第三章 金属的塑性变形

1、第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形 锻压时，金属坯料在外力作用下按一锻压时，金属坯料在外力作用下按一定要求产生塑性变形，最终达到所要求的定要求产生塑性变形，最终达到所要求的形状和尺寸。同时，通过塑性变形还可改形状和尺寸。同时，通过塑性变形还可改变材料内部的组织，从而改善锻压件的力变材料内部的组织，从而改善锻压件的力学性能。学性能。第一节第一节 单晶体、多晶体的塑性变形单晶体、多晶体的塑性变形 当外加应力大于金属的屈服点时，当外加应力大于金属的屈服点时，金属将发生塑性变形，塑性变形的基本金属将发生塑性变形，塑性变形的基本形式是滑移和孪生。形式是滑移和孪生。* * 滑移只有在滑移只有在切应

2、力切应力作用下才能进行作用下才能进行, ,只只有当作用在晶面上的切应力达到临界值时有当作用在晶面上的切应力达到临界值时, ,材料才会发生塑性变形材料才会发生塑性变形. .1. 1. 滑移滑移 是在切应力作用下，晶体的一部分是在切应力作用下，晶体的一部分原子相对另一部分原子，沿着一定的晶面原子相对另一部分原子，沿着一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）相对（滑移面）和一定的方向（滑移方向）相对滑动的结果。滑动的结果。一、塑性变形的基本形式一、塑性变形的基本形式 晶体的滑移不是只发生在一个晶面上，晶体的滑移不是只发生在一个晶面上，而是在相邻的一组晶面上同时或先后发生，而是在相邻的一组晶面上同

3、时或先后发生，从而形成明显的从而形成明显的滑移带滑移带。 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动移面上滑移方向向最大切应力方向转动。孪晶组织孪晶组织孪生示意图孪生示意图2.2.孪生（孪晶）孪生（孪晶） 是指在外力作用下是指在外力作用下, ,其一部分沿一定晶面其一部分沿一定晶面( (孪晶孪晶面面) )在一个区域在一个区域( (孪晶带孪晶带) )内做连续、顺序的切变。内做连续、顺序的切变。 特点是：特点是：以孪晶面为对称面，已变形部分的以孪晶面为对称面，已变形部分的原子与未

4、变形部分的原子形成对称分布。原子与未变形部分的原子形成对称分布。 孪生与滑移的最大区别之一是发生孪生孪生与滑移的最大区别之一是发生孪生后，虽然晶体结构未改变，但晶格位向已发后，虽然晶体结构未改变，但晶格位向已发生改变。而滑移前后晶体结构和晶格位向均生改变。而滑移前后晶体结构和晶格位向均未改变。未改变。 孪晶所需的孪晶所需的切应力切应力要比要比滑移大得多，滑移大得多，因此因此孪晶只有在孪晶只有在滑移很难进行的场合才滑移很难进行的场合才发生。所以有时发生。所以有时孪晶和孪晶和滑移是交替进行滑移是交替进行的。的。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形

5、。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生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，一般不发生孪生变孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶二、单晶体的塑性变形二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析晶内变形晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式

6、有单晶体塑性变形的主要方式有滑移滑移和和孪晶孪晶。 根据根据晶体结构晶体结构理论理论，任何一块单，任何一块单晶体都包含有若干晶体都包含有若干不同方向的晶面。不同方向的晶面。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动正应力只能造正应力只能造成晶体的弹性成晶体的弹性变形或断裂，变形或断裂，而不能引起晶而不能引起晶体的塑性变形。体的塑性变形。 滑移只能在切应力的作滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力小切应力称

7、临界切应力. 滑移常沿晶体中原滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑结合力最弱，产生滑移所需切应力最小移所需切应力最小。l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移滑移方向方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 一个滑移面一个滑移面和其上的一和其上的一个滑移方向个滑移方向构成一个构成一个滑滑移系移系。 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，

8、塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。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。体心立方晶格好于密排六方晶格。多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行 2 2、塑性变形的实质、塑性变形的实质 把滑移设想为刚性整体滑动所需把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大临界切应力值大3-43-4个数量级。滑个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来移是通过滑移面上位错的运动来实现的。实现的。l晶体通过位错运动产生滑

9、移晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性现象称作位错的易动性。刃位错的运动刃位错的运动三三 . . 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形（一）晶界和晶粒位向的影响（一）晶界和晶粒位向的影响 试样经拉伸变形后，试样经拉伸变形后，出现明显的所谓出现明显的所谓“竹节竹节”现象。即试样在远离夹头现象。即试样在远离夹头和晶界的的晶粒中间部分和晶界的的晶粒中间部分出现明显颈缩，而在晶界出现明显颈缩，而在晶界附近的截

10、面几乎不变。附近的截面几乎不变。 这说明金属的晶界比这说明金属的晶界比晶粒本身具有更高的变形晶粒本身具有更高的变形抗力。抗力。多晶铁的拉伸变形多晶铁的拉伸变形室温室温高温高温 当位错运动到晶界附近当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而时，受到晶界的阻碍而堆积起来堆积起来, ,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继续进行要使变形继续进行, , 则则必须增加外力必须增加外力, , 从而使从而使金属的变形抗力提高金属的变形抗力提高。晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积 除晶界对滑移变形有影响外，由于多晶除晶界对滑移变形有影响外，由于多晶体中晶粒

11、位向不同，当任一晶粒滑移时，都体中晶粒位向不同，当任一晶粒滑移时，都将受到不同位向的晶粒阻碍，从而也使变形将受到不同位向的晶粒阻碍，从而也使变形抗力增大，因此，抗力增大，因此，多晶体的变形抗力总是高多晶体的变形抗力总是高于单晶体。于单晶体。 多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于或接近于4545的晶粒。当塞积位错前端的应力达到的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移

12、来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移大量晶粒发生滑移后，金属便显示出后，金属便显示出明显的塑性变形。明显的塑性变形。 金属金属晶粒的大小晶粒的大小对塑性变形的过程和金对塑性变形的过程和金属的性质都有很大的影响。晶粒越细则晶界属的性质都有很大的影响。晶粒越细则晶界面积相对越大，变形抗力越大，从而表现金面积相对越大，变形抗力越大，从而表现金属的强度和硬度越高；晶粒越细则变形在整属的强度和硬度越高；晶粒越细则变形在整个晶体内的分布越趋于均匀，变形引起的内个晶体内的分布越趋于均匀，变形引起的内应力越小，则金属整体可

13、以承受更大的变形应力越小，则金属整体可以承受更大的变形而不破裂，因而金属的塑性也越好。而不破裂，因而金属的塑性也越好。多晶体变形的特点：多晶体变形的特点：- 各晶粒变形的不同时性。各晶粒变形的不同时性。- 各晶粒变形的相互协调性。各晶粒变形的相互协调性。 一、塑性变形对组织结构的影响一、塑性变形对组织结构的影响 1 1、金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，、金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶晶界变得模糊界变得模糊不清。不清。第二节第二

14、节 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40% 变形强化变形强化 现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性下降。下降。 原因：滑移面原因：滑移面附近的晶粒碎晶附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻变，增大滑移阻力，使滑移难以力，使滑移难以进行。进行。2 2、塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。、塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。冷变形强化在生产中很有实用意义：冷变形强化在

15、生产中很有实用意义：* * 可利用冷变形强化来可利用冷变形强化来强化金属强化金属* * 冷变形强化也是工件能够用塑性变形方冷变形强化也是工件能够用塑性变形方法法成形成形的重要因素的重要因素* * 冷变形强化还可以在一定程度上提高构冷变形强化还可以在一定程度上提高构件使用过程中的件使用过程中的安全性安全性* * 但在多次加工中，会由于冷变形强化造但在多次加工中，会由于冷变形强化造成后道工序成后道工序加工的困难加工的困难 由于晶粒的转动，当塑性变由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象形方向趋于

16、一致，这种现象称称织构织构或或择优取向择优取向。l形变织构使金属呈形变织构使金属呈现各向异性，在深现各向异性，在深冲零件时，易产生冲零件时，易产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率可提高硅钢片的导磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无第三节第三节 变形金属在加热时的组织和性能变化变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后金属经冷变形后, , 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, , 有有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，自发恢复到稳

17、定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小原子扩散能力小, ,不稳定状态可长时间维持。不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜 回复回复 回复是指在加热温度较低回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少，晶并而使缺陷数量减少，晶格畸变程度降低，残余

18、内格畸变程度降低，残余内应力部分消失应力部分消失。 在回复阶段，金属组织在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电有提高，但内应力、电阻率等显著下降。阻率等显著下降。 工业上，常利用回复现工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理加工硬化，这种热处理方法称方法称去应力退火去应力退火。* * 残余内应力残余内应力 内应力是指平衡于金属内部的应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力是由于金属受力时时, , 内部变形不均匀而引起的。金属

19、发生塑性变形时内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时, ,外力所做的功只有外力所做的功只有10%10%转化为内应力残留于金属中转化为内应力残留于金属中. . 内应力分为三类：内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间第一类内应力平衡于表面与心部之间 ( (宏观内应力宏观内应力) )。 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, , ( (微观内应力微观内应力) )。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。 第三类内应力是形变金属中的主要内应力，第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属

20、强化的主要原因。而第一、二类内也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。应力都使金属强度降低。l内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。处理，以消除或降低内应力。 再结晶再结晶 当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整碎拉长的晶粒变为完整的

21、等轴晶粒。的等轴晶粒。 这种冷变形组织在加热这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程时重新彻底改组的过程称称再结晶再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热 再结晶也是一个晶核形成再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完晶粒的晶格类型和成分完全相同全相同。冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核加热时的再结晶形核再结晶晶粒在原变形组再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核织晶界上形核再结晶晶粒形核于高密再结晶晶粒形核于高密度位错基体上度位错基体上 由于再结晶后组织的复由于再结晶

22、后组织的复原，因而金属的强度、原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织* * 再结晶温度再结晶温度 再结晶不是一个恒温过程，它是自某一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，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发生再结晶的最低温度称再结晶温度再结晶温度。T再再与与的关系的关系l纯金属的最低再结晶温度纯金属的最低再

23、结晶温度与其熔点之间的近似关系与其熔点之间的近似关系: : T T再再0.4T0.4T熔熔 其中其中T T再再、T T熔熔为绝对温度为绝对温度. .l金属熔点越高金属熔点越高, T, T再再也越高也越高. .T再再 = (T熔熔+273)0.4273，如，如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=451影响再结晶退火后晶粒度的因素影响再结晶退火后晶粒度的因素 1 1、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响粗大，加热温度的影响尤为显著。尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温

24、度对晶粒度的影响 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响. . 当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶. . 当变形达到当变形达到210%210%时，只有部分晶粒变形，变形极时，只有部分晶粒变形，变形极预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响2 2、预先变形度、预先变形度不均匀，再结晶晶不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大易互相吞并和长大, ,再结晶后晶粒特别再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度粗大，这个变形度称临界变形度。称临界变形度。 当超过临界变

25、形度后，随变形程度增加，变形越当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。基本不变。 l对于某些金属，当对于某些金属，当变形量相当大时变形量相当大时( ( 90%)90%)，再结晶后，再结晶后晶粒又重新出现粗晶粒又重新出现粗化现象，一般认为化现象，一般认为这与形成织构有关这与形成织构有关. .预先变形程度对预先变形程度对再结晶晶粒尺寸再结晶晶粒尺寸的影响的影响变形变形83%变形变形88%变形变形93% 再结晶后的晶粒长大

26、再结晶后的晶粒长大 再结晶完成后，若继续升再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织 晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低其是塑性和韧性降低 。原子穿过原子穿过

27、晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 一、冷加工与热加工的区别一、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。加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔 如如 Fe Fe 的再结晶温度为的再结晶温度为451451，其在，其在400 400 以下的加以下的加工仍为冷加工。而工仍为冷加工。而 SnSn 的再结晶温度为的再结晶温度为-71-71，则其