1、1第五章第五章擴(kuò)擴(kuò) 散散2 物質(zhì)傳輸?shù)姆绞剑?1、對(duì)流對(duì)流-由內(nèi)部壓力或密度差引起的 2、擴(kuò)散擴(kuò)散-由原子性運(yùn)動(dòng)引起的 固體中物質(zhì)傳輸?shù)姆绞绞菙U(kuò)散擴(kuò)散 固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移第一節(jié) 固體中原子的遷移 3第一節(jié) 固體中原子的遷移 E*-激活能激活能 固體中參與反應(yīng)的固體中參與反應(yīng)的原子超過原子平均能量原子超過原子平均能量的附加能量，的附加能量，J/molJ/molE - 原子平均能量原子平均能量E*- 在特定溫度下的能在特定溫度下的能量量Er - 反應(yīng)物的能量反應(yīng)物的能量Ep - 產(chǎn)物的能量產(chǎn)物的能量一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能4二、

2、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV = - C .E*/RTV - 固態(tài)反應(yīng)速率固態(tài)反應(yīng)速率C - 常數(shù)常數(shù)E* - 激活能激活能R - 摩爾氣體常數(shù)（摩爾氣體常數(shù)（8.314J/molk）T - 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從Arrhenius速率定律速率定律lnV和和1/T 為線性關(guān)系，可以從斜率為線性關(guān)系，可以從斜率-E*/R中計(jì)算出激活能中計(jì)算出激活能E*第一節(jié)第一節(jié) 固體中原子的遷移固體中原子的遷移 5一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制1.空位機(jī)制空位機(jī)制 通過原子與空位交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移通過原子與空位

3、交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移。空位擴(kuò)散機(jī)制的條件：空位擴(kuò)散機(jī)制的條件： 擴(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周圍的原子必須有超擴(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周圍的原子必須有超過能壘的自由能。過能壘的自由能。金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；置換固溶體中的擴(kuò)散（置換固溶體中的擴(kuò)散（Cu/Ni擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；散；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 6空位機(jī)制擴(kuò)散空位機(jī)制擴(kuò)散7Cu/Ni擴(kuò)散偶（1）8Cu/Ni擴(kuò)散偶（2）910

4、一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制2. 間隙機(jī)制間隙機(jī)制 間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的原子的遷移過程間隙位置的原子的遷移過程。間隙擴(kuò)散機(jī)制的條件：間隙擴(kuò)散機(jī)制的條件： 溶原子必須具有擠開溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周圍溶原子必須具有擠開溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周圍的激活能。的激活能。鋼的滲碳（鋼的滲碳（ E*c=140kj/mol, E*c =270kj/mol ）鋼的氮化鋼的氮化間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上的原子尺寸相比較是很小時(shí)，才會(huì)發(fā)生。的原子尺寸相比較是很

5、小時(shí)，才會(huì)發(fā)生。 第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 11間隙機(jī)制擴(kuò)散12一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制3. 其它擴(kuò)散機(jī)制其它擴(kuò)散機(jī)制 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散 位錯(cuò)擴(kuò)散位錯(cuò)擴(kuò)散第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 13第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1. 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第一定律第一定律（1）模型：）模型：在垂直面相距（在垂直面相距（X X2 2-X-X1 1) )的兩平行原子面的兩平行原子面之間的擴(kuò)散，經(jīng)過時(shí)間之間的擴(kuò)散，經(jīng)過時(shí)間t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1處的溶質(zhì)處的溶質(zhì)原子濃度分別為原子濃度分別為C1C1和和C

6、2,C2,并不隨時(shí)間變化。并不隨時(shí)間變化。14第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1. 1. 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick-Fick第一定律第一定律（2 2）FickFick第一定律第一定律 J = -D dC/dxJ = -D dC/dx濃度濃度梯度（梯度（gradientgradient）= dC/dx= dC/dx（斜率（斜率（slopeslope）, , 量量綱為綱為MLML-3-3D D：擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)（coefficientcoefficient），量綱為，量綱為L(zhǎng) L2 2T T-1-1表示通過某一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度表示通過某

7、一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度梯度成正比，其方向與濃度降落方向一致。梯度成正比，其方向與濃度降落方向一致。負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由低到高為正，擴(kuò)散方向由高到低為負(fù)）低到高為正，擴(kuò)散方向由高到低為負(fù)）15第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 xJtC/二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程2. 2. 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick-Fick第二定律第二定律擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過程中隨時(shí)間變化擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過程中隨時(shí)間變化(dc/dt(dc/dt0)0)對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，可用對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，

8、可用FickFick第二定律：第二定律： 如如D D為常數(shù)為常數(shù)22/xCDtC16常例：?jiǎn)蜗驘o限（semi-infinite），氣體偏壓固定邊界條件C = Cs at x=o，C = C0 at x= ，初始條件C = C0 at t=o誤差函數(shù)（error function）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(17一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響D = D0exp(- E*/(RT)E*：激活激活能（能（activation energy） in J/mol, cal/mol or eV/atom，移移動(dòng)動(dòng)原子所需能量原子所需能量。F

9、e in-Fe：3.0 x 10-21 m2/s at 500 ， 1.8 x 10-15 m2/s at 900 。溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。擴(kuò)散系數(shù)越大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 18二、固溶體類型對(duì)擴(kuò)散的影響二、固溶體類型對(duì)擴(kuò)散的影響間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬的周期短的周期短第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 19三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響l 1. 擴(kuò)散系數(shù)隨同

10、素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大擴(kuò)散系數(shù)隨同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大 -Fe的自擴(kuò)散系數(shù)是的自擴(kuò)散系數(shù)是-Fe的的240倍倍 在在527 ，氮在，氮在-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)比的自擴(kuò)散系數(shù)比-Fe大大1500倍倍l 結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此造成的濃度梯度不度是不同的，由此造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速度同，也會(huì)影響擴(kuò)散速度第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 2.晶體結(jié)構(gòu)異向性的影響晶體結(jié)構(gòu)異向性的影響 原子通過躍遷進(jìn)行擴(kuò)散，晶體中各晶向原子排到及其間距不同，因而不同晶向上的擴(kuò)散有一定差別。 立方晶系，三個(gè)晶軸方向原子挑到情況相同，擴(kuò)散系數(shù)相同 六方晶系

11、，特別是菱方結(jié)構(gòu)，異向性較大，擴(kuò)散的各向異性明顯20 3、晶體缺陷的影響、晶體缺陷的影響： 空位和位錯(cuò)促進(jìn)置換型原子的擴(kuò)散，但對(duì)間隙型原子的擴(kuò)散的作用尚無定淪，近來的一些研究認(rèn)為，它們可能作為陷阱吸引間隙擴(kuò)散原子，使它們的擴(kuò)散激活能增大，減慢擴(kuò)散速度。21問題C C在在-Fe-Fe中的溶解度為中的溶解度為0.02%0.02%，而，而在在-Fe-Fe的最大溶解度為的最大溶解度為2.21%2.21%，相差相差100100倍；而且倍；而且C C在在-Fe-Fe中的擴(kuò)中的擴(kuò)散系數(shù)比散系數(shù)比-Fe-Fe大很多，為什么在大很多，為什么在工業(yè)上還要選擇在工業(yè)上還要選擇在-Fe-Fe的固溶體的固溶體中滲碳？中

12、滲碳？ 滲碳層深度滲碳層深度 滲碳的溫度影響滲碳的溫度影響2223四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過程中，可以認(rèn)為影時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過程中，可以認(rèn)為影響不大。響不大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 某些金屬發(fā)生同素異轉(zhuǎn)變時(shí)擴(kuò)散系數(shù)也隨之改變。24252627五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響l 碳化物形成元素W、Mo、Cr等與碳的結(jié)合力較大，降低Dc-l Mn等形成碳化物能力較弱，對(duì)Dc-幾乎沒有影

13、響。l Co、Ni等非碳化物形成元素，由于溶入基本點(diǎn)陣而產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變相當(dāng)于減少（原子的擴(kuò)散激活能，提高Dc-)。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 28第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響-短路擴(kuò)散短路擴(kuò)散291）間隙固溶體：因溶質(zhì)原子較小，易于擴(kuò)散，因此，晶內(nèi)擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散的差別不大2）置換固溶體或純金屬：原子在晶界上的擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散快得多，晶界擴(kuò)散晶內(nèi)擴(kuò)散。原因：晶界處點(diǎn)陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，易于跳動(dòng)，故晶界擴(kuò)散激活能Qgb比晶內(nèi)擴(kuò)散激活能Qv小得多。第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散熱力學(xué)分析擴(kuò)散熱力學(xué)分析 原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)

14、力是化學(xué)位梯度，不是濃度梯度。 在一般情況下，化學(xué)位梯度與濃度梯度方向相同，故擴(kuò)散向濃度降低方向進(jìn)行。 在某些情況下，化學(xué)位梯度與濃度梯度方向相反時(shí)，則原子擴(kuò)散向化學(xué)位減少的方向進(jìn)行，原子從濃度低的地方擴(kuò)散到濃度高的地方，即上坡擴(kuò)散。30 如Fe-C合金與Fe-C-Si合金擴(kuò)散偶的擴(kuò)散，將Fe-0.4%C合金棒與Fe-0.4%-3.8%Si合金棒焊在一起，在1000長(zhǎng)時(shí)間保溫，進(jìn)行擴(kuò)散退火后，碳的濃度分布如下圖所示31 原因：Si提高了碳的化學(xué)位，因而C從含Si棒向無Si棒擴(kuò)散，從而降低C在含Si棒的化學(xué)位，消除了化學(xué)位梯度。32第五節(jié) 反應(yīng)擴(kuò)散 一、反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散： 通過擴(kuò)散自金屬表面向內(nèi)

15、滲入某種元素時(shí)，若該擴(kuò)散元素的含量超過基本金屬的溶解時(shí)，則隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，在金屬表面會(huì)形成另一新相層（多為中間相），這種伴隨有新相出現(xiàn)的擴(kuò)散過程稱反應(yīng)擴(kuò)散，或相變擴(kuò)散。3334 由反應(yīng)擴(kuò)散所形成的相可參考平衡相圖進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在二元合金反應(yīng)擴(kuò)散的滲層組織中不存在兩相混合區(qū)，只有孤立的單相區(qū)存在，而且在它們的相界面上的濃度是突變的，它對(duì)應(yīng)于相圖中每個(gè)相在一定溫度下的極限溶解度，不存在兩相混合區(qū)的原因可用相平衡的熱力學(xué)來解釋。3536一、鋼的滲碳一、鋼的滲碳 滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高

16、碳鋼的含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。低碳鋼良好的塑、韌性。補(bǔ)充補(bǔ)充 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的應(yīng)用 37鋼的滲碳2 依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為到臨界溫度以上（通常為900950）按一定流）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇

17、和丙酮），并量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解使之分解, 分解產(chǎn)物有分解產(chǎn)物有CnH2n和和CnH2n+2, 在鋼在鋼的表面發(fā)生如下的反應(yīng)的表面發(fā)生如下的反應(yīng)CnH2n nH2 + nCCnH2n+2 (n+1)H2 + nC 從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。38鋼的滲碳3391.已知初始條件，已知初始條件，求求滲碳時(shí)間滲碳時(shí)間t；2. 求一定滲碳層深度下的濃度；求一定滲碳層深度下的濃度；3. 求滲碳層深度求滲碳層深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs鋼的滲碳鋼的滲碳440414

18、243第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的應(yīng)用 此 現(xiàn) 象此 現(xiàn) 象常發(fā)生在磷元素之常發(fā)生在磷元素之?dāng)U散，當(dāng)晶片表面擴(kuò)散，當(dāng)晶片表面之摻雜濃度高至接之摻雜濃度高至接近溶解度時(shí)，元素近溶解度時(shí)，元素?cái)U(kuò)散分佈曲線會(huì)顯擴(kuò)散分佈曲線會(huì)顯示異常的行為。一示異常的行為。一系列的模擬圖顯示，系列的模擬圖顯示，在在1000oC1000oC時(shí)進(jìn)行擴(kuò)時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散一個(gè)小時(shí)後，不散一個(gè)小時(shí)後，不同表面濃度的磷元同表面濃度的磷元素?cái)U(kuò)散後的分佈曲素?cái)U(kuò)散後的分佈曲線圖。磷元素?cái)U(kuò)散，線圖。磷元素?cái)U(kuò)散，其擴(kuò)散係數(shù)大約增其擴(kuò)散係數(shù)大約增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 二、半導(dǎo)體擴(kuò)散參雜二、半導(dǎo)體擴(kuò)散參雜44第六章 材料的塑性變形納米銅

19、的室溫超塑性45第一節(jié) 金屬變形概述彈性變形塑性變形斷裂彈性變形塑性變形斷裂46第一節(jié) 金屬變形概述彈性變形彈性變形：變形可逆；變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。彈性模量彈性模量：原子間結(jié)合原子間結(jié)合力的反映和力的反映和度量。度量。47第二節(jié) 單晶體的塑性變形 常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。一一 滑移滑移 1 1 滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部

20、原子排列規(guī)律性的塑產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。變方式。 光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）。光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）。 2 2 滑移的表象學(xué)滑移的表象學(xué) 電境下：滑移線。電境下：滑移線。48第二節(jié) 單晶體的塑性變形 一一 滑移滑移 光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）。光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）。 2 2 滑移的表象學(xué)滑移的表象學(xué) 電境下：滑移線。電境下：滑移線。49第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）幾何要素）幾何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 50第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)

21、滑移的晶體學(xué) （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合?；葡担阂粋€(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。 滑移系的個(gè)數(shù)滑移系的個(gè)數(shù):(:(滑移面?zhèn)€數(shù)）滑移面?zhèn)€數(shù)）（每個(gè)面上所具有（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）的滑移方向的個(gè)數(shù)）51第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合?；葡担阂粋€(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。 滑移系的個(gè)數(shù)滑移系的個(gè)數(shù):(:(滑移面?zhèn)€數(shù)）滑移面?zhèn)€數(shù)）（每個(gè)面上所具有（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）的滑移方向的個(gè)數(shù)）晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移方向滑移系數(shù)目常

22、見金屬面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo體心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方52第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) （2 2）滑移系）滑移系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系：滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系： 與滑移面密排程度和滑移方與滑移面密排程度和滑移方 向個(gè)數(shù)有關(guān)；向個(gè)數(shù)有關(guān)； 與同時(shí)開動(dòng)滑移系數(shù)目有與同時(shí)開動(dòng)滑移系數(shù)目有 關(guān)（關(guān)（ c c）。）。晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移方向滑移系數(shù)目常見金屬

23、面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo體心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方53第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) （3 3）滑移的臨界分切應(yīng)力（）滑移的臨界分切應(yīng)力（ c c） c c：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。 外力在滑移方向上的分解。外力在滑移方向上的分解。 c c s scoscos coscos 54第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) （3 3

24、）滑移的臨界分切應(yīng)力（）滑移的臨界分切應(yīng)力（ c c） c c取決于金屬的本性，不受取決于金屬的本性，不受 ， 的影響；的影響； 或或 9090 時(shí)，時(shí)， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 時(shí)，時(shí)， s s最小，晶體易滑移；最小，晶體易滑移； 軟取向：值大；軟取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。 55第二節(jié) 單晶體的塑性變形 4 4 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng) （1 1）位向和晶面的變化）位向和晶面的變化 拉伸時(shí)拉伸時(shí), ,滑移面和滑移方向趨于滑移面和滑移方向趨于 平行于力軸方向平

25、行于力軸方向 壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：幾何硬化： ， 遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離4545 ，滑移變得困難，滑移變得困難；（2 2）取向因子的變化）取向因子的變化 幾何軟化；幾何軟化； ， 接近接近4545 ，滑移變得容易，滑移變得容易。56第二節(jié) 單晶體的塑性變形 5 5 多滑移多滑移 （1）滑移的分類）滑移的分類 多滑移：在多個(gè)（多滑移：在多個(gè)（22）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。 雙滑移：雙滑移： 單滑移：?jiǎn)位疲?（2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾

26、角分別相等的一組滑移系。夾角分別相等的一組滑移系。57第二節(jié) 單晶體的塑性變形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一）交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。滑移方向進(jìn)行的滑移。 （2）機(jī)制）機(jī)制 螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程；交的另一滑移面的過程； 螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。滑移面的過程。58第二節(jié) 單晶體的塑性變形 7 滑移的表面痕跡滑移的表面痕跡 單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙?/p>

27、；單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙В?多滑移：相互交叉的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶； 交滑移：波紋狀的滑移帶。交滑移：波紋狀的滑移帶。59第二節(jié) 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 （1 1）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。關(guān)系。 孿生面孿生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孿生的晶體學(xué)）孿生的晶體學(xué) 孿生方向?qū)\生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孿晶區(qū)孿晶區(qū) 60

28、第二節(jié) 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 （3）孿生變形的特點(diǎn)滑移孿生相同點(diǎn)1均勻切變；2 沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；不改變結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果2h61第三節(jié) 多晶體的塑性變形1 1 晶粒之間變形的傳播晶粒之間變形的傳播 位錯(cuò)在晶界塞積位錯(cuò)在晶界塞積 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 相鄰晶

29、粒位錯(cuò)源開動(dòng)相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng) 相相鄰晶粒變形鄰晶粒變形 塑變塑變 2 2 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）致晶體分裂） （3 3）條件：獨(dú)立滑移系）條件：獨(dú)立滑移系 5 5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）化） 多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。 多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶

30、界，變形復(fù)雜。且存在許多晶界，變形復(fù)雜。62第三節(jié) 多晶體的塑性變形3 3 晶界對(duì)變形的阻礙作用晶界對(duì)變形的阻礙作用 （1 1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對(duì)變形的影響）晶界對(duì)變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極少穿極少穿過。過。 （3 3）晶粒大小與性能的關(guān)系）晶粒大小與性能的關(guān)系 a a 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高( (細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：由下列霍爾配奇公式：由下列霍爾配奇公式可知可知) ) s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)

31、動(dòng)的阻力越大。（有原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。（有尺寸限制）尺寸限制）63第三節(jié) 多晶體的塑性變形 b b 晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中 導(dǎo)致導(dǎo)致的開裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出的開裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高高塑性塑性。細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量能量, ,表現(xiàn)出表現(xiàn)出高韌性高韌性。64第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固

32、溶體的塑性變形 1 1 固溶體的結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu) 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （1 1）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； （2 2）強(qiáng)化機(jī)制）強(qiáng)化機(jī)制 柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化?？率蠚鈭F(tuán)強(qiáng)化。65第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （3 3）屈服和應(yīng)變時(shí)效）屈服和應(yīng)變時(shí)效 現(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）?，F(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）。 預(yù)變形和時(shí)效的影響：預(yù)變形和時(shí)

33、效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或去載后放置一段時(shí)間或200200加熱后再加載出現(xiàn)屈服。加熱后再加載出現(xiàn)屈服。(why?) 原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。66第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （4）固溶強(qiáng)化的影響因素）固溶強(qiáng)化的影響因素 溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好；溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好； 溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；

34、 間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。67第四節(jié) 合金的塑性變形二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 1 1 結(jié)構(gòu)：基體第二相。結(jié)構(gòu)：基體第二相。 2 2 性能性能 （1）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。 （2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）；第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）； a a結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩相呈層片狀分布（珠光體）；兩相呈層片狀分布（珠光體）； 第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。68第四節(jié) 合金的塑性變形二二 多相合金的塑

35、性變形多相合金的塑性變形 2 2 性能性能 （2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 彌散強(qiáng)化：位錯(cuò)繞過第二相粒子彌散強(qiáng)化：位錯(cuò)繞過第二相粒子( (粒子、位粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)) )b b強(qiáng)化強(qiáng)化 沉淀強(qiáng)化：位錯(cuò)切過第二相粒子（表面能、沉淀強(qiáng)化：位錯(cuò)切過第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）錯(cuò)排能、粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響性能的影響 6970一、塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響一、塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 1.1.金屬組織的變化金屬組織的變化（1 1）晶粒發(fā)生變形）晶粒發(fā)生變形 晶粒沿形變方向被拉長(zhǎng)或壓扁；晶粒沿形

36、變方向被拉長(zhǎng)或壓扁；變形量很大時(shí)變形量很大時(shí), , 晶粒變成細(xì)條狀晶粒變成細(xì)條狀( (拉伸時(shí)拉伸時(shí)), ), 金屬中的夾雜物金屬中的夾雜物也被拉長(zhǎng)也被拉長(zhǎng), , 形成形成纖維組織纖維組織。變形前變形前變形后變形后71塑性變形中的組織變化75變形變形細(xì)條狀纖維細(xì)條狀纖維組織組織50變形變形拉長(zhǎng)或壓拉長(zhǎng)或壓扁的晶粒扁的晶粒25變形變形滑移線滑移線未變形未變形原始晶粒原始晶粒7273（2 2）亞結(jié)構(gòu)形成）亞結(jié)構(gòu)形成 金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí)金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí), , 位錯(cuò)密度增大位錯(cuò)密度增大, , 大量位錯(cuò)堆積大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū)在局部地區(qū), , 相互纏結(jié)相互纏結(jié), , 形成形成位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在

37、位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。）胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。）形成不均勻的分布形成不均勻的分布, , 使晶粒使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊分化成許多位向略有不同的小晶塊, , 產(chǎn)生產(chǎn)生亞晶粒亞晶粒。 金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)74 （3 3）變形織構(gòu)）變形織構(gòu) 金屬原本是偽各向同性，但金屬塑性變形到一定程金屬原本是偽各向同性，但金屬塑性變形到一定程度時(shí)度時(shí), , 由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), , 使各晶粒的位向趨近于一使各晶粒的位向趨近于一致致, ,導(dǎo)致各向異性的產(chǎn)生，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做導(dǎo)致各向異性的產(chǎn)生，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做變形變形織構(gòu)織構(gòu)。 按照產(chǎn)品外形

38、，變形織構(gòu)可分為：按照產(chǎn)品外形，變形織構(gòu)可分為：絲織構(gòu)和板織構(gòu)絲織構(gòu)和板織構(gòu)75學(xué)習(xí)情境三：金屬的塑性變形對(duì)組織性能的影響學(xué)習(xí)情境三：金屬的塑性變形對(duì)組織性能的影響 3.2形變織構(gòu)示意圖形變織構(gòu)示意圖 絲織構(gòu)絲織構(gòu) 各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后經(jīng)大變形量冷拔后, , 其（其（100100）平行于拔絲方向）平行于拔絲方向; ; 板織構(gòu)板織構(gòu) 各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構(gòu)為低碳鋼的板織構(gòu)為001001（110110）。）。（2 2）織構(gòu)）織構(gòu)絕大部分晶粒的某一位向與外力方向

39、趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu)。77學(xué)習(xí)情境三：金屬的塑性變形對(duì)組織性能的影響學(xué)習(xí)情境三：金屬的塑性變形對(duì)組織性能的影響 3.278第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 二二 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 1 1 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） （1 1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。 79第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的

40、影響 二二 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 1 1 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） 強(qiáng)化金屬的重要途徑；強(qiáng)化金屬的重要途徑； 利利 提高材料使用安全性（）；提高材料使用安全性（）； （2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保證。材料加工成型的保證。 弊弊 變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大；變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大； 脆斷危險(xiǎn)性提高。脆斷危險(xiǎn)性提高。 80第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 二二 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 2 2 對(duì)物理、化學(xué)性能的影響對(duì)物理、化學(xué)性能的影響 導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；

41、 結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快；結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快； 化學(xué)活性提高，腐蝕加快?；瘜W(xué)活性提高，腐蝕加快。81第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 三三 殘余應(yīng)力（約占變形功的殘余應(yīng)力（約占變形功的1010） 第一類殘余應(yīng)力（第一類殘余應(yīng)力（ ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物 體變形不均勻引起。體變形不均勻引起。 1 1 分類分類 第二類殘余應(yīng)力（第二類殘余應(yīng)力（ ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變 形不均勻引起。形不均勻引起。 第三類殘余應(yīng)力（第三類殘余應(yīng)力（ ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空 位等引起。位等引起。80-

42、90%80-90%。 利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車板簧的生產(chǎn)。利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車板簧的生產(chǎn)。 2 2 利弊利弊 弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。 3 3 消除：去應(yīng)力退火。消除：去應(yīng)力退火。 82第七章 金屬的回復(fù)與再結(jié)晶1. 形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化2. 回復(fù) 3. 再結(jié)晶 4. 晶粒長(zhǎng)大 5. 金屬的熱加工 83第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化組織與性能變化 一 回復(fù)與再結(jié)晶 回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無可見變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過程。 再結(jié)晶：冷變形

43、金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過程。 回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長(zhǎng)大84第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化組織與性能變化 二 顯微組織變化（示意圖） 回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化； 再結(jié)晶階段：變形晶粒通過形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o畸變的等軸晶粒。 晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。 回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長(zhǎng)大顯微組織變化86第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化組織與性能變化 三三 性能變化性能變化 1 1 力學(xué)性能（示意圖）力學(xué)性

44、能（示意圖）回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高，晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高， 粗化嚴(yán)重時(shí)下降。粗化嚴(yán)重時(shí)下降。2 2 物理性能物理性能密度：在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；密度：在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。88第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化組織與性能變化 四 儲(chǔ)

45、存能變化（示意圖） 1 儲(chǔ)存能：存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分（10）變形功。 彈性應(yīng)變能（312） 2 存在形式 位錯(cuò)（8090） 驅(qū)動(dòng)力 點(diǎn)缺陷 3 儲(chǔ)存能的釋放：原子活動(dòng)能力提高，遷移至平衡位置，儲(chǔ)存能得以釋放。89第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化組織與性能變化 五 內(nèi)應(yīng)力變化 回復(fù)階段：大部分或全部消除第一類內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類內(nèi)應(yīng)力； 再結(jié)晶階段：內(nèi)應(yīng)力可完全消除。第二節(jié) 回 復(fù)（Recovery） 所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化?；貜?fù)階段一般加熱溫度在0.4Tm以下。2.1 回復(fù)時(shí)組織

46、性能變化 1) 宏觀應(yīng)力基本去除，微觀應(yīng)力仍然殘存；2) 物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回到未變形前的水平；3) 力學(xué)性能，如硬度和流變應(yīng)力，覺察不到有明顯的變化；4) 光學(xué)金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復(fù)，在電子顯微鏡下可見到晶粒內(nèi)部組織的變化。(位錯(cuò)的胞狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?2.2 回復(fù)機(jī)制 低溫階段低溫階段 點(diǎn)缺陷的遷移和減少點(diǎn)缺陷的遷移和減少, , 表現(xiàn)為表現(xiàn)為: :- 空空位與間隙原子的相遇而互相中和位與間隙原子的相遇而互相中和- 空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移- 點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面處消失。點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界

47、面處消失。中溫階段中溫階段: p 纏結(jié)位錯(cuò)重新組合纏結(jié)位錯(cuò)重新組合; p 異號(hào)位錯(cuò)抵消異號(hào)位錯(cuò)抵消, 位錯(cuò)密度略有降低。位錯(cuò)密度略有降低。p 亞晶粒長(zhǎng)大。亞晶粒長(zhǎng)大。2.2 回復(fù)機(jī)制高溫回復(fù)高溫回復(fù)1) 位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)環(huán)縮小；2) 亞晶粒合并；3) 多邊化。多邊化 是指冷變形金屬加熱時(shí)，原來處于滑移面上的位錯(cuò)，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多邊化的驅(qū)動(dòng)力是彈性應(yīng)變能的降低。2.3 回復(fù)動(dòng)力學(xué) 冷變形材料性能的回冷變形材料性能的回復(fù)程度與回復(fù)處理的復(fù)程度與回復(fù)處理的時(shí)間和溫度有關(guān)。時(shí)間和溫度有關(guān)?；鼗貜?fù)過程是熱激活過程，復(fù)過程是熱激活過程，轉(zhuǎn)變的速度決定于原轉(zhuǎn)變的速度決定于原子的

48、活動(dòng)能力。子的活動(dòng)能力。上圖中硬化分?jǐn)?shù) R 表示為：R=(m-r)/(m-0)；m、r、0分別為變形后、回復(fù)后以及完全退火后的屈服應(yīng)力。其它材料性能參量的回復(fù)過程也具有類似的熱激活特征。設(shè)變形前（或完全退火態(tài)）材料的某一可測(cè)物性參量(如電阻率等)為P0，冷變形后為Pd，回復(fù)過程中其性能P和回復(fù)溫度、時(shí)間滿足如下動(dòng)力學(xué)關(guān)系： 其中A為與材料類型結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Q為回復(fù)激活能，R為氣體常數(shù)，T發(fā)生回復(fù)溫度，t為回復(fù)進(jìn)行的時(shí)間。 )exp(ln00RTQAtppppd同理，不同的溫度下，回復(fù)到相同的程度所需時(shí)間可以表示為：即ln t 1/T成線性關(guān)系。一方面可以由此測(cè)量計(jì)算它的激活能；另一方面說明熱

49、激活過程中時(shí)間和溫度的等效關(guān)系。實(shí)際上任何材料變形后都在慢慢的發(fā)生回復(fù)，室溫下無明顯變化主要是因?yàn)樽兓乃俣群苈隆?TRQCt1ln 去應(yīng)力退火 降低應(yīng)力（保持加工硬化效果） 防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。2.4 回復(fù)應(yīng)用回復(fù)應(yīng)用 第三節(jié) 再結(jié)晶(Recrystallization)3.1 再結(jié)晶的基本過程冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于0.4Tm)或保溫足夠時(shí)間后，在原來的變形組織中產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯(cuò)密度顯著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復(fù)到冷變形前的水平，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是變形儲(chǔ)能的降低。p 變化前后的晶粒成分相

50、同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個(gè)相。p 再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點(diǎn)，即沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度。p 再結(jié)晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以發(fā)生可逆變化。p 發(fā)生再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力是冷塑性變形晶體的畸變能，也稱為儲(chǔ)存能。冷塑性變形后的發(fā)生再結(jié)晶，晶粒以形核和晶核長(zhǎng)大來進(jìn)行，但再結(jié)晶過程不是相變。原因有：3.2 再結(jié)晶形核再結(jié)晶的形核是個(gè)復(fù)雜的過程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來處理再結(jié)晶過程，但計(jì)算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復(fù)階段發(fā)生的多邊化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。3.2.1 亞晶粒

51、長(zhǎng)大形核機(jī)制亞晶粒長(zhǎng)大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。回復(fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊化發(fā)展成亞晶，其中亞晶長(zhǎng)大形核的方式有亞晶合并和亞晶界移動(dòng)兩種機(jī)制。a.亞晶合并機(jī)制相鄰亞晶界的位錯(cuò)，通過滑移和攀移轉(zhuǎn)移到周圍晶界或亞晶界上，導(dǎo)致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴(kuò)散和位置的調(diào)整，使兩個(gè)或多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢拢喜⒊蔀橐粋€(gè)大的亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶核。b.亞晶界移動(dòng)機(jī)制如上圖，晶粒中某些局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界向周邊移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長(zhǎng)為再結(jié)晶晶核。3.2.2晶界凸出形核機(jī)制金屬變形是不均勻的，若晶界兩邊一個(gè)晶粒的位錯(cuò)密度高，另一個(gè)位錯(cuò)密度低，加熱時(shí)晶界會(huì)向密度高的

52、一側(cè)突然移動(dòng)，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯(cuò)低的一側(cè)，新的排列應(yīng)為無畸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域就是再結(jié)晶核心。 和結(jié)晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲面因面積增加會(huì)增加界面能，另一方面形核區(qū)中原變形區(qū)內(nèi)有應(yīng)變能的釋放 。形核的臨界條件是 ：其中ES為單位體積內(nèi)的應(yīng)變畸變能，為界面能，a為生成前晶界的半徑。 晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中曾直接觀察到。 變形晶粒晶界附近的原子移動(dòng)到新的變形晶粒晶界附近的原子移動(dòng)到新的未變形晶粒上，從而可以減少變形應(yīng)未變形晶粒上，從而可以減少變形應(yīng)變能，新晶粒不斷長(zhǎng)大到相遇，最后變能，新晶粒不斷長(zhǎng)大到相遇，最后全部為新晶粒，再結(jié)晶完成全部為新晶粒，再結(jié)

53、晶完成。 3.3 核心的長(zhǎng)大核心的長(zhǎng)大3.4 形核率和長(zhǎng)大線速率的影響因素p 變形程度提高、原始晶粒尺寸減小，材料中變形儲(chǔ)能提高，高能區(qū)域增多，再結(jié)晶形核率N和長(zhǎng)大速率G增大。p 形核率和長(zhǎng)大速率與溫度的關(guān)系滿足：N=N0exp(-QN/RT)；G=G0exp(-QG/RT)N0、G0為常數(shù)，QN、QG分別為形核和長(zhǎng)大激活能，當(dāng)變形程度為12%左右時(shí)，兩者大體相等。p 固溶于合金中的微量元素或雜質(zhì)，往往聚集在點(diǎn)陣缺陷（空位、位錯(cuò)、亞晶界）周圍，使它們難以運(yùn)動(dòng)，不易形成再結(jié)晶核心，降低形核率。p粗大第二相雜質(zhì)粒子存在于基體中時(shí)，塑性變形后在分界面會(huì)產(chǎn)生局部的點(diǎn)陣畸變很嚴(yán)重的區(qū)域，使鄰近的第二相的

54、基體中容易形核，促使形核率增大。p極為細(xì)小的二相粒子(70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大。退火溫度和時(shí)間：退火溫度和時(shí)間：退火溫度高，完成再結(jié)晶用的時(shí)間少，長(zhǎng)大的時(shí)間就長(zhǎng)，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結(jié)晶退火一般均采用保溫 2小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過分長(zhǎng)大，延長(zhǎng)保溫時(shí)間顯然會(huì)造成晶粒尺寸的長(zhǎng)大。 5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素3) 雜質(zhì)：無論是固溶于晶體內(nèi)的異類原子，還是在材料組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)，特別是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。4) 原始晶粒大?。涸谄渌麠l件相同時(shí)，材料變形前的晶粒尺寸愈細(xì)小

55、，晶界面多，有利形核，再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。5) 變形溫度：材料變形溫度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，可使再結(jié)晶后的晶粒變粗。p 應(yīng)避免在臨界變形量；p 同時(shí)一次不宜進(jìn)行過大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或出現(xiàn)晶粒的異常長(zhǎng)大；p 嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)晶能充分完成而晶粒不過分長(zhǎng)大?？刂品椒ㄔ俳Y(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定于形核率和長(zhǎng)大速率的比值。為了防止再結(jié)晶后晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)：5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素5.3 其他組織變化 再結(jié)晶織構(gòu)材料的冷變形程度較大，如果產(chǎn)生了變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取

56、向，這時(shí)的織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)。 再結(jié)晶織構(gòu)對(duì)進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)晶銅板形成制耳。經(jīng)常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質(zhì)，退火孿晶有些結(jié)構(gòu)的金屬及合金，再結(jié)晶退火后經(jīng)常出現(xiàn)孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結(jié)晶孿晶。 第六節(jié) 金屬的熱加工 1.熱加工 2.熱加工的流變應(yīng)力3.熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 4.熱加工對(duì)材料組織性能的影響 6.1 何謂熱加工？何謂熱加工？p 熱加工：再結(jié)晶溫度以上的加工稱為“熱加工”。p 溫加工：低于再結(jié)晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工：室溫加工。p Sn的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此室溫下對(duì)錫的加工即為熱加工。6.2 熱加工的流變應(yīng)力熱加工所需的應(yīng)力稱為流變應(yīng)力

57、。塑性變形一方面產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)一步變形需要加大應(yīng)力，另一方面在再結(jié)晶溫度以上，材料會(huì)發(fā)生再結(jié)晶軟化，可使變形應(yīng)力減小，并且加工硬化程度越高，再結(jié)晶速度越快，二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，繼續(xù)變形就不需要再加大應(yīng)力，也就是在這個(gè)應(yīng)力作用下能一直變形，這個(gè)應(yīng)力就是流變應(yīng)力。流變應(yīng)力的大小和材料的本質(zhì)有關(guān)，由材料成分所決定的強(qiáng)度高，對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力必然也高。此外，還和變形溫度和變形速度有直接的關(guān)系，流變應(yīng)力隨變形速率(單位時(shí)間內(nèi)的變形量)加大而增加，隨變形溫度升高而下降。 6.3 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變

58、形硬化和軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，熱加工時(shí)軟化有以下類型：1）動(dòng)態(tài)回復(fù)：）動(dòng)態(tài)回復(fù)：在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過程。它不同于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時(shí)作用可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。 2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：多晶材料發(fā)生塑性變形，部分區(qū)域的變形量超過臨界變形量后，以再結(jié)晶方式形核，變形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不斷的長(zhǎng)大。由于變形在繼續(xù)進(jìn)行，長(zhǎng)大的晶粒也在變形中，一邊長(zhǎng)大的同時(shí)，內(nèi)部又因變形而增加缺陷硬化，長(zhǎng)大前后不同，內(nèi)部的缺陷密度也不同。這些在再結(jié)晶中生成長(zhǎng)大的晶粒當(dāng)變形超過一定程度會(huì)再次形核長(zhǎng)大，如此周而復(fù)始。材料中的平均統(tǒng)計(jì)缺陷的密度決定于變形速率，變形速率高，平均硬化程度維持在較高的水平，材料在變形中表現(xiàn)出較高的流變應(yīng)力。 6.3 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 3）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：變形過程中形成的再結(jié)晶核心或長(zhǎng)大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)