金属塑性变形物理基础
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再结晶过程
大角度晶界扫过变形组织，以新生无畸变 晶粒取代变形晶粒的过程。 静态再结晶 动态再结晶 亚动态再结晶
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再结晶过程
静态再结晶
指冷变形后的金属在足够高的温度下，通 过新晶核的形成及长大，以无畸变的新晶粒 逐步取代变形晶粒的过程．
与冷变形相似
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回复过程
回复
热态变形及随后过程中金属内所发生的大角度 晶界移动之前的一切位错运动过程。 静态回复与动态回复的区别 动态回复发生在变形之时 静态回复发生在变形之后
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回复过程中的位错运动 • 点缺陷运动和结合 • 位错重新组合与抵消
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加工硬化的意义-金属的冷成型加工的保证
金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形 均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致 最终断裂；
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加工硬化的意义-提高了构件的安全性
构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集 中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局 部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与
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冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
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热变形主要机理
晶 内 滑 移
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晶 内 孪 生
晶 界 滑 移
扩 散 蠕 变
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热变形主要机理发生条件
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热塑性变形机理——扩散蠕变
σ σ σ
a)
b)
c)
a) 空位和原子的移动方向 b) 晶内扩散 c) 晶界扩散 温度高（能量大），晶粒细（路程短），应变速率低（时间多） 扩散蠕变作用大
特点：变形后发生、迅速、无孕育期 与动态再结晶的区别：变形后发生 与静态再结晶的区别：无孕育期
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再结晶条件
层错能+晶界迁移难易程度
层错能低 集束成特征位错困难 不 易于攀移和交滑移 回复作用不显著， 并形成高位错密度差 晶界迁移能力强 密度区域迁移容易
回复机制低/中/高温 再结晶过程形核/长大 再结晶温度影响因素
再结晶晶粒度
电阻率降→空位/位错应变能 内应力降→晶体内弹性变形 硬度及强度保持→位错密度 界面能，表面能 作为驱动力 消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
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冷变形金属在加热时的组织与性能变化
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大角度晶界向高位错 再结晶
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回复和再结晶对组织性能的影响：
回复 再结晶 晶粒长大 密度
电阻率
空位密度 性质
伸长率
硬度和强度
结晶晶粒大小
位错密度
加热温度
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热塑性变形中的软化过程
a)
轧制 变 形 率 50
冷 加 工
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冷塑性变形机理（纯金属）
1、晶内变形 滑移
孪生
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冷塑性变形机理（纯金属）
2、晶间变形
晶粒间的相对滑动和转动
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化：
纤维组织
亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏 性能变化： 力学性能
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化：
纤维组织
亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏 性能变化： 力学性能
残余应力
物化性能
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冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度 显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化， 也叫形变强化或冷作硬化。
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加工硬化的意义-强化手段
加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷 拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的 材料，冷变形加工是强化它们的主要手段；
1200 1000 800 600 400 200 0 ² È ¨ © Ó ¶ £ HBS£ ¹ ­ ¿ È ¨ ¿ À Ç ¶ £ Mpa) ä Î ° ±Ð Ç ä Î ó ±Ð º
金属冷变形使材料内部空位、位错等结构缺陷密度增加，畸 变能升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此材 料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金 属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
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冷变形金属加热时性能影响
在回复阶段，各材料释放的存储能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。
残余应力
物化性能
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冷变形对组织的影响
组织变化： 纤维组织
晶粒形状变化 晶体取向变化
亚结构
变形织构
晶内及晶间的破坏
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冷变形纤维组织
金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 沿形变方向被拉长或 压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中 的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。
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金属在冷和热塑性加工过程中 组织与性能变化规律的异同
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金属材料性能及其影响因素
金属材料性能
力学性能；物化性能
在一定的使用条件下 温度、加载速度、应力状态、环境介质等 影响因素 成分与组织结构
材料设计与材料加工工艺设计
形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定
程度上提高了构件的安全性。
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冷变形残余应力（储存能）
塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热外，还有一小部 分以畸变能的形式存储在材料内部，这部分存储能的具体表 现方式为：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。
变形前的退火状态组织
变形后的冷轧变形组织
沿垂直变形方向截取试样则不能真实反映晶粒变形情况
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冷变形亚结构的变化
金属经大的塑性变形时， 由于位错的密度增大并发生交互 作用，大量位错堆积在局部地区， 并相互缠结， 形成不均 匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块， 从而 在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）。
宏观表现0.1%
晶粒获亚晶 粒之间变形 不均匀性
空位、间隙 原子、位错 等 80%-90%
金属经塑性变形后的残余应力是不可避免的，这对工件的变形、开 裂和应力腐蚀产生影响和危害。
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残余内应力的消除与应用
金属塑性变形后的残余应力，可以通过去应力退火来消除；
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热变形软化机制与相关概念 热塑性变形过程中加工硬化和软化过程并存
1. 外力和温度的共同作用下发生 动态回复 ----高层错能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移 动态再结晶 ----底层错能（Cu/Ni/SS/γFe）扩展位错宽
2. 去除外力后 亚动态再结晶 静态回复 静态再结晶
Cu丝冷变形的力学性能变化
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常温变形对低碳钢力学性能的影响
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加工硬化的本质原因：
金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增 强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力 提高。 晶粒破碎细化, 使强度得以提高。（细晶效应）
Q345(16Mn)钢的自行车链条经 五次轧制，总变形量为65%时性 能对比
2011-11-5
65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可 达2000~3000MPa,，比一般钢材的强 度提高4~6倍。
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加工硬化的意义-强化手段
高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的 主要强化手段就是加工硬化。 当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生 微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度 快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。