金属的塑性变形

滑移
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一
定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移， 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
τ
τ
a)未变形
bτ )弹性变形
τc)弹塑性变形
单晶体滑移变形示意图
d)塑性变形
孪生
孪生：晶体内的一部分原子（红色）相对另一部分原子沿某个
晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列成镜面对称关系。
一、金属的可锻性（塑性加工性能）
定义：在锻造过程中，金属通过塑性加工而不开裂， 并获得合格零件的能力。 衡量指标：金属的塑性和变形抗力 塑性越高、变形抗力越低，可锻性越好。
二、影响金属可锻性的因素：
三个主要因素：金属的本质、加工条件、应力状态 1、金属的本质（内在因素）： ①化学成分
➢ 碳钢：钢的含碳量越低，可锻性越好; ➢ 合金钢：合金元素含量越高，可锻性越差； ➢ 纯金属的可锻性优于合金。 ②金属组织
冷变形过程缺点：
①冷变形过程的加工硬化使金属的塑性变差，给进一步塑性变 形带来困难。 ②对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整。 ③加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。
五、纤维组织及其利用
纤维组织（热加工流线）：
塑性加工中，金属的晶粒形状和晶界分布的杂质沿变形方 向被拉长，呈纤维状。纤维组织不能热处理消除，只能通过锻 压改变其形状和方向。
纯金属或单相固溶体（奥氏体）的可锻性优于多相组织； 均匀细晶的可锻性优于粗晶组织和铸态柱状晶； 钢中存在网状二次渗碳体时可锻性下降。
影响金属可锻性的因素：
2、加工条件：
①变形温度 温度越高，金属塑性提高，
变形抗力降低，可锻性提高。
加热温度过高，产生缺陷： 过热：晶粒长大，使综合机械性能下降； 过烧：晶粒边界氧化或熔化 ，一击即碎； 脱碳：碳与环境气体反应，使表层含碳量减少； 严重氧化：表层与 氧反应，生成氧化物。
晶体的孪生示意图
孪生
在切应力作用下，晶体发生孪生变形
• 滑移与孪生比较
多晶体 多晶体的塑性变形方式：晶内变形+晶间变形
➢ 晶内变形：滑移和孪生（晶粒本身变形） ➢ 晶间变形：晶粒间的相对滑动和转动（相互位置变化）
多晶体塑性变形示意图
多晶体的变形是不均匀的。
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形后金属组织结构的变化
②热变形使内部组织结构致密细小，力学性能特别是韧度 明显改善和提高。因为金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压 实，粗大（树枝状）的晶粒组织结构被再结晶细化。
③形成纤维组织，力学性能具有方向性。
四、冷变形与热变形
冷变形过程优点：
①冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。 ②对于不能用热处理方法提高强度、硬度的金属构件（特别 是薄壁细长件）。可利用加工硬化来提高构件的强度、硬度 不但有效而且经济。
a)
b)
c)
晶粒长大示意图
(a)加热前 (b) 625℃加热（不完全再结晶） (c) 670℃加热（完全再结晶） (d) 750℃加热（晶粒长大）
图 经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化 400×
组织变化
性能变化
变形后金属加热之性能变化示意图
四、冷变形与热变形
按金属固态成形时的温度分为两大类： ⑴冷变形
• 由于再结晶后组织的复原，使金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高， 残余应力消除、加工硬化消失。
(a)加热前
(b) 625℃加热（不完全再结晶） (c) 670℃加热（完全再结晶）
图 经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化 400×
3、晶粒长大
如温度继续升高或保温时间延长，晶粒会长大，使塑性、 韧性明显下降。
0
a
变形速度 为主。（以 a为界）
变形速度对塑性和变形抗力的影响
影响金属可锻性的因素：
③应力状态： 三个方向中的压应力数目越多，金属的塑性越好；
拉应力数目多，则金属的塑性就差。（易产生裂纹）
对物理、化学性能的影响
• 导电率、导磁率下降，热导率下降； • 结构缺陷增多； • 化学活性提高，腐蚀加快。
残余应力
三、塑性变形后的金属加热时组织性能的变化
加工硬化是一种不稳定现象，将硬化金属加热后，会相 继发生回复、再结晶和晶粒长大现象，金属的组织和性能也 随之变化。
1、回复
将冷变形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到 平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象，称为回复。
锻造温度：始锻温度（AE线低200℃）——终锻温度（800 ℃）
影响金属可锻性的因素：
塑性、抗力
变形抗力
②变形速度
速度增加，一方面，回
复和再结晶来不及进行，塑
性下降，变形抗力增加；另
一方面，热效应明显，塑性
提高，变形抗力下降，且速
塑性
度越快热效应越明显。
∴变形速度较小时，以
强化为主；较大时以热效应
组织结构变化： 1.晶粒拉长（压扁） 2.晶格与晶粒扭曲、变形 3.晶粒碎化
多晶体塑性变形示意图
晶粒和沿晶界分布的杂质被拉长
显微镜下的照片
金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的 晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长 为纤维状，晶界变得模糊不清。
(a)正火态
(b)变形40%
塑性变形后金属被拉长了的晶粒出现重新生核、结晶，变为 等轴晶粒的现象，称为再结晶。
再结晶: 再结晶退火。 T再=0.4T熔（K）
再结晶示意图
再结晶特点：
• 当冷塑性变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的 形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。
• 再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新 旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。
(c)变形80%
图 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化 400×
滑移面上的晶格畸变和碎晶现象
二、塑性变形后金属性能的变化
金属的变形强化（加工硬化、冷作硬化)？
金属随其变形程度增大，强度和硬度上升而塑性和韧性 下降的现象称为变形强化，又称加工硬化。
原因：由于变形时滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈扭曲，增大
回复特点：
1、使晶格畸变减轻或消除，但晶粒的大小和形状并无改变。 2、消除了晶格扭曲及大部分内应力，内应力大大降低；但力 学性能变化不大（强度、硬度、塑性变化很小）。
回复处理:
低温退火或去应力退火。 T回=(0.25--0.3)T熔（K）
2、再结晶(re-crystallization)（不发生相变）
冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结 晶温度。
⑵热变形
是指金属材料在其再结晶温度以上进行的塑性变形。
• 再结晶温度 T再=0.4T熔
四、冷变形与热变形
冷变形过程的特征：
变形后具有加工硬化现象，强度、硬度升高，塑性和韧度 下降。可提高产品性能，但变形程度不宜过大。
热变形过程的特征：
①加工硬化和再结晶过程同时存在，没有加工硬化痕迹， 故变形抗力低，易于变形，能以较小的功完成较大的变形。
第三篇 金属塑性加工
塑性加工（Plastic processing ） —— 在外力作用下，金属发生塑性变形，从而获
得具有一定形状、尺寸、组织和力学性能的工件的生 产方法。又叫塑性成形或压力加工。
常见的塑性成形方法： 锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。
轧制
上砧铁 坯料 下砧铁 自由锻
模锻
拉拔 冲压
金属塑性成形优缺点
了变形滑移阻力，使继续滑移难于进行。 实际上，金属的性能是随其内部组织的改变而发生变化的。
对机械性能的影响：
利：1.提高金属强度、硬度
含碳量0.9%-1.0%的碳素钢线材于铅域中淬火后 ，进行冷态拉拔可使钢丝强度高达2940MPa；以前 讲的各类钢中，抗拉强度最高的钢（调制钢）的抗 拉强度值为1000MPa左右。
优点： ⑴组织细化致密、力学性能提高； ⑵体积不变的材料转移成形，材料利用率高; ⑶生产率高，易机械化、自动化等。 ⑷可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少、无切削加工。
缺点： ⑴不能加工脆性材料； ⑵难以加工形状特别复杂（特别是内腔）的制品； ⑶设备、模具投资费用大。
塑性成形广泛应用于机械制造、汽拖、容器、造 船、建筑、包装、航空航天工业部门。
回复机理：
移至晶界、位错处
点缺陷运动 空位＋间隙原子 消失
空位聚集（空位群、对）
缺陷密度降低
• 什么是点缺陷 在三维空间各个方向上尺寸都很小的缺陷，包括
空位、置换原子和间隙原子。
点缺陷的形成多是热运动或塑性变形产生的结果。空位和间隙原子的 运动是金属中原子扩散（如钢表面渗碳）的主要方式。
• 点缺陷将导致晶格畸变。
2.对纯金属和不能热处理的合金是强化的 主要手段。 3.提高材料使用安全性。 弊：1.再变形阻力提高，给金属的进一步塑性 变形带来困难,动力消耗增大 。 2.脆断危险性提高。 3.出现了残余应力，易引起变形、开裂。
如黄铜弹壳的腐蚀开裂。
残余应力主要由晶格畸变（位错、空位）和晶粒变 形不均匀等引起。
主要内容
第一章 金属塑性变形 第二章 锻造 第三章 冲压 第四章 特种塑性加工方法简介
第一章 金属的塑性变形
金属的塑性变形是进行金属压力加工的理论依据。
第一节 金属塑Βιβλιοθήκη 变形的实质------外力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了 原来原子间的相互距离。 单晶体的塑性变形方式：
1.滑移 2.孪生
应用
纤维组织使金属在纵向上的强度，特别是塑性和韧性比横 向高。因此，在设计零件时，应使最大正应力方向与纤维方向 一致，最大切应力方向与纤维方向垂直。
工业生产中广泛采用模锻方法制造齿轮及中小型曲轴， 用局部镦粗法制造螺栓。