笫5章　材料的形变和再结晶

一、选择题

1．细化金属材料的晶粒尺寸，其室温下的力学性能将出现（　　）。[华中科技大学2006研]

A．强度提高韧性提高

B．强度提高韧性下降

C．强度下降韧性提高

【答案】A

2．不易产生交滑移的晶体结构为（　　）。[上海交通大学2006研]

A．密排六方　 

B．体心立方　 

C．面心立方

【答案】A

3．若欲通过形变和再结晶方法获得细晶粒组织，应该避免（　　）。[东南大学2006研]

A．在临界形变量进行塑性变形加工　 

B．大变形量

C．较长的退火时间 

D．较高的退火温度

【答案】A

二、填空题

1．金属多晶体塑性变形至少需  独立滑移系开动。[北京工业大学2008研]

【答案】五个

2．-Fe发生塑性变形时，滑移面和滑移方向分别是________和________。[天津大学2008研]

【答案】{110}；＜11l＞

3．热形变加工与冷形变加工的一般分界限为________温度，但该温度随形变量的增大而________，所以严格地说，形变加工时产生加工硬化的为________，而不产生加工硬化的为________。[合肥工业大学2005研]

【答案】再结晶；降低；冷加工；热加工

4．形变织构的性质与变形金属的原始条件、_______、_______有关。[江苏大学2005研]

【答案】形变方式；形变程度

5．细化晶粒不但可以提高材料的________，同时还可以改善材料的________和________。[沈阳大学2009研]

【答案】强度；塑性；韧性

三、判断题

1．在室温下对金属进行塑性变形为冷加工。加热到室温以上对金属进行塑性变形为热加工。（　  ）[华中科技大学2005研]

【答案】×

【解析】将再结晶温度以上的加工为“热加工”，再结晶温度以下而又不加热的加工称为冷加工。

2．金属铸件可以通过再结晶退火来达到细化晶粒的目的。（　　）[哈尔滨工业大学2007研]

【答案】√

3．根据施密特定律，晶体滑移面平行于拉力轴时最容易产生滑移。（　　）[北京工业大学2007研]

【答案】×

4．位错线的滑移和攀移都可以使金属晶体在滑移面产生塑性变形。（　　）[西安工业大学2009研]

【答案】×

【解析】位于滑移面上的位错线在切应力的作用下可以滑移，从而使金属晶体在滑移面产生塑性变形；刃型位错在一定条件下可以沿垂直于滑移面的方向运动，刃型位错的这种运动就称为攀移。刃型位错的攀移将导致多余半原子面的扩大或缩小，与滑移面产生塑性变形无关。

5．形变织构是金属材料塑性变形过程中产生的，它对金属材料有着明显的强化作用。（　　）[西安工业大学2009研]

【答案】×

【解析】形变织构是金属材料塑性变形过程中产生的，但会引起金属材料力学性能和物理性能的明显各向异性，且对金属材料没有明显的强化作用。

6．冷形变金属在再结晶时可以亚晶合并、亚晶长大和原晶界弓出三种方式形核。（　  ）[合肥工业大学2006研]

【答案】√

四、名词解释

1．固溶强化[西南交通大学2009研]

答：固溶体中溶质原子的存在导致溶剂的晶格产生畸变，从而阻碍位错运动，溶质原子的存在及其固溶度的增加，使机体金属的变形抗力随之提高的现象即为固溶强化。

2．派纳力[南京理工大学2008研]

答：实际晶体中，位错的滑移要遇到许多阻力，其中最基本的固有阻力为晶格阻力。当一个柏氏矢量的位错在晶体中移动时，将由一个对称位置移动到另一个对称位置。在这些位置，位错处在平衡状态，能量较低。而在对称位置之间，能量增高，造成位错移动的阻力。因此，在位错移动时，需要一个力克服晶格阻力，越过势垒，此力称为派纳力

3．动态再结晶[北京工业大学2009研]

答：动态再结晶是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。与热变形各道次之间以及变形完毕后加热和冷却时所发生的静态再结晶相比，动态再结晶的特点是：动态再结晶要达到临界变形量和在较高的变形温度下才能发生；与静态再结晶相似，动态再结晶易在晶界及亚晶界形核；动态再结晶转变为静态再结晶时无需孕育期；动态再结晶所需的时间随温度升高而缩短。

4．真实应力[重庆大学2010研]

答：真实应力是指拉伸（或压缩）试验时，变形力与当时实际截面积（而不是初始截面积）之比。其数值是随变形量、温度与应变速率而变化的。

5．超塑性[燕山大学2005研]

答：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力，易成形。超塑性变形时，应变速率敏感性指数m很大，m≈0.5，而一般金属材料仅为0.01～0.04。

6．再结晶与二次再结晶[江苏大学2006研]

答：（1）再结晶是指将冷变形的金属在加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生明显的变化并恢复到变形前的状况。

（2）二次再结晶是指再结晶后晶粒会进一步长大，造成异常晶粒长大，相应的也会致使力学性能变坏。

7．屈服强度、断裂强度和疲劳强度[吉林大学2009研]

答：（1）屈服强度（yield strength），又称为屈服极限，常用符号，是材料屈服的临界应力值。

对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生颈缩，应变增大，使材料破坏，不能正常使用。

当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。

有些钢材（如高碳钢）无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形（0.2%）时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。

影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。

（2）断裂强度（breaking strength或者break load）是指材料发生断裂的应力。在岩土试样的直径方向上施加成线性荷载，当试样达到破坏时的强度。

（3）疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限，其影响因素包括屈服强度、表面状态、尺寸效应、冶金缺陷、腐蚀介质、温度等；相应的解决措施包括合理设计构件的外形、提高构件的表面加工质量、提高构件表面强度等。

五、简答题

1．什么是时效？试说明Al-4.5%Cu合金中时效强化的原因。[清华大学2008研]

答：（1）时效是指合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体，在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物理和化学性能的显著变化的现象。

（2）时效析出过程受溶质扩散控制，在沉淀过程中可能形成一系列亚稳相（过渡相）。时效析出的原因主要有以下几个方面：①当析出的盘状亚稳相与母相有一定取向关系时，会在基体中产生较大弹性应变，可使合金明显强化；②而当合金在承受变形时，由于弥散颗粒与位错的交互作用，也会使合金得到强化；③如果沉淀相颗粒可以变形，位错切过时增加颗粒与位错的交互，互使合金明显强化。如果沉淀相颗粒可以变形，位错切过时增加颗粒的表面能需要做功，增大了位错运动的阻力而使合金得到强化；④如果沉淀相颗粒强度高且与基体共格，则位错线难以切过颗粒，在外加应力的作用下将绕过颗粒、留下位错环。合金要继续变形，需要克服颗粒对位错线绕过时施加的应力，因此需要进一步增大外加应力，即合金获得了时效强化。

2．什么是固溶强化？简述其影响因素及强化机理。[沈阳大学2009研]

答：（1）随溶质原子含量的增加，合金的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象称为固溶强化。

（2）影响因素：①在固溶体的溶解度范围内，溶质的质量分数越大，强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作用越大。

（3）强化机理：溶质原子使溶剂的晶格发生畸变，增加位错移动的阻力；溶质原子在位错线周围形成的柯氏气团对位错的运动起到钉扎作用；溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

3．写出面心立方金属的一个具体的滑移系；多晶体变形时，在一定的形变量下，为何有的晶粒内是单系滑移而另一些晶粒内是多系滑移？为何有的晶粒内滑移量大而另些晶粒内滑移量小？[北京科技大学2006研]

答：（1）面心立方晶体的滑移系共有个，具体的如(111)[110]。

（2）因为晶体的滑移只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一临界值时该滑移系方可以首先发生滑移，这就是单系滑移。虽然如此，但是滑移首先是在取向最有利的滑移系中进行的，当变形时晶面发生转动时，其他组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替进行，从而产生多系滑移。

（3）用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量，滑移方向即为柏氏矢量的方向。所以当各晶粒的形变量不同时，取向因子大的取向力轴通常引起多系滑移，例如＜111＞方向，而取向因子小的取向力通常引起单系滑移，例如＜123＞方向，它们之间滑移方向的差别导致滑移量大小的差别。

4．列举至少四种强化金属材料的手段，分别分析其强化机理。[四川大学2009研]

答：金属材料的强化方法主要有两大类：一类是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须；另一类强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细晶强化等。

（1）结晶强化。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。晶界对滑移具有阻碍效应，而晶界数量直接取决于晶粒的大小，因此，晶界对多晶体起始塑性变抗力的影响可通过晶粒大小直接体现。多晶体的强度随其晶粒细化而提高。

（2）形变强化。也称加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致，如铜合金。

（3）固溶强化。通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。

（4）弥散强化。在均匀材料中加入不溶于基体金属的超细第二相（强化相）的强化手段。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。

（5）沉淀强化。若第二相粒子硬度较小，尺寸较小的变形的第二相粒子，或者是过饱和固溶体时效处理产生的析出相，当运动着的位错与其相遇时，将切过粒子与基体一起变形，位错切过第二相粒子时必须作额外的功，因此需要消耗足够大的能量，从而提高合金的强度，这种强化称为沉淀强化。

（6）时效强化。在金属基体中加入固溶度随温度降低而降低的合金元素，通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高提高合金的强度。

5．为何过饱和固溶体适当固溶处理后强度比室温平衡组织高？[东北大学2007研]

答：金属材料中存在有固溶原子时，固溶原子必然会引起周围晶格的畸变，在其周围产生一个应力场，由于固溶原子应力场与位错应力场相互作用的结果，溶质原子具有向位错偏聚而形成一个原子气团的倾向。

这时，位错的运动要么摆脱这种原子气团，要么施带着原子气团一起运动。摆脱原子气团需增加一部分外力以克服它与位错间的相互吸引，如果施带原子气团一齐运动，外力也需增加一个附加量。所以，当位错上有原子偏聚时，位错运动的难度提高，金属得到强化。

6．叙述你所熟悉的某一类材料的变形行为及其特点。[中南大学2008研]

答：以金属材料为例。金属材料的变形行为（拉伸变形）通常经历弹性变形、塑性变形阶段，到最终超过塑性极限而断裂，其特点包括：

（1）金属材料的每个单晶体中主要变形方式以滑移为主，当不易滑移时部分金属在变形中也会出现孪生变形作为补充；

（2）多晶体材料则由于晶界的阻碍作用和相邻晶粒位向差的不同通常会影响位错运动，总的来说就是各个晶粒之间协调变形，从而导致多晶体材料变形相对单晶体材料困难；

（3）单相固溶体合金则因为溶质原子的作用出现固溶强化，使基体金属变形抗力随之增加，体心立方金属如低碳钢在拉伸过程中还会有屈服现象和应变时效现象；

（4）多相合金的塑性变形特点与第二相的数量、尺寸和分布有关，一般细小弥散、均匀分布的第二相会令材料硬度很大，变形困难；

（5）金属材料在变形过程中通常有加工硬化现象，即冷变形后强度显著提高，而塑性很快下降，同时微观组织和其他物理化学性能也有改变。

7．什么是变形织构？材料冷变形时为什么会产生变形织构？对要求变形量大的材料怎么样防止产生变形织构。[华中科技大学2005研]

答：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，则称为变形织构。

（1）在塑性变形中，随着形变程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，逐渐使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上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，则称为形变织构。

（2）形变织构由于加工变形方式的不同，可分为两种类型：拔丝时形成的织构称为丝织构，主要特征为各晶粒的某一晶向大致与拔丝方向相平行；轧板时形成的织构为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于同轧面和轧向相平行。

产生原因：金属在形变时，晶体的滑移面会转动，使滑移层逐渐转向与拉力轴平行。由于各个晶粒的滑移层（指数相同的晶面和晶向）在变形较大时，都逐渐转向趋于与拉力轴平行，也就是说，原来的各个晶粒是任意取向的，现在由于晶粒的转动，使各个晶粒的取向趋于一致，这就形成了晶体的择优取向，即形成了形变织构。显然，变形量越大，择优取向程度越大，表现出一定程度的规律性。

（3）防止形变织构的一种方法是控制加工和热处理工艺，得到只有轻微织构的加工组织以及细晶粒的再结晶组织；还可以改变轧板的生产工艺，冷加工中的中间再结晶退火和最终回复退火的结合可以控制织构，因此可以采用交叉轧制的方法，控制铝合金薄板热扎过程或多方向交叉冷轧以及应用合适的退火方法可以减少变形织构的形成。

8．塑性变形金属的显微组织、晶内结构发生什么变化？性能发生哪些变化？[北京工业大学2008研]

答：金属发生塑性变形后，显微组织形态上，原等轴晶粒沿变形方向被拉长，在大变形量时晶界甚至呈纤维状，如存在硬脆的第二相颗粒或夹杂，常沿变形方向呈带状分布。

显微结构上，缺陷（空位和位错）密度明显增大。由于变形过程中位错的增殖及运动过程中位错的交割和交互作用，形成位错缠结，异号位错相消后构成胞状结构。随变形量增加，位错胞数量增多，尺寸减小，晶体内部的储存能增大。

性能上，冷变形金属将发生加工硬化，表现为强度显著提高、塑性明显下降。

9．一个简单立方晶系的双晶，它们的滑移系原为{100}＜100＞，双晶的取向及力轴的取向如图5-1所示（提示：晶界两侧的取向不同），试确定哪一个晶体首先开始滑移，所开动的具体滑移系是什么。[西安工业大学2009研]

图5-1

答：这是一个双晶体，不是单晶体。左边晶体的取向可由方向[100]和[01]所确定。含有这两个方向的晶面为（011），即施加在左边晶体作用力的方向与（011）面垂直，其方向为[011]。而施加在右边晶体作用力的方向与（010）面垂直，其方向为[010]。

在简单立方晶系中，（011）面和滑移面（010）、（001）以及滑移方向[010]、[001]的夹角均为45°。左边晶体作用力σ在滑移系上分力为σsin45°cos45°，而右边晶体作用力σ在滑移系上分力为0。因此，左边晶体首先开始滑移，所开动的滑移系分别为：（001）[010]和（010）[001]。

10．为细化某纯铝件的晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火lh，组织反而粗化；增大冷变形量至80％再于650℃退火lh，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述两种工艺不合理之处及原因，并回答影响再结晶晶粒度的因素。[西安理工大学2009研]

答：（1）第一种是变形量不合适，达到临界变形量的尺寸；第二种工艺是由于变形量过大，等加热温度过高时出现二次再结晶导致晶粒尺寸过大。

（2）影响再结晶晶粒度的因素：冷变形度、原始晶粒尺寸、退火温度、杂质及合金元素。

11．指出合金强化的四种主要机制，并解释强化原因。[昆明理工大学2010研]

答：（1）固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力随之提高，从而使合金的强度、硬度提高，而塑性有所下降，即产生固溶强化效果。

（2）弥散强化：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。

（3）沉淀强化：若第二相粒子硬度较小，尺寸也不大的变形的第二相粒子，或者是过饱和固溶体时效处理产生的析出相，则运动着的位错与其相遇时，将切过粒子与基体一起变形，位错切过第二相粒子时必须作额外的功，消耗足够大的能量，从而提高合金的强度，这种强化称为沉淀强化。

（4）时效强化：在金属基体中加入固溶度随温度降低而降低的合金元素，通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高提高合金的强度。

12．多晶体金属经塑性变形后，组织结构有哪些变化？[重庆大学2010研]

答：多晶体的塑性变形受到晶粒取向和晶界的影响，不但可以改变材料的外形和尺寸，而且能够使材料的内部组织和各种性能发生变化。其组织结构变化如下：

（1）在每颗晶粒内产生滑移带和孪晶带。

（2）形成纤维状的条纹组织。随着形变度的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长，形变量很大时，晶粒变得模糊不清，形成纤维状条纹。

（3）形成胞状亚结构。经过一定量的塑性变形之后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，开始呈现纷乱不均匀分布，并形成位错缠结，进一步增大变形度时，大量位错发生聚集，并有缠结的位错组成胞状亚结构。

（4）形成变形织构。在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向往形变方向转动，逐渐使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上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。