2金属塑性变形宏观规律与微观机制

金属塑性成形理论基础（一）金属塑性变形机制参考讲义前言金属塑性加工是利用金属的塑性，在外力的作用下，通过模具(或工具)使简单形状的坯料成形为所需形状和尺寸的工件(或毛坯)的技术。

它也被称之为塑性成形或压力加工。

金属塑性加工方法主要包括锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。

为何采用塑性成形技术？⏹金属经过塑性成形后能改善其组织结构和力学性能。

铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。

⏹塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。

什么是塑性变形？当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限以后，金属就会产生变形。

当外力停止作用后，金属的变形并不消失。

这种变形称为塑性变形。

（当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。

作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。

）塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。

塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形有方式和变形条件有关。

材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一材料，在不同的变形条件下，会表现不同的塑性。

塑性是反映金属的变形能力，是金属的一咱重要的加工性能。

塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。

金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。

金属材料塑性变形的微观机制金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、钢铁）及有色金属及其合金等。

随着人类社会的进步，人们对于金属材料的要求也越来越高，为此人们对于金属材料进行了从宏观到微观的分析，本文讲的就是金属材料塑性变形的微观机制。

在宏观的力学分析中，金属材料一般可以作为均匀各向同性的介质来看待。

细观的研究则表明绝大部分的金属材料都具有多晶结构，即是由大量细小晶粒无规则地结集而成的多晶体，而其中每颗晶粒是金属原子的有序排列，故应力场作用下金属材料宏观变形的某些性质可以从晶粒变形的平均表现上得到解释。

金属学的研究指出，晶体（晶粒）中主要存在着两种不同的变形机制，一种是弹性机制，它表现为应力场作用下金属原子间距离的改变，这种改变不是永久性的，当应力场消失时，原子间距离将又重新回到到正常状态，此种机制中一般伴随有晶粒体积的改变，金属材料的宏观弹性变形可以从此种机制中得到说明。

晶粒的另一种可能的变形机制是滑移机制，它表现为晶粒中相邻部分间的滑移或错动。

滑移总是发生在晶粒中某些特定的取向的平面上，且沿着面中特定的方向。

当滑移面上沿滑移方向的剪切应力达到一定大小时滑移机制即相应开动，由它造成的晶粒变形是永久性的，应力场消失后滑移变形仍将存留，此种变形机制一般不会造成晶体体积的改变，金属材料的宏观塑性变形正是晶粒中此种滑移运动的平均表现。

[1]金属材料加工制造的工艺性能以及它承受机械载荷的服役性能，例如机械强度，加工强化特性及塑性等力学性能，实际上都和金属材料的塑性变形密切相关。

[2]为了改善金属材料的力学性能，就要研究它的根源，即研究金属材料塑性变形的微观机制。

Cheng等人[3]在一些研究的基础上做了一些总结，把材料的变形机制分为四个部分来看，由于材料和制备方法的不同，各个阶段的分界线不是很明显：（1）晶粒尺寸比较大的阶段，这在普通材料中是最常见的，主要变形机制为错位滑移，位错可以在晶界形核，也可以在晶内形核。

金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。

多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。

当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。

金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。

1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。

由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。

单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。

σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。

当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。

这种现象叫做应力集中。

金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。

应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。

2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。

这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。

它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。

H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。

根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。

金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。

单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。

多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。

多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。

人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。

1864～1868年，法国人特雷斯卡（H.Tresca）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。

1911年德国卡门（T.von Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔(R.B?ker)对铸锌作了同样的试验。

他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。

1913年德国冯·米泽斯(R.von Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德(W.Lode)、1931年英国人泰勒(G.I.Taylor)和奎尼(H.Quinney) 分别用不同的试验方法证实了上述结论。

金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。

早期的研究成果包括在英国伊拉姆(C.F.Elam)(1935年)、德国施密特(E.Schmidt)(1935年)、美国巴雷特(C.S.Barrett)(1943年)等人的著作中。

主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。

以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。

塑性变形微观结构变化图 1塑性变形中产生的滑移塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。

分为单滑移，双滑移，多滑移等。

另外，还有孪生等现象的产生。