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第三章_金属材料的塑性变形

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第三章金属冷塑性变形解析ppt课件

第三章金属冷塑性变形解析ppt课件
ED cGb2
式中常数c-0.5 2、储存能与亚结构的关系
ED
s
R
或
ED
K
D
式中常数α-1.5，K是常数
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
3、储存能与取向的关系 E110>E111>E112>E100
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
3.2 金属组织结构的变化
• 金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动， 位错运动的结果就产生了塑性变形。
• 在位错的运动过程中，位错、溶质原子、间隙位 置原子、空位、第二相质点都会发生相互作用， 引起位错的数量、分布和组态的变化。从微观角 度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中 或变形后的主要变化。
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
体心立方晶格金属最主要的择优取向是轧制平 面内的立方体平面{001}<110>，而且还有其它织 构类型，如{112}<110>和{111}<112>。
密排六方晶格金属通常会使底面平行于轧制平 面和密排方向<11-20>平行于轧制方向。
纯银在轧制期间形成一个{110}<112>简单织构， 这种织构称为“黄铜”织构。
织构的形成是与温度有关的。提高变形温度，促 进铜型织构而不利于黄铜型织构，以致于堆垛层错 能很低的金属或合金，仅当提高温度（如达到 0.5TM）时，才能保持黄铜织构。

材料力学性能塑性变形

材料力学性能塑性变形

S S (1 2 R a)[ln( 1 a 2 R)]
《材料力学性能》 第三章 塑性变形
3.3.3 形变强化的实际意义
• 金属的加工硬化，对冷加工成型工艺是很重要 的。
• 对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工 硬化能力，零件具有抵抗偶然超载的能力，是 安全使用的可靠保证。
• 形变强化是提高材料强度的重要手段，尤其对 不能进行热处理强化的材料。
§3.3 真应力－应变曲线及形变强化规律
真应力—真应变加线可用Hollomon方程来表示：
S K
n
K－－强化系数；n－－应变强化指数。 由上式可知，n值越大，材料对继续塑性变形得抗力愈高。 大多数金属材料的应变硬化系数为0.05～0.5之间。 应变强化速率与n意义的区别：
S K
n
Mb 条件抗扭强度 b W
真实抗扭强度
4 dM k 3 [3M k k ( )k ] d0 d
《材料力学性能》 第三章 塑性变形
扭转切应变

k d0
2l0
100%
对于塑性材料，因塑性变形很大，弹性变形可忽略， 上式求出的总应变看作残余切应变；对于脆性材料和 低塑性材料，弹性变形不能忽略，残余切应变还应减 去弹性切应变γy。
《材料力学性能》 第三章 塑性变形
3.2.3 应变时效 如果在屈服后一定塑性变 形处卸载，随即再拉伸加 载，则屈服现象不再出现， 若在卸载后在室温或较高 温度停留较长时间后再拉 伸，即物理屈服现象重现、 且新的屈服平台高于卸载 时应力—应变曲线。这种 现象称为应变时效。
《材料力学性能》 第三章 塑性变形
3.4.3 弯曲试验
1、弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲，试样主要有矩形 截面和圆形截面。

金属的塑性变形与再结晶(3)

金属的塑性变形与再结晶(3)
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切 应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐步移动， 当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上 半部就相对于下半部移动了一个原子间距，形成 一个原子间距的滑移量。
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影

第三章 金属塑性变形的物理基础

第三章 金属塑性变形的物理基础

（1）塑性的基本概念
什么是塑性？ 塑性是金属在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力。
塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。
塑性与柔软性的对立统一
铅---------------塑性好，变形抗力小
不锈钢--------塑性好，但变形抗力高 白口铸铁----塑性差，变形抗力高
塑性指标的测量方法
拉伸试验法 压缩试验法 扭转试验法 轧制模拟试验法
拉伸试验法
Lh L0 100%
L0 F0 Fh 100%
F0
式中：L0——拉伸试样原始标距长度； Lh——拉伸试样破断后标距间的长度； F0——拉伸试样原始断面积； Fh——拉伸试样破断处的断面积
%
晶粒5 晶粒4 晶粒3
晶粒2
晶粒1
位置，mm
图5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。 垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量
四、合金的塑性变形
单相固溶体合金的变形 多相合金的变形
§3. 2 金属塑性加工中组织和性能变化 的基本规律
一、冷塑性变形时金属组织和性能的变化 二、热塑性变形时金属组织和性能的变化
2200
N/mm2
图4-6 正压力对摩擦系数的影响
0.5
μ
0.4
0.3
0.4
0.2 0.2
0.1
0
℃
200
400
600
800
图4-7 温度对钢的摩擦系数的影响
0
400
600
800 ℃
图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响
测定摩擦系数的方法
夹钳轧制法 楔形件压缩法 塑性加工常用摩擦系数 圆环镦粗法

金属的塑性变形

金属的塑性变形
孪生机制
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。

《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能

《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
➢再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)：用经过严
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形

3-1 金属的塑性变形

3-1 金属的塑性变形

18
四、纤维组织
材料在压力加工中产生塑性 材料在压力加工中产生塑性 压力加工 变形时， 变形时，基体金属的晶粒形状和 沿晶界分布的杂质形状都发生了 变形，它们都将沿着变形方向被 变形， 拉长，呈纤维形状。 拉长，呈纤维形状。这种结构叫 纤维组织。 纤维组织。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 是变形后所形成的带有方向性的晶粒
后 退
12
二、多晶体的塑性变形
多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 是多个位向不同变形总和 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。
特点： 特点：
变形过程复杂。 变形过程复杂。 变形抗力比单晶体大的多。 变形抗力比单晶体大的多。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。
5
3.挤压 3.挤压
金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形， 金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形，从 挤压模内被挤出模孔而变形 而获得所需制件的加工方法。 而获得所需制件的加工方法。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 方向相同 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反 方向相反。 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。
22
2) 金属组织的影响
纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 可锻性好 金属化合物是硬脆的组成相， 金属化合物是硬脆的组成相，组织中的金属化合 是硬脆的组成相 物越多，可锻性越差。 物越多，可锻性越差。 比如纯铁、纯铜、纯铝、具有单相铁素 比如纯铁、纯铜、纯铝、 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性， 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性，但 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。

《材料成型技术与基础》全套PPT电子课件教案-第03章 单晶体与多晶体的塑性变形等

《材料成型技术与基础》全套PPT电子课件教案-第03章 单晶体与多晶体的塑性变形等

拉拔时金属应力状态
第三章金属材料的塑性变形
本章小结
锻造、轧ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、挤压、冲压等都是塑性变形。这些 塑性变形的目的不仅是为了得到零件的外形和尺寸， 更重要的是为了改善金属的组织和性能。
塑性变形的主要形式是滑移和孪生，是在切应力 的作用下进行的，塑性变形将产生形变强化，形成纤 维组织，具有各向异性。塑性变形后的 金属加热时会 产生回复或再结晶及晶粒长大，其形变强化现象消除。
滑移特点：①滑移是在切 应力作用下完成的；②滑 移时移动的距离是原子间 距的整数倍；③滑移的同 时由于正应力组成的力偶 作用，推动晶体转动，力 图使滑移面转向与外力一 致的方向。④滑移的实质 是位错运动的结果。因此 滑移的实际临界切应力远 远大于理论临界切应力。
第三章金属材料的塑性变形
单晶体滑移变形示意图
定义:经冷变形的金属当加热到T再时,会在变形最激 烈的区域自发形成新的细小等轴晶粒,叫做再结 晶这一过程实质上也是一个形核和长大的过程, 但晶格类型不变,只是改变了晶粒外形. T再T熔
※金属再结晶后,消除了残余应力和形变强化现象 晶粒长大 冷变形和热变形 金属纤维组织及其应用
第三章金属材料的塑性变形
第三章金属材料的塑性变形
单晶体和多晶体的塑性变形 金属的形变强化 塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 塑性加工性能及影响因素 本章小结
第三章金属材料的塑性变形
单晶体的塑性变形 1.滑移 2.孪生 1.晶粒取向对塑性变形的影响 2.晶界对塑性变形的影响
第三章金属材料的塑性变形
锌单晶体的滑移变形示意图
第三章金属材料的塑性变形
未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形
位错运动引起的滑移变形示意图
第三章金属材料的塑性变形

金属塑性成形原理第三章金属塑性成形的力学基础第四节屈服准则

金属塑性成形原理第三章金属塑性成形的力学基础第四节屈服准则

则，这个圆柱面就称为主应力空间中的米塞斯屈服表面。
屈雷斯加六角柱面
N
σ3
I1
I J
HGF
K
0
E
L
A
B
D C
σ1
C1
主应力空间中的屈服表面
屈服表面的几何
米塞斯圆柱面 意义：若主应力
空间中的一点应
力状态矢量的端
点位于屈服表面，
σ2
则该点处于塑性
状态；若位于屈
服表面内部，则
该点处于弹性状
态。
2、两向应力状态下的屈服轨迹
真实应力－应变曲线及某些简化形式
（1）理想弹性材料——图a,b,d （2）理想塑性材料——图b,c
（3）弹塑性材料
理想弹塑性材料-图b 弹塑性硬化材料-图d
（4）刚塑性材料
理想刚塑性材料-图c 刚塑性硬化材料-图e
s
1、实际金属材料在比例极限以下——理想弹性 一般金属材料是理想弹性材料
2、金属在慢速热变形时——接近理想塑性材料 3、金属在冷变形时——弹塑性硬化材料 4、金属在冷变形屈服平台部分——接近理想塑性
引等倾线ON l m n 1 3
在ON上任一点 1 2 3 m
过P点引直线 PM ON
OM表示应力球张量，MP表示 应力偏张量
矢量
OP OM MP
σ1
MP OP 2 OM 2
σ3 σ3
0
σ1
N
P M
2
3
s
σ2
主应力空间
σ3
OP
2
12
2 2
2 3
N
σ3
P
M
OM 1l 2m 3n
屈雷斯加屈服准则 未考虑中间应力 使用不方便

第三章 金属的塑性变形

第三章 金属的塑性变形
变形速度得到恰当配合。
主要工艺：微细晶粒超塑性、相变超塑性
小结
1.认识单晶体金属塑性变形的主要方式－滑移的主 要特点；
2.认识多晶体金属塑性变形的特点和晶界与晶粒位 向对塑性变形的影响； 3.掌握金属在塑性变形过程中，结构、组织与性能 的变化规律，加工硬化产生的原因和实际意义；
滑移的同时必然伴随着晶体的转动。
孪生
孪生：在切应力作用下，晶体的一部分 相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶 向（孪生方向）发生切变的变形过程。
孪生的特点
金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面
两侧形成镜面对称关系。 发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或 孪晶。
孪生带的晶格位向发
生变化，发生孪生时 各原子移动的距离是 不相等的。
一、单晶体的塑性变形
塑性变形主要方式：滑移、孪生
单晶体
弹性变形
滑移变形
孪生变形
滑移变形在晶体表面留下变形痕迹 孪晶变形在晶体内部留下变形痕迹
滑移
滑移是在切应力作用下，晶体的一部分 沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑 移方向）相对于另一部分发生滑动。
滑移示意图
机械工程材料
滑移的特点
滑移与位错
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许 多晶界，变形复杂。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同， 且存在许多晶界，变形复杂。
（A）晶界的影响
晶界起强化作用
（ B）晶粒位向的影响
轴向拉力F，试样横截面积A , 外力F作用在滑移面上，沿滑 移 方向的分切应力为:
晶界的影响
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对金属组织和性能的影响⑴
①改善铸锭组织，表现在：

第3章 金属材料的塑性成形——压力加工

第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个 指标来综合衡量。
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。

第三章 金属的塑性变形

第三章 金属的塑性变形
发生再结晶的最低温度称再结晶温度。

纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.

金属熔点越高, T再也越高.
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
影响再结晶退火后晶粒度的因素
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析 晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式有滑移和孪晶。 根据晶体结构 理论，任何一块单 晶体都包含有若干 不同方向的晶面。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织 700º C保温10分后的组织
第四节
金属的热加工
• 一、冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温
度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷 加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
• 如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。 • 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
铁素体变形80%
碎拉长的晶粒变为完整
的等轴晶粒。
650℃加热
• 这种冷变形组织在加热
时重新彻底改组的过程
称再结晶。
670℃加热
• 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。

工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形

工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
42
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
36
再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。

第三章 金属材料的塑性变形

第三章 金属材料的塑性变形

二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
3.3 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的 变化 金属经塑性变形后，组织结构和性能发生 很大的变化。如果对变形后的金属进行加热， 金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加 热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再 结晶和晶粒长大过程。
一、回复 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复 过程。 产生回复的温度T回复为： T回复=(0.25～0.3)T熔点 式中T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度 (K)。 由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是 晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复 合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变 形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强 度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大 大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应 力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。

金属材料的塑性变形

金属材料的塑性变形
⑵滑移只能在切应力的作用下发生。 ⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离 为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。
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2.孪生
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶 向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。
孪生与滑移的区别是： 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。
⑶形变织构的产生 当变形量很大（70%以上）时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取
向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
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3.2.3 塑性变形产生的残余应力
残余应力: 金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的
宏观内应力； 晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成
⑴纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形 量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。
当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被 拉长，形成所谓纤维组织。
变形前后晶粒形状变化示意图
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⑵亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在 局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
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3.1.2 多晶体的塑性变形
1.晶粒取向对塑性变形的影响
在多晶体中，各个晶粒内原 子排列的位向不一致，这样 不同晶粒的滑移系的取向就 会不同。
作用在不同晶粒滑移系 上的分切应力会有差别，分 切应力最大的那些晶粒最先 开始滑移。多晶体金属的塑 性变形将会在不同晶粒中逐 批发生.
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1)宏观残余应力即第一类残余应力，是由于金属材 料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的残 余应力；
2)微观残余应力即第二类残余应力，是各晶粒或亚 晶粒之间变形不均匀，在各晶粒或亚晶粒间产生的 残余应力；
3)晶格畸变残余应力即第三类残余应力，是金属在 塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷，使晶体 中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生 的残余应力。
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力



外
力
分 解
在 晶 面
切 应 力 作 用
锌 单 晶 的 拉 伸
上
下
照
的
的
片
变
形
3
塑性变形的形式：滑移和孪生 金属常以滑移方式发生塑性变形 (1) 滑移
滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶 体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一 部分发生滑动位移的现象。在应力去除后， 位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹
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3.3.1 回复
（1）回复概念
经冷加工的材料在较低的温度保温， 这时材料发生点缺 陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。 利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保 留了加工硬化效果的方法为去应力退火
（2）回复引起材料组织和性能变化
• 宏观应力（第一类应力）基本消除， 但微观应力（第二、第三类）仍然残 存。
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刃位错的运动
晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动， 它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象 称作位错的易动性。
滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密
度增大
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(2） 孪生
孪生是指晶体的一部分 沿一定晶面和晶向相对 于另一部分所发生的切 变，发生在滑移系较少 或滑移受限制情况下。
3.2 金属的形变强化
3.2.1 形变强化现象 3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响 3.2.3 塑性变形产生的残余应力
3.2.1 形变强化现象
金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化 ，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其 塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称 为加工硬化或冷作硬化。
金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错增多，内应力升高等现象，他们
会引起材料体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾
向。
加热促使转变进行
在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程， 如右图所示 。
回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应
地,材料的结构和性能也发生对应变化。
7
6
FCC
金属的塑性：fcc＞bcc＞chp
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哪个滑移系先滑移？
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临 界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
c

F A
c os
c os
取向因子
最先达到c的滑移系先开始滑移 滑移时
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3) 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整 数倍。
铁素体变形80% 650℃加热
670℃加热
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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。核心出现在位错聚集的地方， 原子能量最高，最不稳定。它只是 一个形态上的变化。新晶粒中缺陷 减少，内应力消失了 。
SEM-再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上
位错密度与强度关系
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2）随变形量增加，亚结构细化； 3）随变形量增加，空位密度增加； 4）几何硬化：由晶粒转动引起。
• 加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未
变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发 生均匀塑性变形。
• 加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热
处理强化的金属和合金尤为重要。
软 位
一些原来不能启动的滑移系开动，进而使
向
整个晶体的塑性变形协调发展。
晶粒所处的位向为易滑移的位向称为 “软位向” 反之谓“硬位向”。先发 生于软位向晶粒，然后到硬位向。
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（2）晶粒位向差阻碍滑移
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变 形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发 生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。
金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。
加工硬化的原因 塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大 → 变形抗力↑
3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响
（1）对组织结构的影响
1）组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的 等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材 料产生各向异性。
这种弹性变形便成 为塑性变形晶粒的 变形阻力。
由于晶粒间的这种 相互约束，使得多 晶体金属的塑性变 形抗力提高。
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（3）晶界的影响
当位错运动到晶界附近时， 受到晶界的阻碍而堆积起 来，称位错的塞积。要使 变形继续进行，则必须增 加外力，从而使金属的变 形抗力提高。
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晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
磁率。
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（2）对力学性能的影响
1）加工硬化 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性 下降的现象称加工硬化。
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产生加工硬化的原因
1）随变形量增加, 位错密度增加；
未变形纯铁
变形20%纯铁中的位错
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由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加，塑 性降，强度、硬度升高.
580ºC保温3秒后的组织
580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织
冷变形(变形量为38%)黄铜的再结
晶
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影响再结晶温度的因素
1）金属的预先变形程度 金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度 达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低 再结晶温度。
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系:
利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上 应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用 热处理强化的合金，这种方法格外重要。
冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电 阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面 质量好，但塑性下降，进一步加工困难。
加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）
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由于晶粒的转动，当 塑性变形达到一定程 度时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致，这 种现象称织构或择优 取向。
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
丝织构
板织构
形变织构示意图
形变织构使金属呈现各向 异性，在深冲零件时，易 产生“制耳”现象，使零 件边缘不齐、厚薄不匀。
但织构可提高硅钢片的导
发生切变的部分称孪生带或孪 晶，沿其发生孪生的晶面称孪 生面。
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孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
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与滑移相比：
孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移
是原子间距的整数倍）。 密排六方晶格金属：滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。 面心立方晶格金属：一般不发生孪生变形。
滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条 滑移线组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
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4)滑移的同时伴随着晶体的转动。
转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力 分量组成了力偶.
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韧性断口
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2、滑移的机理
把滑移设想为刚性整体滑动——滑移面上每一个原子都同时移 到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有 原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个 数量级。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
冷变形奥氏体不锈钢 加热时的再结晶形核
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由于再结晶后组织的复 原，因而金属的强度、 硬度下降，塑性、韧性 提高，加工硬化消失。
冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC 保温15分后的的再结晶组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
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再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的 最低温度称再结晶温度。
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3.2.3 塑性变形产生的残余应力
由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束， 各晶粒的变形先后不一致，有些晶粒的变形较大， 有些变形较小，在同一晶粒内变形也不一致，因而 造成多晶体变形的不均匀性。晶粒内部和晶粒之间 会存在不同的内应力，变形结束后残留在晶粒内部 或晶粒之间形成残余应力。
残余应力分为:
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3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点
单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。
（1）不均匀的塑性变形
多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。
切应
硬
力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的
位 向
相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或
相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移 系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另
T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
T再与ε的关系
如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
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2）金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素， 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著 提高。
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3）再结晶加热速度和加热时间
P
单晶体受力后，外力在任何晶面