《塑性变形与再结晶》课件.pptx

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1、塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 塑性变形塑性变形第第3 3章章 再结晶再结晶第第4 4章章 位错与晶体缺陷位错与晶体缺陷第第5 5章章 金属材料应力应变的物理本质金属材料应力应变的物理本质第第6 6章章 总结总结 0101第第1章章 简简介介 塑性变形概述塑性变形概述材料在受到外力作用下发生形变，但当外力去除后仍会保留一定的形变，这种现象被称为塑性变形。定义定义包括屈服、冷加工、热加工、超塑性、压缩等不同类型形变类型形变类型主要包括材料本身的属性、形变速率、温度等因素影响因素影响因素 塑性变形机理塑性变形机理晶格中的

2、原子沿着同一方向移动，增大晶体中的缺陷密度，导致变形性能提高。滑移理论滑移理论材料中的原子、离子经常会在固体中扩散，这种扩散会导致晶体内部的位错和其他缺陷产生运动，以及生长出新的相和晶粒。扩散理论扩散理论 材料在塑性变形后，再经过热处理或变形后可以恢复一定程度的晶体结构与晶粒尺寸的变化，称为再结晶。定义定义0103 02包括退火、正火、淬火等不同处理方式热处理热处理动力学模型动力学模型动力学模型动力学模型通过热激活作用，位错和晶界通过热激活作用，位错和晶界上的原子克服晶体材料的体积上的原子克服晶体材料的体积和表面张力来完成晶粒成长和表面张力来完成晶粒成长从而达到再结晶的目的从而达到再结晶的目的

3、其他模型其他模型其他模型其他模型还包括动态再结晶模型、静态还包括动态再结晶模型、静态再结晶模型等再结晶模型等不同模型适用于不同的材料和不同模型适用于不同的材料和实验条件实验条件 再结晶机理再结晶机理多动态晶粒模型多动态晶粒模型多动态晶粒模型多动态晶粒模型在动态再结晶开始时，固体材在动态再结晶开始时，固体材料会出现大量的细小动态晶粒料会出现大量的细小动态晶粒通过彼此之间的竞争和长大来通过彼此之间的竞争和长大来创造出新的晶界创造出新的晶界滑移理论滑移理论滑移理论滑移理论滑移理论是描述晶体变形的基本理论，它认为晶体中的原子沿着同一方向移滑移理论是描述晶体变形的基本理论，它认为晶体中的原子沿着同一方向

4、移动，增大晶体中的缺陷密度，导致变形性能提高。动，增大晶体中的缺陷密度，导致变形性能提高。再结晶类型再结晶类型指在变形过程中，材料产生了严重的冷变形，需要通过热退火的方式再结晶静态再结晶静态再结晶指在变形过程中，材料可以通过动态再结晶的方式恢复晶体结构和形貌动态再结晶动态再结晶静态再结晶需要较长时间的退火，动态再结晶更快速且有效，因为它会在变形过程中自发发生区别区别 扩散理论扩散理论扩散理论扩散理论扩散理论是描述晶体变形的另一种理论，它认为材料中的原子、离子经常会扩散理论是描述晶体变形的另一种理论，它认为材料中的原子、离子经常会在固体中扩散，这种扩散会导致晶体内部的位错和其他缺陷产生运动，以及

5、在固体中扩散，这种扩散会导致晶体内部的位错和其他缺陷产生运动，以及生长出新的相和晶粒。生长出新的相和晶粒。热处理热处理通过控制材料的温度和保温时间，让晶格结构和晶粒尺寸恢复到正常水平退火退火通过加热材料，让材料中的晶粒、位错等缺陷结构发生相应变化正火正火通过将加热的材料迅速浸入冷却液中使之快速冷却，从而使晶体结构发生相应变化淬火淬火 多动态晶粒模型多动态晶粒模型指在变形过程中形成的大量小晶粒动态晶粒动态晶粒指多个晶粒之间的竞争和生长过程竞争竞争指晶粒与晶粒之间的界面晶界晶界这种模型更适用于材料中动态变形的情况，能够更好地描述材料中的晶粒生长和发展过程特点特点 0202第第2章章 塑性塑性变变形

6、形 屈服现象屈服现象屈服现象屈服现象在材料塑性变形中，屈服现象是一种重要的现象。屈服应力是指材料在塑性在材料塑性变形中，屈服现象是一种重要的现象。屈服应力是指材料在塑性变形前所能承受的最大应力。在经过一定的变形后，材料的后屈服行为会出变形前所能承受的最大应力。在经过一定的变形后，材料的后屈服行为会出现变化。部分晶体继续坚硬下去，而其他晶体受到相邻晶体流变所导致的拉现变化。部分晶体继续坚硬下去，而其他晶体受到相邻晶体流变所导致的拉伸裂纹，而变得越来越软。伸裂纹，而变得越来越软。冷加工冷加工 提高材料的强提高材料的强度、硬度和塑度、硬度和塑性性 改善材料的精改善材料的精度和表面质量度和表面质量等等

7、 拉拔、挤压、拉拔、挤压、深冲、滚轧等深冲、滚轧等 热加工热加工 提高材料塑性提高材料塑性及可锻性及可锻性 改善材料的结改善材料的结构和性能构和性能 减小材料内部减小材料内部缺陷缺陷 锻造、轧制、锻造、轧制、挤压、模锻等挤压、模锻等压缩和拉伸压缩和拉伸弹性阶段压缩应力压缩应力-应应变曲线变曲线屈服阶段流变硬化阶段极限强度阶段 在高温高应力下，晶体内部位错迁在高温高应力下，晶体内部位错迁移能力增强移能力增强0103从而达到大形变的效果02发生滑移而形成高密度位错结构冷加工冷加工 提高材料的强提高材料的强度、硬度和塑度、硬度和塑性性 改善材料的精改善材料的精度和表面质量度和表面质量等等 拉拔、挤压

8、、拉拔、挤压、深冲、滚轧等深冲、滚轧等 拉伸应力拉伸应力拉伸应力拉伸应力-应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段颈缩阶段颈缩阶段断裂阶段断裂阶段应变率应变率应变率应变率是指单位时间内变形量与初始是指单位时间内变形量与初始长度之比长度之比应变率越大，材料的塑性变形应变率越大，材料的塑性变形越容易越容易变形方式变形方式变形方式变形方式均匀变形均匀变形不均匀变形（颈缩）不均匀变形（颈缩）层流变形（铝箔）层流变形（铝箔）压缩和拉伸压缩和拉伸压缩应力压缩应力压缩应力压缩应力-应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段流变硬化阶段流变硬化阶段极限强度阶段极限

9、强度阶段变形硬化阶段变形硬化阶段超塑性机理超塑性机理在高温高应力下，晶体内部位错迁移能力增强，发生滑移而形成高密度位错结构，从而达到大形变的效果。0303第第3章章 再再结结晶晶 静态再结晶静态再结晶静态再结晶静态再结晶在热变形的末期或在热加工的后期，晶体中的部分变形晶粒（晶粒紧密堆积在热变形的末期或在热加工的后期，晶体中的部分变形晶粒（晶粒紧密堆积的区域）逐渐消失，取代它们的是具有新晶体（小晶粒）的晶粒，称为静态的区域）逐渐消失，取代它们的是具有新晶体（小晶粒）的晶粒，称为静态再结晶。再结晶时机取决于材料的属性、形变方式和处理温度等因素。其特再结晶。再结晶时机取决于材料的属性、形变方式和处理

10、温度等因素。其特点为晶粒为等轴晶，晶粒尺寸较大，分布较均匀。点为晶粒为等轴晶，晶粒尺寸较大，分布较均匀。动态再结晶动态再结晶动态再结晶动态再结晶在塑性变形过程中，由于材料受到高温、高应变率和高压等因素的作用，晶在塑性变形过程中，由于材料受到高温、高应变率和高压等因素的作用，晶体中的部分变形晶粒动态再结晶成新晶粒，称为动态再结晶。再结晶过程，体中的部分变形晶粒动态再结晶成新晶粒，称为动态再结晶。再结晶过程，原有的变形晶粒先分裂为多个小的相同的变形晶粒；小晶粒再通过长大结晶原有的变形晶粒先分裂为多个小的相同的变形晶粒；小晶粒再通过长大结晶来创造出新的晶界。其特点为晶粒为同轴晶，晶粒尺寸较小，分布较

11、不均匀。来创造出新的晶界。其特点为晶粒为同轴晶，晶粒尺寸较小，分布较不均匀。再结晶组织再结晶组织无应力状态下静置一定时间后再结晶自由再结晶自由再结晶在加工过程中，通过热处理促进再结晶的形成，以提高材料性能加工退火再结加工退火再结晶晶在等温热处理下形成等轴晶的再结晶组织等轴晶再结晶等轴晶再结晶在超过屈服点的高应变条件下形成的再结晶组织屈服点以上再屈服点以上再结晶结晶再结晶程度的高低，主要指再结晶晶粒数目和晶粒尺寸完全性完全性0103再结晶晶粒的纯度，主要指原材料中非再结晶晶粒的残留量纯度纯度02再结晶程度的均匀性，主要指再结晶晶粒分布的均匀程度均匀性均匀性动态再结晶动态再结晶动态再结晶动态再结晶

12、晶粒形态为同轴晶晶粒形态为同轴晶晶粒尺寸较小，分布较不均匀晶粒尺寸较小，分布较不均匀 静态再结晶与动态再结晶对比静态再结晶与动态再结晶对比静态再结晶静态再结晶静态再结晶静态再结晶晶粒形态为等轴晶晶粒形态为等轴晶晶粒尺寸较大，分布较均匀晶粒尺寸较大，分布较均匀总结总结 再结晶的应用领域再结晶的应用领域用于制造飞机、火箭和卫星等航天器的结构材料航空航天航空航天用于制造核反应堆的材料核工程核工程用于制造各种医疗器械和植入物医疗器械医疗器械用于制造汽车发动机、车轮和车架等部件汽车制造汽车制造 0404第第4章章 位位错错与晶体缺陷与晶体缺陷 位错理论位错理论位错是晶体中不规则的区域，是晶体缺陷的基本形

13、式之一。在晶体中，由于晶格畸变或晶体生长中收缩扭曲，会发生位错现象。位错是一段交错排列的原子面，存在于晶体内部。位错的分类有原子位错、螺旋位错、混合位错等。位错的作用对塑性变形、力学性能和材料的可加工性有重要影响。晶体缺陷分类晶体缺陷分类晶体中存在的各种缺陷和杂质称为晶体缺陷。晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷包括空位和杂质原子等，线缺陷包括位错和螺旋等，面缺陷包括晶界、孪晶界和沿晶孪晶等。晶体缺陷对材料的物理、化学、电学性能和力学性能有重要影响。晶体缺陷与塑性变形的晶体缺陷与塑性变形的关系关系塑性变形机制是通过位错滑移达到塑性变形的效果。晶体缺陷的初期位错密度对材料塑性的影响很大，对

14、于铸造晶体而言，初期位错密度较低，塑性较高；对于变形晶体而言，初期位错密度较高，塑性较低。此外，材料中若出现大型缺陷，将明显影响材料的力学性能和可加工性。晶体缺陷与机械性能晶体缺陷与机械性能晶体缺陷的分类包括位错、孪晶及压应力、脆性等。材料中缺陷形态的不同将使得断裂模式和强度发生巨大的变化。因此，靶向控制缺陷在材料的制备或处理过程中非常重要，可以有效提高材料的力学性能。缺陷控制和优化缺陷控制和优化控制缺陷是通过改善材料制备和加工过程，以及研究材料晶体缺陷的生成和演化，来控制材料的缺陷。优化缺陷是在制造过程中，通过控制材料缺陷密度和晶粒尺寸等参数，来优化材料的力学性能与耐久性。是一排空位或替代原

15、子原子位错原子位错0103以上两种位错形成混合的情况混合位错混合位错02沿着螺旋线排列的位错螺旋位错螺旋位错线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷位错位错螺旋螺旋面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷晶界晶界孪晶界孪晶界沿晶孪晶沿晶孪晶 晶体缺陷分类晶体缺陷分类点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷空位空位杂质原子杂质原子晶体缺陷与塑性晶体缺陷与塑性晶体缺陷与塑性晶体缺陷与塑性变形的关系变形的关系变形的关系变形的关系塑性变形的本质是晶体中的位错滑移。晶体缺陷的初期位错密度对材料塑性塑性变形的本质是晶体中的位错滑移。晶体缺陷的初期位错密度对材料塑性的影响很大，对于铸造晶体而言，初期位错密度较低，塑性较高；对于变形的影响很大，对于铸造晶体

16、而言，初期位错密度较低，塑性较高；对于变形晶体而言，初期位错密度较高，塑性较低。此外，材料中若出现大型缺陷，晶体而言，初期位错密度较高，塑性较低。此外，材料中若出现大型缺陷，将明显影响材料的力学性能和可加工性。将明显影响材料的力学性能和可加工性。缺陷形态对机械性能的影响缺陷形态对机械性能的影响会导致材料的形变和强度的降低位错位错对断裂韧度和疲劳寿命有显著影响孪晶及压应力孪晶及压应力材料中的缺陷形态会导致脆性断裂脆性脆性 晶体内部空缺空位空位0103 02取代晶体原子的杂质杂质原子杂质原子缺陷控制和优化缺陷控制和优化缺陷控制和优化缺陷控制和优化控制缺陷是通过改善材料制备和加工过程，以及研究材料晶

17、体缺陷的生成和控制缺陷是通过改善材料制备和加工过程，以及研究材料晶体缺陷的生成和演化，来控制材料的缺陷。优化缺陷是在制造过程中，通过控制材料缺陷密演化，来控制材料的缺陷。优化缺陷是在制造过程中，通过控制材料缺陷密度和晶粒尺寸等参数，来优化材料的力学性能与耐久性。度和晶粒尺寸等参数，来优化材料的力学性能与耐久性。孪晶的形成孪晶的形成晶体的生长过程中形成孪晶界形核阶段形核阶段孪晶界随晶体一起长大生长阶段生长阶段孪晶界由绕晶镶嵌转变为平行孪晶界熟化阶段熟化阶段 0505第第5章章 金属材料金属材料应应力力应变应变的的物理本物理本质质 金属材料力学性质金属材料力学性质材料抵抗外界力的能力强度强度材料抵

18、抗划痕和压痕的能力硬度硬度材料抵抗断裂的能力韧性韧性材料在外力作用下发生的可逆变形塑性塑性应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线描述材料在受到外界力作用下所发生的应变量和应力值之间的应力应变曲线描述材料在受到外界力作用下所发生的应变量和应力值之间的关系。曲线的斜率代表材料的刚性，而曲线呈凸性则表示材料的塑性变形。关系。曲线的斜率代表材料的刚性，而曲线呈凸性则表示材料的塑性变形。塑性变形的物理本质塑性变形的物理本质由于原子结构或晶体结构受到外界力的作用，发生位错或晶体滑移，导致塑性变形微观层面的滑微观层面的滑移模型和位错移模型和位错模型模型也能解释塑性变形的物理本质宏观层面

19、的流宏观层面的流动应力模型和动应力模型和断裂模型断裂模型 应力松弛现象应力松弛现象应力松弛现象应力松弛现象应力松弛现象指材料在受到一定的应力作用后，会逐渐变形，但当外力去除应力松弛现象指材料在受到一定的应力作用后，会逐渐变形，但当外力去除后，材料会逐渐恢复原始状态。后，材料会逐渐恢复原始状态。应变硬化和材料的强化机制应变硬化和材料的强化机制指材料在经过一定的塑性变形后，其初始的应变硬度不断增加的现象应变硬化现象应变硬化现象通过改善晶体结构，使得材料强度、硬度和塑性等性能得到提高交变位错交变位错强化晶界，防止变形发生背向塑性背向塑性通过调控材料多晶织构，增加材料的塑性和强度纳米结构纳米结构材料抵

20、抗外界力的能力强度强度0103材料抵抗断裂的能力韧性韧性02材料抵抗划痕和压痕的能力硬度硬度不同材料的硬度不同材料的硬度不同材料的硬度不同材料的硬度钨：钨：9.59.5钢：钢：4-74-7铝：铝：1.5-2.91.5-2.9铜：铜：3-43-4不同材料的韧性不同材料的韧性不同材料的韧性不同材料的韧性尼龙：尼龙：3-4MJ/m3-4MJ/m铝：铝：10-25MJ/m10-25MJ/m铁：铁：7-26MJ/m7-26MJ/m钢：钢：10-60MJ/m10-60MJ/m不同材料的塑性不同材料的塑性不同材料的塑性不同材料的塑性铝：铝：28-42%28-42%铜：铜：40-60%40-60%钢：钢：10

21、-40%10-40%黄铜：黄铜：50-70%50-70%金属材料力学性质金属材料力学性质不同材料的强度不同材料的强度不同材料的强度不同材料的强度钛合金：钛合金：1100-1500MPa1100-1500MPa铜：铜：220-680MPa220-680MPa铝：铝：95-310MPa95-310MPa钢：钢：300-2000MPa300-2000MPa总结总结金属材料的力学性质包括强度、硬度、韧性和塑性等性质。应力应变曲线的斜率代表材料的刚性，而曲线呈凸性则表示材料的塑性变形。塑性变形的物理本质是由于材料内部的原子结构或晶体结构受到外界力的作用，从而发生位错或晶体滑移，导致材料塑性变形。应变硬化

22、现象指材料在经过一定的塑性变形后，其初始的应变硬度不断增加的现象。交变位错、背向塑性、纳米结构等多种机制，使得材料强度、硬度和塑性等性能得到了提高。0606第第6章章 总结总结 再结晶与塑性变形的关再结晶与塑性变形的关系系再结晶是材料经过变形后，通过热处理或形变实现材料晶体结构和晶粒尺寸的变化。而塑性变形是指材料在受到外界力的作用下，发生形变后仍会保留一定的形变，并且材料的性质也会随之发生变化。在实际的工程应用中，需要考虑两者的关系，通过再结晶来消除塑性变形产生的位错和缺陷，从而提高材料的力学性能。材料的强度与韧性材料的强度与韧性材料的强度指材料能够承受的最大应力，而材料的韧性是指在断裂前能够

23、吸收多少能量。在材料设计中，需要权衡材料的强度和韧性，以达到最优化的效果。材料表面缺陷与处理材料表面缺陷与处理材料表面缺陷会对材料的表面质量和使用寿命产生严重的影响。为了改善这种情况，可以采用多种处理方式，比如机械加工、化学腐蚀、电解加工、激光烧结和电子束焊等。这些处理方式可以提高材料的表面质量，从而提高材料的耐久性和使用寿命。材料创新与研发趋势材料创新与研发趋势材料创新涉及到对材料种类、结构、性质、制备和加工等多个方面的创新。当前，轻量化、高强度、高温高压、耐腐蚀、生物相容、绿色环保等方向的研究成为当前材料研发的热点。这些研究的成果将为新材料和新技术的发展提供重要的支持和保障。结语结语再结晶

24、与塑性变形作为材料科学和材料工程领域的重要研究方向，对新材料和新技术的发展起到了推动作用。在未来的研究中，需要更加深入地探索材料的力学性能、缺陷形态、强化机制等重要内容，为材料创新和制造提供更加可靠的支撑和保障。再结晶与塑性变再结晶与塑性变再结晶与塑性变再结晶与塑性变形形形形再结晶和塑性变形是材料科学和材料工程领域的重要研究方向。再结晶可以再结晶和塑性变形是材料科学和材料工程领域的重要研究方向。再结晶可以通过消除材料的位错和缺陷来提高材料的力学性能，而塑性变形则会产生位通过消除材料的位错和缺陷来提高材料的力学性能，而塑性变形则会产生位错和缺陷。错和缺陷。材料能够承受的最大应力较高强度高强度高0

25、103材料设计中最优的结果强度与韧性均衡强度与韧性均衡02材料在断裂前能够吸收较多的能量韧性高韧性高化学腐蚀化学腐蚀化学腐蚀化学腐蚀可以去除表面的氧化皮可以去除表面的氧化皮可以形成一定的保护层可以形成一定的保护层适用于特定的材料适用于特定的材料电解加工电解加工电解加工电解加工可以改善表面粗糙度可以改善表面粗糙度可以使表面形成保护层可以使表面形成保护层适用于金属类材料适用于金属类材料激光烧结激光烧结激光烧结激光烧结可以使表面形成保护层可以使表面形成保护层可以增加表面硬度可以增加表面硬度适用于高温高压环境适用于高温高压环境材料表面缺陷的处理方式材料表面缺陷的处理方式机械加工机械加工机械加工机械加工表面粗糙度可以降低表面粗糙度可以降低表面硬度可以提高表面硬度可以提高加工精度可以得到保证加工精度可以得到保证材料创新的发展趋势材料创新的发展趋势给材料的强度和重量平衡带来了新的挑战轻量化轻量化材料要能够承受更高的压力和负载高强度高强度适应更加恶劣的工作环境高温高压高温高压材料要能够抵御腐蚀和氧化的侵蚀耐腐蚀耐腐蚀总结总结再结晶与塑性变形作为材料科学和材料工程领域的重要研究方向，对新材料和新技术的发展起到了推动作用。在未来的研究中，需要更加深入地探索材料的力学性能、缺陷形态、强化机制等重要内容，为材料创新和制造提供更加可靠的支撑和保障。THANKS 谢谢观看！