第三章金属材料的塑性变形

1、工程材料基础工程材料基础（3） 第三章第三章 材料的变形材料的变形变形；变形； 弹性变形；弹性变形； 塑性变形塑性变形 第一节第一节 单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形：滑移，孪生金属单晶体的塑性变形：滑移，孪生1 1、滑移：晶体中一部分相对于另一部分沿一定、滑移：晶体中一部分相对于另一部分沿一定 的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整体切向滑移。作整体切向滑移。（晶内滑移）（晶内滑移）塑性变形的滑移带和滑移线实验观察塑性变形的滑移带和滑移线实验观察滑移带滑移带滑移线滑移线1.1.外力

2、作用的塑变，是原子平面间发生相对切向滑动。外力作用的塑变，是原子平面间发生相对切向滑动。2.2.变形只在少数晶面间发生切向滑动，即金属塑变相当变形只在少数晶面间发生切向滑动，即金属塑变相当不均匀不均匀依靠晶体整体滑移的塑性变形模型依靠晶体整体滑移的塑性变形模型塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为其需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎全其需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎全部同时断开。部同时断开。滑移面滑移面刃型位错运动使晶体滑移刃型位错运动使晶体滑移引起塑性变形的模型引起塑性变形的模型位错运动使塑性变形容易位错运动使塑性变形容易参与变形的位错越多，变形越大

3、。参与变形的位错越多，变形越大。螺型位错运动使晶体滑移螺型位错运动使晶体滑移引起塑性变形的模型引起塑性变形的模型混合型位错运动使晶体滑移混合型位错运动使晶体滑移引起塑性变形的模型引起塑性变形的模型晶体的滑移塑性变形位错机制晶体的滑移塑性变形位错机制晶体的滑移塑性变形晶体的滑移塑性变形 未变形未变形 弹性变形弹性变形 弹塑性变形弹塑性变形 塑性变形塑性变形 未变形未变形 弹性变形弹性变形 弹塑性变形弹塑性变形 塑性变形塑性变形滑移面（面间结合力最小的晶面）滑移面（面间结合力最小的晶面）实验观察结论实验观察结论：（1 1）通常晶体宏观塑性变形由微观滑移（切向）通常晶体宏观塑性变形由微观滑移（切向

4、变形）引起。变形）引起。（2 2）微观滑移发生在晶体中确定的晶面（滑移面）微观滑移发生在晶体中确定的晶面（滑移面） 和确定的晶向（滑移方向）上（合称为滑移和确定的晶向（滑移方向）上（合称为滑移 系）系）。滑移面滑移面（密排面）（密排面）滑移面上的滑滑移面上的滑移方向（密排移方向（密排晶向）晶向）滑移塑性变形的特征滑移塑性变形的特征: :（1 1）滑移是）滑移是位错的连续运动位错的连续运动所致。所致。（2 2）存在滑移临界分）存在滑移临界分切应力切应力( (其大小影响材料屈其大小影响材料屈 服强度服强度),),不同晶体结构临界分切应力不同。不同晶体结构临界分切应力不同。（3 3）原子移动的距离是

5、）原子移动的距离是晶格常数的整数倍晶格常数的整数倍，滑移，滑移 后仍保持后仍保持晶体结构的完整性。晶体结构的完整性。（3 3）滑移发生在晶体的）滑移发生在晶体的密排晶面密排晶面和和密排晶向密排晶向上。上。（4 4）不同的晶体结构常具有不同的滑移系（面心）不同的晶体结构常具有不同的滑移系（面心 和体心：和体心：1212个；密排六方：个；密排六方：3 3个），滑移系个），滑移系 越多，越易塑性变形，塑性越好。越多，越易塑性变形，塑性越好。密排六方结构密排六方结构滑移系示意图滑移系示意图面心立方结构面心立方结构滑移系示意图滑移系示意图研究结论研究结论：阻碍位错运动将提高材料屈服强度：阻碍位错运动将提

6、高材料屈服强度。体心立方结构体心立方结构滑移系示意图滑移系示意图2 2、孪生孪生：晶体中一部分相对于：晶体中一部分相对于另一部分沿特定的晶面（孪生面）另一部分沿特定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向和晶向（孪生方向) )产生一定角产生一定角度的切变度的切变。 孪晶孪晶镜面对称镜面对称孪生的发生：晶体结构；孪生的发生：晶体结构； 变形温度；变形温度； 变形速度变形速度二、多晶体塑性变形特点二、多晶体塑性变形特点（众多晶粒+晶界）1 1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响 使微观塑性变形不均匀和更复杂。使微观塑性变形不均匀和更复杂。F FF F晶粒之间塑性变形不均匀晶粒之间塑性变形不均匀（1 1）取向不

7、同，滑移所需）取向不同，滑移所需分分不同：硬取向，软取向不同：硬取向，软取向（2 2）各晶粒都满足）各晶粒都满足临界临界后，每晶粒各自沿自己滑移系后，每晶粒各自沿自己滑移系滑移，又要保持金属结构的连续性。滑移，又要保持金属结构的连续性。相互协调相互协调 相同外力，多晶体比单晶体塑变量小，变形抗力大相同外力，多晶体比单晶体塑变量小，变形抗力大2 2、晶界的影响、晶界的影响（1 1）阻碍位错滑移）阻碍位错滑移 故细化晶粒故细化晶粒提高强度提高强度：s s =0 0 + kd + kd-1/2-1/2。晶界晶界滑移面滑移面位错位错纯铁纯铁（2 2）使微观塑性变形）使微观塑性变形更为均匀，推迟断裂发更

8、为均匀，推迟断裂发生，生， 改善材料塑性、改善材料塑性、韧性。韧性。 原因：原因： 在一定在一定作用下，当总的变形量一定时，晶作用下，当总的变形量一定时，晶粒细，粒细，位错可在更多的晶粒中运动位错可在更多的晶粒中运动塑变更均匀塑变更均匀不易应力集中不易应力集中强度，强度，塑韧性塑韧性三三. .合金的塑性变形合金的塑性变形n不易变形的第二相不易变形的第二相 数量多，粒径小，阻碍位错作用强数量多，粒径小，阻碍位错作用强n易变性的第二相易变性的第二相数量多，粒径大，阻碍位错作用强数量多，粒径大，阻碍位错作用强第二相强化，沉淀强化，析出强化第二相强化，沉淀强化，析出强化第二节第二节 金属的形变强化金属

9、的形变强化一、形变强化（加工硬化）一、形变强化（加工硬化）1 1、冷变形（冷加工）后晶体内部组织的变化、冷变形（冷加工）后晶体内部组织的变化（1 1）晶粒碎化，点缺陷、位错密度增大晶粒碎化，点缺陷、位错密度增大。内部。内部 能量增大（储存了部分形变能）。能量增大（储存了部分形变能）。变形金属中位错胞变形金属中位错胞位错密集区位错密集区（2 2）变形量很大时，晶粒拉长，出现）变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织纤维组织， 晶粒转动形成晶粒转动形成织构织构（择优取向）（择优取向），产生各向，产生各向异性异性。等轴晶等轴晶沿变形方向沿变形方向晶粒拉长晶粒拉长 变形前变形前 变形后变形后 塑性变形量很

10、大时会使各个晶粒塑性变形量很大时会使各个晶粒的取向基本一致而产生的取向基本一致而产生“织构织构”并并造成造成各向异性各向异性。织构：晶粒空间取向趋于一致的组织状态织构：晶粒空间取向趋于一致的组织状态。2 2、冷变形（冷加工）后晶体性能的变化、冷变形（冷加工）后晶体性能的变化 产生形变强化，电阻率上升，耐蚀性下降。产生形变强化，电阻率上升，耐蚀性下降。 形变强化形变强化：随塑性变形量的增大，晶体材料的强：随塑性变形量的增大，晶体材料的强 度不断提高，塑性不断下降的现象度不断提高，塑性不断下降的现象。原因：位错缠结，阻碍位错运动，软取向原因：位错缠结，阻碍位错运动，软取向硬取向硬取向。sbHBHB

11、塑性变形量塑性变形量塑性变形对塑性变形对30号号钢力学性能的影钢力学性能的影响响性性能能指指标标形变强化广泛应用于工业中形变强化广泛应用于工业中 古代古代 现代现代3 3、形变后的残余应力（分三类残余应力）。、形变后的残余应力（分三类残余应力）。（1 1）宏观残余应力宏观残余应力（第一类残余应力）（第一类残余应力） 因材料各部分之间塑性变形不均而产生。因材料各部分之间塑性变形不均而产生。心部变形大心部变形大摩擦力使表摩擦力使表层变形小层变形小拔丝模具拔丝模具金属材料金属材料拉拔力拉拔力金属拔丝示意图金属拔丝示意图金属拔丝变形后残余应力金属拔丝变形后残余应力金属弯曲变形后残余应力金属弯曲变形后残

12、余应力（2 2）微观残余应力微观残余应力（第二类残余应力）（第二类残余应力） 因晶粒之间塑性变形不均而产生。因晶粒之间塑性变形不均而产生。（3 3）晶格畸变残余应力晶格畸变残余应力（第三类残余应力）（第三类残余应力） 因晶粒内部位错等造成晶格畸变而产生。因晶粒内部位错等造成晶格畸变而产生。晶粒之间塑性变形不均匀晶粒之间塑性变形不均匀产生第二类残余应力产生第二类残余应力变形金属晶粒中位错胞变形金属晶粒中位错胞产生第三类残余应力产生第三类残余应力高应力区高应力区l 残余应力危害：减低工件承载能力；使工件残余应力危害：减低工件承载能力；使工件 尺寸、形状变化；降低工件耐蚀性。尺寸、形状变化；降低工件

13、耐蚀性。残余拉应力残余拉应力拉应力拉应力拉应力拉应力表层残余压应力表层残余压应力拉应力拉应力拉应力拉应力残余拉应力与外加应力叠加残余拉应力与外加应力叠加残余压应力抵消部分外加应力残余压应力抵消部分外加应力ll残余应力利用：表面压应力提高疲劳强度。残余应力利用：表面压应力提高疲劳强度。4 4 各向异性各向异性 力学性能，物理性能5 5 物理化学变化物理化学变化 密度，电阻，耐腐蚀性冷变形 提高承载能力，获得尺寸精度和表面质量 冷变形工序间需要热处理消除加工硬化（储存能） 第三节第三节 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化 一、一、 回复、再结晶与晶粒长大回复、再结晶与晶粒长大冷变形金

14、属在加热时经历三个变化阶段：冷变形金属在加热时经历三个变化阶段：加热时组织变化：加热时组织变化：回复回复晶粒长大晶粒长大再结晶再结晶通过控制加热温度和保温时间通过控制加热温度和保温时间加热时金属性能变化加热时金属性能变化：回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大温度温度性能及其他指标性能及其他指标与加工硬化过程相反与加工硬化过程相反1 1、回复、回复l加热温度加热温度：T T回回= =（0.250.250.30.3）T T熔熔（K K）l组织、性能变化组织、性能变化：点缺陷密度减少：离位原子与空位复合点缺陷密度减少：离位原子与空位复合位错呈较规则排列：高密度位错短程运动位错呈较规则排列：高密度位错

15、短程运动残余应力残余应力明显下降明显下降: :引起引起强、硬略有下降。强、硬略有下降。（加工硬化效果依然存在）（加工硬化效果依然存在）电阻率下降。电阻率下降。l回复驱动力回复驱动力：冷变形储存能的下降：冷变形储存能的下降 应用应用：去应力退火：去应力退火2 2、再结晶再结晶l再结晶再结晶：高温加热冷变形金属（再结晶退火），：高温加热冷变形金属（再结晶退火）， 使其形成无畸变等轴晶粒并完全替代原变形晶使其形成无畸变等轴晶粒并完全替代原变形晶 粒，各种性能恢复到冷变形前状态的过程。粒，各种性能恢复到冷变形前状态的过程。l组织、性能变化组织、性能变化：位错密度明显降低，变形晶粒：位错密度明显降低，变

16、形晶粒 变为等轴晶粒，各种性能恢复到冷变形前状态变为等轴晶粒，各种性能恢复到冷变形前状态。l最低再结晶温度最低再结晶温度：能发生再结晶的最低加热温度：能发生再结晶的最低加热温度 经验公式：经验公式：T T再再=0.4 T=0.4 T熔熔（K K）l再结晶驱动力再结晶驱动力：冷变形储存能释放：冷变形储存能释放 应用应用：再结晶退火：再结晶退火3 3、再结晶后晶粒的长大、再结晶后晶粒的长大再结晶结束后继续保温，晶粒将进一步长大。再结晶结束后继续保温，晶粒将进一步长大。晶粒长大驱动力晶粒长大驱动力：晶界总面积减少导致的晶界：晶界总面积减少导致的晶界 能下降。能下降。二、冷变形（加工）与热变形（加工）

17、二、冷变形（加工）与热变形（加工）冷变形冷变形：在：在再结晶温度以下再结晶温度以下进行的塑性变形。进行的塑性变形。冷变形特点：变形抗力高，变形获得的金属硬度、冷变形特点：变形抗力高，变形获得的金属硬度、 精度高。精度高。（静液挤压，等静角挤压） 热变形热变形：在：在再结晶温度以上再结晶温度以上进行的塑性变形。进行的塑性变形。热变形特点：热变形特点：（1 1）变形过程伴随有形变强化和回复与再结晶带）变形过程伴随有形变强化和回复与再结晶带 来的材料软化。来的材料软化。（2 2）热变形温度越高、变形速率越低，软化作用）热变形温度越高、变形速率越低，软化作用 越强。越强。（3 3）热变形产生纤维组织）

18、热变形产生纤维组织“流线流线”。变形量越大，。变形量越大， 纤维化越明显。纤维化越明显。 如（热轧），热挤压如（热轧），热挤压变形前组织变形前组织 变形后组织变形后组织 流流线线流线：塑性变形时，金属中流线：塑性变形时，金属中夹杂物、第二相等夹杂物、第二相等沿沿 变形方向分布排列。变形方向分布排列。低碳钢热加工后的流线低碳钢热加工后的流线三、热变形纤维组织的应用三、热变形纤维组织的应用l “流线流线”使材料具有各向异性：使材料具有各向异性：平行于流线方向抗平行于流线方向抗拉强度高、塑性好拉强度高、塑性好垂直于流线方向抗垂直于流线方向抗剪强度高、塑性差剪强度高、塑性差l 应使应使“流线流线”合理

19、分布：合理分布： 使零件承受的最大使零件承受的最大正正应力应力平行平行于于纤维方向纤维方向； 使零件承受的最大使零件承受的最大切切应力应力垂直垂直于于纤维方向纤维方向。用用轧轧材材切切削削用用锻锻造造加加工工金属挂钩中流线金属挂钩中流线四四 高温蠕变高温蠕变n高温蠕变的三个阶段高温蠕变的三个阶段减速蠕变阶段，恒速蠕变阶段，加速蠕变阶段减速蠕变阶段，恒速蠕变阶段，加速蠕变阶段n机理机理位错滑移、攀移位错滑移、攀移原子迁移（扩散蠕变）原子迁移（扩散蠕变）晶界滑动（细晶促进高温蠕变）晶界滑动（细晶促进高温蠕变）第四节第四节 塑性加工性能及其影响因素塑性加工性能及其影响因素一、塑性加工性能及其指标一、塑性加工性能及其指标塑性加工：通过使材料塑性变形而获得具有一定塑性加工：通过使材料塑性变形而获得具有一定 形状、尺寸和质量的零件的加工方法。形状、尺寸和质量的零件的加工方法。塑性加工性能：金属材料通过塑性加工获得优质塑性加工性能：金属材料通过塑性加工获得优质 零件的难易程度。零件的难易程度。塑性加工性能指标：塑性加工性能指标：塑性塑性、变形抗力变形抗力。 塑性越好、变形抗力越小，则塑性加工性能越好