金属及合金塑性变形

第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。

设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。

在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。

一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。

当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。

所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。

屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。

在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。

开始偏离直线的应力σp 称比例极限。

当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。

随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。

当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。

最大值σb 称材料的抗拉强度。

超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。

所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。

注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。

在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。

在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。

通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。

延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。

下面看看工程应变与真实应变的不同。

拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。

金属及合金的塑性变形考试试卷及参考答案(一)填空题1. 硬位向是指外力与滑移面平行或垂直，取向因子为零，其含义是无论τk如何，σs均为无穷大，晶体无法滑移。

2．从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是位错在切应力作用下沿滑移面逐步移动的结果。

3．由于位错的增殖性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。

4. 加工硬化现象是指随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力增加，造成加工硬化的根本原因是位错密度大大增加。

5．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶粒位向差。

6．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的强度增加，塑性降低。

7．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材料以粗大晶粒为好。

8．面心立方结构的金属有12 个滑移系，它们是4｛111｝×3＜110＞。

9．体心立方结构的金属有12 个滑移系，它们是6｛110｝×2＜111＞。

10．密排六方结构的金属有 3 个滑移系，它们是1｛0001｝×3＜īī20＞。

11．单晶体金属的塑性变形主要是切应力作用下发生的，常沿着晶体中密排面和密排方向发生。

12 金属经冷塑性变形后，其组织和性能会发生变化，如显微组织拉长变为纤维组织、亚结构的细化变为形变亚结构、形变织构即晶粒沿某一晶向或晶面取向变形、加工硬化等等。

13．拉伸变形时，晶体转动的方向是由滑移面转到与拉伸轴平行的方向。

14 晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的1500倍。

15．内应力是指金属塑性变形后保留在金属内部的残余内应力和点阵畸变，它分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。

(二)判断题1 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。

（×）2．滑移变形不会引起晶体结构的变化。

（×）（位向）3 因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。

金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。

金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。

当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。

当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。

1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。

研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。

晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。

大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。

2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。

每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。

但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。

产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。

所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。

（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。

试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。

这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。

很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。

（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。

因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。

故生产中都尽一切努力细化晶粒。

二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。

去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。

工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。

塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。

以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。

经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。

若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。

但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。

§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。

图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。

从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。

当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。

理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。

s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。

第五章金属及合金的形变金合金变金属及合金的塑性变形¾单晶体的滑移¾单晶体的应力-应变曲线及加工硬化¾孪生及扭折¾多晶体的塑性变形¾塑性变形后金属的结构、组织和性能单晶体的滑移滑移要素——滑移系(slip system)滑移是指在外力作用下晶体沿某些特定晶面和晶向相对滑开的形变方式。

滑移的特定晶面称为滑移面(slip plane)，开的形变方式滑移的特定晶面称为滑移面特定晶向称为滑移方向(slip direction)。

滑移面和滑移方向合称为滑移要素。

合称为滑移要素对于一定的晶体结构，不论载荷大小或方向，滑移要素的类型一般都是确定的。

一般地，滑移面是晶体的密排面和较密排面，滑移方向是晶体的密排方向。

面心立方晶体：滑移面——{111}滑移方向——<110>体心立方晶体：滑移面——{110}、{112}、{123}滑移方向——<111>密排六方晶体：滑移面{}c/a>1.633 ——{0001}滑移方向——<11-20>c/a<1.633——{10-10}c/a<1.633 滑移面{1010}滑移方向——<11-23>一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系(slip system)。

面心立方结构有12个滑移系；体心立方结构有48个滑移系；密排六方结构有3个滑移系；在外力作用下，并不是所有的滑移系都会开动，只能是其中一个或几个滑移系开动，那些没有开动的滑移系称为潜在滑移系(potential slip system)。

滑移带与滑移线光学显微镜观察7%形变Al表面形貌扫描电镜观察形变Co单晶表面形貌Schmid 定律（临界分切应力定律）F==τm A ⋅⋅⋅σϕλcos cos 0取向因子（Orientation Factor ）临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress ）Slip in a Zinc single crystal From C.F.ElamThe Distortion of Metal Crystals Oxford University Press London,1935London1935滑移系开动时，所需要的临界分切应力是和外力无关的常数，这个规律称为Schmid定律或临界分切应力定律。