需要更大外部作用力，即晶粒越细小晶体强

度越高

单相固溶体合金的强度均高于纯溶剂组元的强度，试用位错理论分析之

120页西北工业2009固溶强化机制

131页西北工业2008合金强化机制

真题答案已经整理

何谓弥散强化，用位错理论说明其原因

160页西安理工2009第二相粒子的位错理论强化

以下是百科里的弥散强化

1. 弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。是

指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。为了使第二相在基体金属中分布均匀，通常用粉末冶金方法制造。第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度。弥散强化是强化效果较大的一种强化合金的方法，很有发展前途。

2. 强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材

料在高温下的力学性能。为此，对弥散强化微粒有如下要求：微粒尺寸要尽可能小(0.01～0.05μm)，微粒的间距要达到最佳程度（0.1～0.5μm）,在基体中分布要均匀；此外，微粒与基体金属不相互作用，在高温下微粒相互集聚的倾向性要小。这样就能使材料在直至接近熔点的高温下，即采用合金化和热处理已难起强化作用的情况下，仍能保持一定强度。弥散强化相含量一般小于10％。

教材上的

1. 根据两者相互作用的方式两种强化机制：位错绕过第二相粒子即弥散强化和

切过第二相粒子即沉淀强化

2. 滑移面上运动的位错遇到第二相发生弯曲，随外加应力增加弯曲加剧，最后

围绕第二相粒子的位错线相遇，正负号位错抵消形成包围粒子的位错环，其余部分位错恢复直线继续前进

合金化是提高材料强度的一种有效途经，试运用所学理论分析合金化可以提高材料强度的原因

120页西北工业2009固溶强化机制

131页西北工业2008合金强化机制

真题答案已经整理

何谓回复

1. 冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却

部分恢复到冷变形以前的过程

2. 回复是冷变形材料在退火时发生组织和性能变化的早期阶段，它实质上是一

种通过加热使晶体内部的点缺陷和位错发生运动，从而改变缺陷分布和减少缺陷数量的过程

何谓再结晶

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

冷变形金属加热时发生再结晶的驱动力是什么

驱动力：预先冷变形所产生的储存能的降低

冷变形金属加热时发生再结晶的标志是什么

冷变形金属在加热时发生回复的机制

1. 回复是冷变形材料在退火时发生组织和性能变化的早期阶段，它实质上是一

种通过加热使晶体内部的点缺陷和位错发生运动，从而改变缺陷分布和减少

缺陷数量的过程。

2. 低温回复?0.1~0.3Tm?时点缺陷的运动：移至晶界位错处消失；空位和间隙原

子相遇而消失；空位聚集起来形成空位对和空位群，点缺陷密度降低

3. 中温回复?0.3~0.5Tm?时位错的滑移：异号位错相遇而抵消，位错缠结重新排

列，位错密度降低

4. 高温回复??0.5Tm?时位错的攀移：位错垂直排列形成亚晶界，多变化形成亚

晶粒，弹性畸变能降低

冷变形金属在加热时发生再结晶的相应机制

1. 再结晶形核一个复杂问题：

a) 再结晶的形核是一个复杂问题，存在着很多不同的看法。

b) 最初有人用经典的结晶形核理论来处理再结晶的形核问题，但计算得到

的临界晶核半径过大，与实验结果不符。

c) 大量的实验结果表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形

成，并且回复阶段发生的多边形化是为再结晶形核所作的必要准备。

2. 随着高倍率透射电镜技术的发展，人们根据对不同冷变形度的不同金属材料

发生再结晶时的实验观察，提出了不同的再结晶形核机制：亚晶长大形核机制；晶界突出形核机制

3. ?A?亚晶长大形核机制

a) 亚晶长大形核一般在大的变形度下发生

b) 亚晶长大形核的亚晶：前面曾经指出，在回复阶段，塑性变形所形成的

胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核。

c) 大量的实验观察证明这种亚晶长大成为再结晶晶核的方式可能有两种 d) 其一为亚晶合并形核，即相邻亚晶粒的某些边界上的位错，通过攀移和

滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的凋整，终于使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核，如图7.10A所示，图中的ABC三个亚晶粒合并成一个再结晶晶核

e) 其二为亚晶界移动形核见图7.10B，它是依靠某些局部位错密度很高的亚

晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核的

4. 再结晶形核时的高能量区：

a) 无论是亚晶合并形核，还是亚晶界移动形核，它们都是依靠消粍周围的

高能量区才能长大成为再结晶晶核的

b) 因此，随着变形度的增大，就会产生更多的高能量区，从而有利于再结

品晶核的形成

5. ?B?晶界突出形核的变形量以及原理图7.10

a) 晶界凸出形核又称为晶界弓出形核

b) 当金属材料的变形量较小（约小于40%）时，再结晶晶核常以这种方式

形成

c) 由于变形度小，所以金属的变形很不均匀，有的晶粒变形度大，位错密

度也大；有的晶粒变形度小，位错密度也小

d) 回复退火后，它们的亚晶粒大小也不同。

e) 当再结晶退火时，在显微镜下可以直接观察到，晶界中的某一段就会向

亚晶粒细小位错密度度髙的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，这就是再结品晶核

f) 此处的结构：前面讲位错密度不同晶粒大小不同后面讲

判断题来自西北工业大学第七章

1. 不对。对于冷变形(较大变形量)后的金属，才能通过适当的再结晶退火细化

晶粒。

2. 不对。有些金属的再结晶温度低于室温，因此在室温下的变形也是热变形，

也会发生动态再结晶。

3. 不对。多边化过程中，空位浓度下降、位错重新组合，致使异号位错互相抵

消，位错密度下降，使点阵畸变减轻。

4. 不对。如果在临界变形度下变形的金属，再结晶退火后，晶粒反而粗化。

5. 不对。再结晶不是相变。因此，它可以在一个较宽的温度范围内变化。

6. 不对。微量熔质原子的存在(20#钢中WC＝0.002)，会阻碍金属的再结晶，从

而提高其再结晶温度。

7. 不对。只有再结晶过程才是形核及核长大过程，其驱动力是储存能。

8. 不对。金属的冷变形度较小时，相邻晶粒中才易于出现变形不均匀的情况，

即位错密度不同，越容易出现晶界弓出形核机制。

9. 不对。晶粒正常长大，是在界面曲率作用下发生的均匀长大；反常长大才是

大晶粒吞食小晶粒的不均匀长大。

10. 不对。合金中的第二相粒子一般可阻碍再结晶，也会阻止晶粒长大。

11. 不对。再结晶织构是冷变形金属在再结晶(一次，二次)过程中形成的织构。

它是在形变织构的基础上形成的，有两种情况，一是保持原有形变织构，二是原有形变织构消失，而代之以新的再结晶织构。

12. 不对。正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温过程中，晶粒发生均

匀长大的过程，而反常晶粒长大是在一定条件下(即再结晶后的晶粒稳定、存在少数有利长大的晶粒和高温加热)，继晶粒正常长大后发生的晶粒不均匀长大过程。

13. 不对。再结晶虽然是形核—长大过程，但晶体点阵类型并未改变，故不是相

变过程。