Transcript 5第五章材料的形变和再结晶（1）

第五章
材料的形变和再结晶
本章要求的主要内容
需掌握的概念和术语：
1. 弹性变形、塑性变形、材料应力—应变曲线所对应的强
度指标；
2. 塑性变形的实质、方式——滑移、孪生；
3. 滑移带、滑移线、滑移系、多滑移、交滑移；
4. 软（硬）位向，临界分切应力
5. 固溶强化、细晶（晶界）强化、弥散（沉淀）强化、形
变强化（加工硬化）
6. 纤维组织、形变织构、带状组织、残余应力
7. 回复（低、中、高温）、再结晶（动、静态的），晶粒
长大；
8. 再结晶温度及影响因素、临界变形度、二次再结晶。
9. 冷、热加工

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
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


重点和难点：
1. 位错理论在解释各类塑性变形等问题的应用。
如：①为何理论临界应力>>实际测量的值。
②各种强化机理（如：固溶强化、细晶（晶界）
强化、弥散（沉淀）强化、形变强化（加工硬化）
等）
2. 再结晶温度及影响因素
3. 回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力
4. 结晶、重结晶?、再结晶和二次再结晶的区别
5. 去应力退火与再结晶退火工艺的制定与应用
6. 冷、热加工处理后对材料组织结构和性能的影响
概述
金属的应力—应变曲线
 金属在外力作用下一般经历弹性变形
（elastic deformation）、弹塑性变形
（plastic deformation）和断裂
（fracture）三个阶段。

1.工程应力一应变曲线
工程应力一应变（σ－ε）曲线：
 σ= P/Ao
ε= （L－Lo）/ Lo
P—为载荷
Ao—原始试样的截面积
L、Lo—变形后和变形前试样的长度
 低碳钢σ—ε曲线如图5.1（P164）
静拉伸示意图
载荷－伸长曲线
应力－应变曲线(F0不变）
①弹性变形
②屈服变形
③均匀塑性变
形
④局部塑性变
形
真应力-应变曲线（-------代表）
σp:比例极限
σE: 弹性极限
σLY:屈服（下）
Yield point
σUY：屈服（上）
σB： 强度极限
σb: 强度
σp: 应力与应变成正比关系的最大应力。
σp=FP/F0
σE :由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。
σE =FE /F0
不同材料，其应力－应变曲线不同，如：
低碳钢σ—ε曲线的特点
(1) σ<σe 弹 性 变 形 阶 段 （ elastic
deformation） 线性阶段
 该阶段符合虎克定律
σ= Eε或 τ=
Gγ
 E 、 G 为 弹 性 模 量 （ modulus of
elasticity）：表示金属材料抵抗弹性
变形的能力。为σ—ε曲线上斜率
 σe：材料弹性极限,是材料保持弹性的
最大应力。单位：MPa
（2）σe<σ<σs 微量塑性变形开始阶段
 σs：材料屈服极限,是开始发生塑性变
形的最小应力。
 σ0.2:材料屈服强度（yield strength），
表示以材料产生0.2%残余变形的应力值
为其屈服极限，又称条件屈服极限。主
要用于无明显屈服的材料的屈服点。
 σs 、σ0.2 表示材料对开始微量塑性变形
的抗力。
（3）σs<σ<σb 均匀塑性变形 ε↑、
σ↑

σb：抗拉强度, 表示材料最大均匀塑
性变形的抗力。
（4）σb<σ<σk 不均匀塑性变形

σ>σb 试样开始发生不均匀塑性变形
并形成缩颈

σk：条件断裂强度。表示材料对塑性
变形的极限抗力。
 塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂。
塑性: 固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而
不破坏其完整性的能力。因此，塑性反映了材料产生
塑性变形的能力。塑性的好坏或大小，可用金属在破
坏前产生的最大变形程度来表示，并称其为“塑性极
限”或“塑性指标”。
塑性指标:
 伸长率δ,表示均匀变形的能力，与加工硬化
率n有关。
δ=（Lk－Lo）/ Lo×100%
 断面收缩率ψ,表示局部变形的能力，与缺口
敏感性(度)有关。
ψ=（Fo－Fk）/ Fo×100%

塑性的实际意义
金属材料的塑性指标是安全力学性能指标；
 εf –材料均匀变形的能力。Ψf –局部变形
的能力。
 塑性对压力加工是很有意义的。加工硬化
 塑性大小反映冶金质量的好坏，评定材料
质量。细化晶粒，碳化指数。

2.真实应力—真实应变曲线




真实应力—真实应变（s－e）曲线
真实应力 S=P/F
P—瞬时载荷，F—瞬时
截面积
真实应变 de=dl/l
dl—瞬时伸长量，L—
瞬时长度
总的e
e = ∫de = ln（l/lo）= ln（1＋δ）
通常把均匀塑性变形（即从屈服点到最大载荷）
的真实应力—真实应变（s－e）曲线称为流变
曲线，可以用以下经验公式表达：
S = Ke
3. σ—ε曲线与s—e曲线区别



下图为工程应力－应变曲线与真实应力－
应变曲线的比较。
曲线中的应力是根据试样原始截面尺寸计
算的，可称之为工程应力。由工程应力的趋势
看，随着缩颈形成，试样的塑性变形抗力是下
降的。以试件产生缩颈后的实际面积来计算应
力，其数值要大于工程应力。这个应力就称为
真实应力。
由图中可看出工程应力－应变图与真实应
力－应变图的差别。在加载过程中真实应力始
终是增加的。评价材料时通常采用工程应力－
应变曲线。
真实应力－应变曲线和
工程应力－应变曲线的比较
5.1 材料的弹性变形(elastic deformation）
5.1.1 弹性变形的本质
 弹性变形（elastic deformation）—原子间结合力
 弹性变形的原因：能量低,平衡
5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量
弹性变形的特征
 (1) 理想的弹性变形是可逆变形
 (2) 在弹性变形范围内，应力和应变间服从虎克定律。
σ= Eε τ= Gγ
G = E /[2（1－ν）] K = E /[3(1－2ν)]
式中τ、γ—分别为切应力、切应变，K—体弹性模量、
v—泊松比
 (3) 弹性变形量随材料的不同而异。
 下图表示材料受外力拉伸后伸长，虚线部分表示拉伸
前试件的尺寸和形状。
试件产生弹性变形
弹 性 模 量 E = σX
/εX X轴方向， 同轴，描

写材料正应力条件

虎克定律： 单位应变产
生的单位应力（单向应力）,
物理意义：表示原子之间的
结合力，它是组织不敏感元
素
描写材料切应力：切
变模量G = τXY / γXY
 泊 桑 比 ： υ= —εXX

/εXY
关系式： G = E/2（1+υ）
 比弹性模量= 弹性模
量 / 密度

对完全各向同性材料 υ=
0.25
 对金属υ值约为0.33（或
1/3）
 当υ=0.25时，G=0.4E；
 当υ=0.33时，G=0.375E
 弹性常数4个： E，G，υ，
K


K=σm/Δ=E/3(1-2υ)
Δ------单位体积变形
K——体弹性模量

σm= (σx+σy+σz)/3
若υ=0.33，则K≈E
 只要已知E和υ，就可求
出G和K ， 由于E易测，因此
用的最多。

弹性模量(E)
(1)弹性模量（modulus of elasticity）
E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。
(2) E是组织不敏感参数。
(3) 对晶体而言，E是各向异性的。在
单晶体中，沿原子密排面E最高，沿原子
排列最疏的晶向E最低。多晶体中，E各
向同性。
(4) 工程上，E是材料刚度的度量。
弹性模量的技术意义
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

技术意义： E，G称为材料的刚度，它表示材料在外载
荷下抵抗弹性变形的能力
影响E的特征因素：
与原子序数有周期性关系
E=K/γm K，m>1特征常数，γ原子 半径 γ↑E↓
温度T： T↑ 原子结合力下降，E↓
ε加载速度：对E 影响不明显
合金化（加入某种金属），热处理对E影响不明显。
5.1.3 弹性的不完整性
弹性的不完整性包括：
a. 包申格效应
b. 弹性后效
c. 弹性滞后
内耗（滞弹性 anelasticity）：
a. 包辛格（Baushinger）效应
—弹性不完整性



包辛格效应示意图(有链接)
定义：指原先经过变
形，然后反向加载时
弹性极限（σP）或屈
服强度（σS）降低的
现象。
β值度量包辛格效应
的大小。
单循环或多循环后，
都有BE效应
实际材料T10钢的包辛格效应
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

条 件 ： T10 钢 淬 火
350℃回火
拉伸时，曲线1
σ0.2=1130M Pa
曲线2事先经过预压
变形再拉伸时,
σ0. 2 =880M Pa
b. 滞弹性
— 应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。
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

弹性滞后环
优点：滞后环面积，
它可以减少振动，使
振动幅度很快衰减下
来。
缺点：精密仪器不希
望有滞后现象
高分子滞弹性表现为
粘弹性并成为普遍特
性，这时高分子与时
间有关了。
c 粘弹性
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



粘性流动：
牛顿粘性流动定律： σ=η·dε/dt
粘弹性具有弹性和粘性变形两方面的特征，它
是高分子材料的重要力学性能之一。其特点是
应变落后于应力。其σ—ε曲线为一回线，回线
所包含面积即为内耗。
粘弹性模型：Maxwell模型—应力松弛（stress
relaxation）
Voigt模型—蠕变回复、弹性后效、弹性记忆