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塑性变形机制第二章剖析

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第二章 弹性变形与塑性变形

第二章 弹性变形与塑性变形

0
a b f = m− n r r
4
弹性变形概述
胡克定律与弹性常数
任意一点的状态 正应力σx，σy，σz 正应变εx，εy，εz 切应力τxy，τyz，τzx 切应变γxy，γyz，γzx G ≈ 2(1 +ν )E
弹性模量与切变模量
单向拉伸
1 εx = σx E
εy = εz = − σx
19
屈服强度
提高途径
点阵阻力 晶格畸变——包括固溶 位错宽度——越小越好 位错交互作用阻力 位错密度越高越好！ Gb τ =α = αGb ρ l 细晶强化！
晶界阻力
Hall-Petch公式 第二相强化
σ s = σ 0 + kd −1/ 2
20
屈服强度
其他影响
温度 温度升高屈服强度降低！
加载速度
7
加载速率 冷变形
弹性模量
弹性模量的各向异性
单晶体 不同晶体学方向弹性模量不同
多晶体 形变织构
宏观显示出各向同性 沿流变方向弹性模量最大
8
弹性极限
比例弹性极限
GB228-63
工程弹性极限 GB6397-86
应力σ
0
应力σ 0
应变ε
应变ε
正切值变化50%
产生0.005%或0.01%或 0.05%残余变形
9
弹性比功
弹性应变能密度
材料吸收变形功而不发生永久变形的能力
1 1 σ e2 u = σ eε = 2 2 E
应用实例
E
0
应变ε 应力σ
工艺方法
提高弹性极限
10
弹性不完善性
弹性后效
应力保持不变！
应变ε

第二章 金属材料的塑性变形与性能

第二章 金属材料的塑性变形与性能

9
根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力 b）压缩载荷 —压力 c）弯曲载荷 --弯力 d）剪切载荷--剪切力 e）扭转载荷--扭转力
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2.内力 （1）定义 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在 材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 （2）大小 内力大小与外力相等。 （3）注意 内力和外力不同于作用力和反作用力。
2
§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 （包括：弹性变形和塑性的现象。
c）磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
3
2.常见塑性变形形式 1）轧制 （板材、线材、棒材、型材、管材）
28
2）应用范围 主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、 调质处理后的各种软钢或硬度较低的 材料。 3）优、缺点 优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均 性能；适合对毛坯及半成品测定。 缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料； 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
29
2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义 采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。 2）表示方法
11
3.应力 （1）定义 单位面积上所受到的力。 （2）计算公式 σ= F/ S（ MPa/mm2 ） 式中： σ——应力； F ——外力； S ——横截面面积。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段： 弹性变形 弹-塑性变形 断裂。 1.特点 弹性变形： 金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。

《材料科学基础》材料塑性变形剖析

《材料科学基础》材料塑性变形剖析
层错能越低，位错不易通过交滑移越过遇 到的障碍，从而加大了应变硬化。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
26
7.滑移的表面痕迹
单滑移：单一方向 的滑移带； 多滑移：相互交叉 的滑移带； 交滑移：波纹状的 滑移带。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
27
二、孪晶变形
孪晶变形是在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）和 晶向（孪晶方向）发生均匀切变，并形成晶体 取向的镜面对称关系。
夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑
移方向转向力轴。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
17
拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
18
压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
19
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 几何软化：，接近45，滑移变得容易。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
4
位错移动引起永久变形的示意图
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
5
2. 滑移的观察 光镜下：滑移带。 电镜下：滑移线。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
6
3. 滑移的晶体学 （1）几何要素：滑移面 （密排面）、滑移方向 （密排方向）
原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力 最小，因而容易沿着这些面发生滑移。
coscos（取向因子）：
软取向，值大；硬取向，值小。
《材料科学基础》材料塑性变形剖
析
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4. 滑移时晶体的转动
若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。

失效分析 第2章剖析

失效分析 第2章剖析
3
2.1 过量弹性变形失效
线膨胀系数是表征材料热胀冷缩特性的参数。 不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹 配不当，在温度改变时就可能引发故障。 例：钢的线膨胀系数约为12×10－6℃－1，是青 铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作 轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作， 但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦 的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使 零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的 数值时，就将导致弹性变形失效。
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2.4 脆性断裂失效
三、防止和改进措施 (1) 设计上应保证工作温度高于材料的脆性转 变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转 变温度比工作温度更低的材料；避免三向应力 的工作条件，减缓应力集中。 (2) 工艺上应正确执行工艺规程，避免诸如过 热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。 (3) 操作上应遵守设计规定的使用条件，操作 平稳，尽量避免冲击载荷。
27
,TK 为缺口试 和 f 的交点对应的温度为TK s
2.4 脆性断裂失效
脆性转变温度是低温脆性材料的一个非常重 要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温 脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下 发生的。 防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作 温度高于其脆性转变温度，即
T工作 T K (20 ~ 30) C (2．2)
7
2.1 过量弹性变形失效
例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造， 就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。 铍的弹性模量为铝的4倍、钢的1．5倍。如果 考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6 倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加 截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。 如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际 需要采用热膨胀系数适合的材料。

第二章 金属塑性变形的物理基础

第二章 金属塑性变形的物理基础

26
锻造温度区间的制定
27
2、锻合内部缺陷 3、打碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢 中的分布 4、形成纤维组织 5、改善偏析
28
塑性变形过程中晶粒的变化
29
第三节 金属的超塑性变形
一、超塑性的概念和种类 概念：金属和合金具有的超常的均匀变形 能力。
大伸长率、无颈缩、低流动应力、易成形、无加工硬化
另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。
4、晶界不同于晶内性质：
3
一、变形机理
晶内变形 1、滑移 2、孪生 晶间变形 晶粒之间的相互转动和滑动 注意： 晶间变形的情况受温度的影响
4
1、滑移面和滑移方向的确定
确定滑移面：原子排 列密度最大的晶面 确定滑移方向：原子 排列密度最大的方向
5
金属的主要滑移方向、滑移面、滑移系
种类：
细晶超塑性：在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满 足要求的条件下所呈现出的超塑性。 相变超塑性：具有相变或同素异构转变的金属，在其转变 温度附近以一定的频率反复加热、冷却。在外力的作用下 所呈现出的超塑性。
30
二、细晶超塑性变形的力学特征
无加工硬化
31
三、影响细晶超塑性的主要因素
应变速率
20
21
二、性能的变化 （力学性能） 加工硬化 成因：位错交互作用，难以运动 应用：强化（奥氏体钢） 避免：多次塑性加工中加入退火工序
22
第二节 金属热态下的塑性变形
热塑性变形：再结晶温度以上进行的塑性 变形 一、塑性变形时的软化过程 1、动态回复、动态再结晶 2、静态回复、静态再结晶、亚动钢中的碳和杂质元素的影响 碳 磷 硫 氮 氢 氧
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2、合金元素对钢的塑性的影响 合金元素的加入，会使钢的塑性降低、变 形抗力提高 原因见课本p43

吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶

吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶
实质——晶界迁移过程
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶 粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
34
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。
目的：1. 消除加工硬化 使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
18
底面对角线
1 面×3 方向=3
7
4、滑移机理
临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切应
力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才 能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
8
位错运动造成滑移示意图
9
10
二、 多晶体金属的塑性变形
700℃

金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础

金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础

位错的攀移
❖ 螺型位错无攀移
❖ 正攀移——正刃型位错位错线上移
负刃型位错位错线下移
编辑课件
位错的交割
❖ 两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，
则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶后
仍分别在各自的平面内运动。
❖ 刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错
线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑移。
❖ 螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成的
❖ 假设：理想晶体两排原子相距为a，同排原子间距
为b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。
在外力τ作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
三种晶胞的晶格结构
编辑课件
一、塑性变形机理
实际金属的晶体结构
❖ 单晶体:各方向上的原子密度不同——各向
异性
❖ 多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性

❖ 塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶
体，其变形过程比单晶体复杂的多。
编辑课件
多晶体塑性变形的分类
加工中，会使变形力显著增
加，对成形工件和模具都有
III．抛物线硬化阶段：
一定的损害作用；但利用金
与位错的交滑移过程有关，
θ3
随应变增加而降低，应力应变
属加工硬化的性质，对材料
曲线变为抛物线。
进行预处理，会使其力学性
能提高
编辑课件
2.2 金属热态下的塑性变形

第二章材料的塑性变形17

第二章材料的塑性变形17

两列原子间的力有两种：
（1）每层中原子之间的相互作 用力，该力与两层原子相对位移不相 干；
（2）上、下两层原子之间的相 互作用力，该力与两层原子相对位移 有关，是周期性变化的力。
完整晶体原子排列位置
7
2.2 理想晶体的强度
假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力τ，引起晶 体上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动，如图 所示。在切应力作用下，势必引起MN面上原子同时移动，同 时切断MN面上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移。
9
2.2 理想晶体的强度
为了便于分析，假定 势能随原子位移变化为正 弦波曲线。移动原子所需 的作用力F的变化可由势 能-位移曲线（E-x）的斜 率确定。
a.E-x变化曲线；b. τ-x变化曲线
10
2.2 理想晶体的强度
晶体滑移所需的切应力为：= F A
作用在晶体上的切应力与原子位移之间的关系：=msin 2πx b
屈服应力——当外力超过物体弹性极限，达到某一 点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此 点为屈服点，达到屈服点的应力。
3
2.1 概述
2. 度量塑性的指标
延伸率：
L L0 100 %
L0
断面收缩率： A A0 100%
A0
工程上： 5% （塑性/韧性材料）
5% （脆性材料）
16
2.3 晶格缺陷——位错
2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
基本类型
刃位错（edge dislocation）， l⊥ b 螺位错（screw dislocation）， l∥ b
混合位错
17
2.3.1 位错的基本概念（dislocation）

第二章 弹性变形及塑性变形

第二章 弹性变形及塑性变形
弹性模量： 原子间结合 力的反映和 度量。
1、弹性变形的物理本质
外力(F)与原子间引力(a / r m)、斥力(b / r n) 的平衡过程。
FfFab0 nm rm rn
2、弹性常数
E = 2 (1+ )G
E： 正弹性模量（杨氏摸量） ：柏松比 G：切弹性模量
3、固体中一点的应力应变状态
z z z
多晶体的塑性变形
3 晶界对变形的阻碍作用 （1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 （2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少 穿过。
3 晶界对变形的阻碍作用
（3）晶粒大小与性能的关系 a 晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式) s=0+kd-1/2
原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 （有尺寸限制）
材料来说会产生弹性变形、塑性变形，直至断裂。
物体受外力作用产 生了变形，除去外力 后物体发生的变形完 全消失，恢复到原始 状态的变形。
弹性变形示意
材料的弹性变形应用
弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。
材料的弹性变形应用
弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。
弹性变形： 变形可逆； 应力应变呈 线性关系。来自0e0
e
3、内耗 Q-1
弹性滞后使加载时材料吸收的弹性 变形能大于卸载时所释放的弹性变形能， 即部分能量被材料吸收-弹性滞后环的 面积。
工程上对材料内耗应加以考虑
4、包申格效应
产生了少量塑性变形的材料，再同向加载 则弹性极限与屈服强度升高；反向加载则弹性 极限与屈服强度降低的现象。
2.5 材料的塑性变形
二 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取 向的镜面对称关系。

第二章 塑性变形--第二节 塑性变形对组织和性能的影响

第二章 塑性变形--第二节 塑性变形对组织和性能的影响

8
三、织构现象的产生
（ 1 ）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的 各晶粒呈择优取向的组织。变形量达到70-90%时 产生。 （2）类型 丝织构：某一晶向趋 于与拔丝方向平行。（拉 拔时形成） 板织构：某晶面趋于 平行于轧制面，某晶向趋 于平行于主变形方向。 （轧制时形成）
9
形变织构对性能的影响 力学性能：深冲板材变形易产生制耳。(各向异性) 物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损。
6
加工硬化的利弊 （1）利 强化金属的重要途径（如铝、铜、不锈 钢）； 材料加工成型的保证（如冷拔钢丝）； 提高材料使用安全性。 （2）弊 变形阻力提高，动力消耗增大.
7
塑性变形对材料物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。
Ⅰ 残余应力易引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂体的加工硬化效应比单晶体强。晶粒越细，硬化效应越 强。
5
总结
1.固溶体的加工硬化：主要通过柯氏气团对位错 的钉扎作用。 2.单晶体的加工硬化：主要通过位错间的相互纠 缠作用。 3.多晶体的加工硬化：除了位错间的相互纠缠作 用外，还有晶界对位错运动的阻碍作用。多晶体 的加工硬化效应比单晶体的加工硬化效应强。
三个阶段组成： I阶段——易滑移阶 段； Ⅱ阶段——线性硬化 阶段； Ⅲ阶段——抛物线型 硬化阶段
3
位错的交割 晶体中位错线的方位各式 各样，不同滑移面上运动的位 错在运动中相遇就有可能发生 位错互相切割现象，称之为位 错的交割． 位错的交割的结果在原来 是直的位错线上形成一段一个 或几个原子间距大小的折线 （割阶），使原来的位错线变 长，能量增加，因此交割过程 对位错运动具有阻碍作用，使 变形过程中产生应变硬化。

第二章2 晶体结构与塑性变形之金属的塑性变形

第二章2 晶体结构与塑性变形之金属的塑性变形



晶体中的滑移系愈多,其塑性变形能力愈好。
滑移系数量相同时, 滑移方向愈多,塑性变形能力愈好。

面心立方晶格金属Al﹑ Cu﹑γ-Fe的塑性变形能力优于 体心立方晶格金属W﹑Cr﹑α-Fe等。 孪生: 是金属的另外一种塑性变形方式。在切应力的作 用下,金属晶体的一部分相对于另一部分,沿着特定的晶 面发生均匀切变。发生孪生的晶面称孪生面,发生孪生 变形的晶体称孪晶。孪生变形所需的切应力较大,但产 生的变形量却很小。
第二相粒子增加位错滑移的阻力,提高了强 度。 采用生成第二相粒子强化金属的方法称为弥 散强化或沉淀强化,是工业上常用的强化手段。
第二相粒子对位错滑移的影响
发生位错滑移的原子密度最大的晶面和原子 密度最大的晶向就是滑移面和滑移方向。 体心立方晶格:有6个滑移面,每个滑移面上 有2个滑移方向,故有 6*2=12个滑移系。 面心立方晶格:有4个滑移面,每个滑移面上 有3个滑移方向,故有 4*3=12个滑移系。 密排六方晶格:有1个滑移面,每个滑移面上 有3个滑移方向,故有 1*3=3个滑移系。

位错的滑移示意图
滑移面
滑移系 滑移方向
每个位错滑移出晶体表面后,都会产生一个原子间距 的台阶,大量的原子间距的台阶组成滑移线,一组平行 的滑移线构成滑移带。
单晶体塑性变形特点:
1.位错的滑移只在切应力的
作用下发生。
2. 滑移时,晶体移动的距离 为原子间距的整数倍。 3. 滑移时伴随着晶体旋转。 4. 位错的滑移只沿着晶体中 原子密度最大的晶面和原子 密度最大的晶向发生,因为 这样所需克服的滑移阻力最 小。
3.多晶体的塑性变形的物理过程
每个晶粒内部都有自己 的滑移线,但都终止于 晶界,两相邻晶粒的滑 移线并不连续。每个晶 粒只产生自己的滑移和 变形。

第2章 金属塑性变形的材料学原理

第2章 金属塑性变形的材料学原理

8
2.2 单晶体的塑性变形
主要形式滑移（变形） 次要形式孪生（协调）
Principle of Metal Forming
2.2.1 滑移

概念：晶体在切应力的作用下, 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的相对移动或切变。
9

特点：
①滑移只能在切应力作用下才会发生。 ②滑移是晶体内部位错运动的结果。 ③晶体总变形量是这个方向上的原子间距的整数倍。 ④滑移总是沿着晶体中原子密度最大晶面和晶向进行。
c.合金比纯金属的加工硬化率要高。
2.6
回复和再结晶
2.6.1 冷变形金属的静态回复 和静态再结晶 1. 静态回复 金属经变形以后，形成不 稳定结构，使内能增高，处于 热力学不稳定状态。在变形停 止以后，若变形程度不超过临 界变形程度时，将发生回归稳 定的现象。
26
2. 静态再结晶
在热变形后，若金属仍处于再结晶温度以上，则 将发生静态再结晶。重新形成无畸变的等轴晶。 影响因素： 1）温度 2）保温时间 3）变形程度 4）原始晶粒尺寸 5）金属的化学成分
①体心立方：滑移优先、低温孪生
②面心立方：多滑移、少孪生（极低温或高冲击）
③密排六方：少滑移、多孪生
17
1.3 位错理论的基本概念（自学）
1.4 多晶体的塑性变形
2.4.1 多晶体的变形方式
1.晶内（单晶体内）变形 转动＋滑移 2.晶间（晶界）变形 晶粒取向趋于一致而被拉长
Principle of Metal Forming
30
Principle of Metal Forming
Principle of Metal Forming

第二章4 晶体结构与塑性变形之小结

第二章4 晶体结构与塑性变形之小结

冷加工: 冷加工: 在金属的再结晶温度以下的塑性 变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等， 变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等， 有加工硬化的现象产生。 有加工硬化的现象产生。 热加工: 热加工 在金属的再结晶温度以上的塑性变 形加工。如碳钢的热轧、锻造等， 形加工。如碳钢的热轧、锻造等，因有动态再 结晶发生, 无加工硬化现象产生。 结晶发生 无加工硬化现象产生
一﹑金属的晶体结构
1.三种常见的金属晶体结构: 三种常见的金属晶体结构:
体心立方晶格; 面心方晶格; 体心立方晶格; 面心方晶格; 密排六方立方晶格 单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。 单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。 多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。 多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。实际金属 晶体是多晶体结构。 晶体是多晶体结构。
三、回复和再结晶
(一).回复 加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。 加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。晶 粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。 粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。 强度和硬度只略有降低， 塑性有所增高， 残余应力大大降低。 强度和硬度只略有降低 ， 塑性有所增高 ， 残余应力大大降低 。 去应力退火就是利用回复过程、 消除冷变形金属残余内应力， 去应力退火就是利用回复过程 、 消除冷变形金属残余内应力 ， 保留加工硬化效果的工艺方法。 保留加工硬化效果的工艺方法。 (二).再结晶 加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、 加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、破碎的晶 粒重新生核、长大变成新的均匀、 粒重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶称再结晶 再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低， 再结晶后，内应力全部消失，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。 而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被消除。 物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。 物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。 ).晶粒长大 (三).晶粒长大 继续加热保温会发生晶粒长大。 继续加热保温会发生晶粒长大。粗大的晶粒组织使金属的强 硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。 度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。

第二章金属的塑性变形与再结晶

第二章金属的塑性变形与再结晶
24
二、多晶体金属的塑性变形
双晶粒试样的拉伸实验表明，晶界处较粗，这说明
晶界的变形抗力大，变形较小。
25
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
26
㈠晶界及晶粒位向的影响
1、晶界的影响 晶界处原子排列紊乱，
杂质原子较多，增大了其 晶格的畸变，因而在该处 滑移时位错运动受到的阻 力较大，难以发生变形， 具有较高的塑性变形抗力。
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滑移的原因： 内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性滑移 外因：切应力的作用
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晶体塑性变形的基本方式:
滑移和孪生
塑性变形最主要的方式: 滑移
滑移的实质是:
位错运动
晶体滑移并不是在切应力作用下，一部分 相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对的 整体移动。
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二、多晶体金属的塑性变形
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。
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变形织构根据加工变形方式的不同主要有两种类型： 拉拔引起的织构称为丝织构; 轧制引起的织构称为板织构。
织构有时使材料的加工成形性能恶化。
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变形织构的各相异性是明显的。其不均匀的塑 性变形会使薄板冲压产生“制耳”现象。
制耳示意图
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3 晶粒破碎形成亚晶粒
随着变形的增大→位错密度明显增大→位错 不均匀分布→晶粒破碎成细碎的亚晶粒。
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课堂讨论
5．加工硬化使金属： a. 强度降低、塑性升高 b. 强度增大、塑性升高 c. 强度增大、塑性降低
6. 金属铸造时，为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 以砂型代替金属型 c. 采取机械振动
7. 反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂， 这是由于产生了： a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火
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2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
塑性变形机制第二章剖析
弹性变形（Elastic Deformation）
弹性变形过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加 →返回趋势→外力消失→变形消失→弹性变形
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。
滑移面A上的全应力:滑移方向的分切应力:
S
A Sco s co cso s
滑移面上的正应力:
nSco sco2s
c
s
外力在滑移方向的分切应力
cscoscos
s
c coscos
塑性变形机制第二章剖析
只有 c 一定时 s 与 coscos 才构成如图函数关系
变形协调机制
非晶机制(Amorphous Mechanism)：高温 晶界滑移(Grain Boundary Slip)：高温
塑性变形机制第二章剖析
2.1 滑移（Slip）
2.1.1滑移现象 室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移是靠位错的运动实现的 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等
力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
塑性变形机制第二章剖析
滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
在300℃ 拉伸的锌单晶体
塑性变形机制第二章剖析
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
塑性变形机制第二章剖析
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
滑移带示意图
塑性变形机制第二章剖析
滑移
定义：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。
滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。
塑性变形机制第二章剖析
滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 “滑移面”和“滑移方向”。
滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
塑性变形机制第二章剖析
密排六方晶格
对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改 变。
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其 中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性， 面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方 晶格。
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系
塑性变形机制第二章剖析
Schmid定律:
金属在一定变形温度和变形速度条件下,开始发生滑移变形 所需的临界切应力为常数,与取向因子无关.
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 塑性变形机制第二章剖析
塑性变形机制第二章剖析
塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此，
施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群能多次地定向 地从一个平衡位置移到另一个平衡位置，由此产生宏观的塑性 变形。 塑性变形的本质:位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 及转动）；
单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 拉伸:σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切:τ=Gγ，G-切变模量 。 弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位置的难易程 度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 是一种组织不敏感的性质。
全程性：持续至断裂前。
金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。
切应力的作用下金属晶体才
能产生塑性变形。
外
切
塑性变形的机制力在第二章剖析
应
锌 单
塑性变形机制第二章剖析
塑性变形机制第二章剖析
临界切应力：沿滑移面滑移方向上的分切应力；能够引起
滑移系开动的分切应力,决定滑移系能否开动.
滑移面法线与横截面法线间夹角为φ ；
轴向拉力与滑移方向间夹角为λ
A0
横截面A0上的正应力: P A0
塑性变形机制第二章剖析
2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移系只提供了金属滑移的 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。
单晶体受力后，外力在任何
晶面上都可分解为正应力和
切应力。正应力只能引起弹
性变形及解理断裂。只有在
于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这便是滑移。 光镜下：滑移带（无重现性）。电镜下：滑移线。
塑性变形机制第二章剖析
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现一 系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮凸， 称为滑移带。
塑性变形机制第二章剖析
塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation）
（根据原子群移动所发生的条件和方式划分）
滑移(Slip)：最主要的变形方式 孪生(Twinning)：
低温高速，对称性较低的密排六方金属
不对称变形(Asymmetrical Deformation）：