金属塑性变形

1、塑性是金属材料的重要特性；塑性是金属材料的重要特性；金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。件毛坯或零件。塑性加工包括锻压、轧制、塑性加工包括锻压、轧制、 挤压、拉拔、冲压挤压、拉拔、冲压等方法。等方法。6 金属塑性变形金属塑性变形金属在承受塑性加工时，金属在承受塑性加工时， 产生塑性变形，产生塑性变形，宏观上改变了材料的形状和尺寸；宏观上改变了材料的形状和尺寸；微观上改变了金属的组

2、织结构；微观上改变了金属的组织结构；金属的塑性变形对材料的性能也会产生重金属的塑性变形对材料的性能也会产生重要的影响，是金属材料重要的强化手要的影响，是金属材料重要的强化手段。段。 1、应力应变曲线、应力应变曲线弹性变形：应力去除后能弹性变形：应力去除后能 够恢复的变形。够恢复的变形。=EE弹性模量：弹性模量： E E弹性极限：弹性极限： e e屈服极限：屈服极限：s s， 0.20.2加工硬化（应变硬化）加工硬化（应变硬化）抗拉强度：抗拉强度： b b断裂强度：断裂强度： k k延伸率：延伸率：=(L=(Lk k-L-L0 0)/L)/L0 0断面收缩率：断面收缩率：=（F F0 0-F-F

3、k k)/F)/F0 0真实应力：瞬时载荷与瞬时真实应力：瞬时载荷与瞬时截面积之比。截面积之比。S=P/FS=P/F真应变真应变e e：d de e=dl/l=dl/l总应变：总应变：流变曲线：流变曲线： n: n: 加工硬化指数，加工硬化指数，n n越大，越大，强化效果越大。强化效果越大。llldldee0)1ln(nkeS 2 2 真应力真应力- -真应变曲线真应变曲线3 3、单晶体的塑性变形、单晶体的塑性变形（1 1） 滑移现象滑移现象滑移：滑移：滑移带：滑移带：滑移线：滑移线：（2 2） 滑移系滑移系 滑移面：原子排列最密的晶面滑移面：原子排列最密的晶面 滑移方向：滑移方向：原子排列最

4、密晶向原子排列最密晶向 滑移系：一个滑移面和其上的滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移方向组成一个滑移系。 滑移系越多，晶体塑性越好。滑移系越多，晶体塑性越好。金属塑性变形的方式主要有金属塑性变形的方式主要有:滑移和孪生滑移和孪生金属不同晶格的滑移系金属不同晶格的滑移系1210晶格类型晶格类型滑移面滑移面1106个个1114个个00011个个滑移方向滑移方向2个个3个个3个个滑移系数目滑移系数目62=12个个43=12个个13=3个个金属塑性除与滑移系的多少金属塑性除与滑移系的多少有关外有关外, ,还与滑移面上原子的还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目密排程度和

5、滑移方向的数目有关有关（3） 临界分切应力临界分切应力临界分切应力：晶体开始滑移时，临界分切应力：晶体开始滑移时，滑移方向上的分切应力。滑移方向上的分切应力。=0coscos= 0 mk=scoscos= s m 取向因子（施密特因子）取向因子（施密特因子）m m：m m越大，越大， 越有利于滑移。越有利于滑移。 软取向：软取向： =45，m=0.5m=0.5 硬取向：硬取向： =9090 或或=0 ，m=0m=0 影响临界分切应力因素：金属的本影响临界分切应力因素：金属的本性（组织，纯度），变形速度，加工性（组织，纯度），变形速度，加工状态状态（4） 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动拉伸时，

6、拉伸时，增大，增大，压缩时，压缩时， 减小。减小。几何硬化：几何硬化：远离远离4545 ，滑移，滑移变得困难变得困难几何软化：几何软化： 接近接近4545 ，滑移，滑移变得容易变得容易（5） 多滑移和交滑移多滑移和交滑移单滑移：单滑移：多滑移：多滑移：交滑移：交滑移：（6）滑移的位错机制）滑移的位错机制晶体的滑移通过位错运动来实现。晶体的滑移通过位错运动来实现。通过位错的移动实现滑移时：通过位错的移动实现滑移时： 1 1、只有位错线附近的少数原子移动；、只有位错线附近的少数原子移动； 2 2、原子移动的距离小于一个原子间距；、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较

7、小；所以通过位错实现滑移时，需要的力较小； 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。这种机理实现的。 滑移变形的特点：滑移变形的特点：滑移变形只

8、能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力滑移变形只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力( (称滑称滑移临界切应力移临界切应力) )大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形由于位错每移出晶体一

9、次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距整数倍。量一定是这个方向上的原子间距整数倍。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面( (密排面密排面) )和其上密度最大的晶向和其上密度最大的晶向( (密排密排方向方向) )进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大，结合力最弱。因进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大，结合力最弱。因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。的一个滑移方向组

10、成一个滑移系。滑移变形时晶体伴随有转动。如图所示，在拉伸时，滑移变形时晶体伴随有转动。如图所示，在拉伸时，单晶体发生滑移，外力轴将发生错动，产生一力偶，单晶体发生滑移，外力轴将发生错动，产生一力偶，迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以滑移面的法线为转轴转动，使滑移方向趋于最大切应滑移面的法线为转轴转动，使滑移方向趋于最大切应力方向。力方向。位错的交割与塞积位错的交割与塞积4 4、孪生、孪生（1 1） 孪生变形现象孪生变形现象孪生变形：切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和孪生变形：切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和

11、一定的晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生的变一定的晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形。形。变形过程：变形过程：孪晶：孪晶：（2） 孪生变形特点孪生变形特点 滑移孪生相同点沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。不同点 晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果部分位错运动的结果孪生常发生于密排

12、六方晶体中，体心立方在承受冲击载荷时发生，面心立方很少发孪生常发生于密排六方晶体中，体心立方在承受冲击载荷时发生，面心立方很少发生孪生变形生孪生变形5、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，因此变形要复杂得多。晶界，因此变形要复杂得多。 有以下特点：有以下特点：（1 1）各晶粒变形的不同时性：）各晶粒变形的不同时性：多晶体中每个晶粒多晶体中每个

13、晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向于最大切应力方向( (称晶粒处于软位向称晶粒处于软位向), ), 另一些另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大较大( (称晶粒处于硬位向称晶粒处于硬位向) )。在发生滑移时，软位。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶界是

14、原子排列不规则的晶界是原子排列不规则的地方，它对位错的移动有地方，它对位错的移动有阻碍作用，要想使位错通阻碍作用，要想使位错通过晶界，外界必须对它施过晶界，外界必须对它施加更大的力，所以晶界处加更大的力，所以晶界处的强度比晶内高。的强度比晶内高。（2 2）各晶粒协同变形：一个晶粒的变形受到相邻晶粒的约束。）各晶粒协同变形：一个晶粒的变形受到相邻晶粒的约束。面心和体心滑移系多，协调性好，多晶体表现出良好的塑性；面心和体心滑移系多，协调性好，多晶体表现出良好的塑性； 密排六方滑移系少，协调性差，多晶体塑性较差；密排六方滑移系少，协调性差，多晶体塑性较差；（3 3）塑性变形具有不均匀性）塑性变形具有

15、不均匀性各个晶粒的变形不均匀，一个晶粒内部的变形也不均匀；各个晶粒的变形不均匀，一个晶粒内部的变形也不均匀； 晶粒中心区域的变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小；晶粒中心区域的变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小；晶粒大小对多晶体的塑性变形的影响晶粒大小对多晶体的塑性变形的影响 （1 1）晶界的影响：晶界使变形晶粒中的位错受阻）晶界的影响：晶界使变形晶粒中的位错受阻（2 2）晶粒取向的影响：为协调变形）晶粒取向的影响：为协调变形要求每个晶粒进行多滑移，导致位要求每个晶粒进行多滑移，导致位错的交割错的交割两者都提高材料的强度。晶粒越细，两者都提高材料的强度。晶粒越细，晶界越多，材料的强度越高

16、。晶界越多，材料的强度越高。把细化晶粒增加晶界提高金属强度把细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法称的方法称细晶强化细晶强化。霍尔霍尔- -配奇配奇(Hall-(Hall-petchpetch) )公式公式210kdSv细晶强化可在提高强度的同时改善塑性和韧性细晶强化可在提高强度的同时改善塑性和韧性6 6、固溶体的塑性变形、固溶体的塑性变形（1） 固溶强化固溶强化固溶强化：随溶质原子含量的增固溶强化：随溶质原子含量的增加，单相固溶体塑性变形抗力提加，单相固溶体塑性变形抗力提高，强度、硬度不断增加，塑性、高，强度、硬度不断增加，塑性、韧性不断下降的现象。韧性不断下降的现象。 产生原因：产生原因：(1

17、)溶质与溶剂原子半径差引起弹性畸变，溶质与溶剂原子半径差引起弹性畸变，与位错之间产生弹性交互作用，对滑移面与位错之间产生弹性交互作用，对滑移面上的位错有阻碍作用上的位错有阻碍作用(2)位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。扎作用。 影响因素：影响因素：(1)(1)溶质原子不同、浓度不同，强溶质原子不同、浓度不同，强化效果不同化效果不同(2)(2)溶质原子与基体金属原子尺寸溶质原子与基体金属原子尺寸差越大，强化作用越大。差越大，强化作用越大。(3)(3)间隙溶质原子比置换溶质原子间隙溶质原子比置换溶质原子强化作用大。强化作用大。(4)(4)溶质与基体价电子数差越

18、大，溶质与基体价电子数差越大，强化作用越强。强化作用越强。7 7、多相合金的塑性变形、多相合金的塑性变形（1） 聚合型两相合金的变形 两相的塑性都较好两相的塑性都较好变形阻力取决于两相的体积分数：变形阻力取决于两相的体积分数：等应变理论：等应变理论：等应力理论：等应力理论：只有第二相较强时，合金才能强化。只有第二相较强时，合金才能强化。 第二相为硬脆相第二相为硬脆相合金性能除了与两相相对含量有关外，还取决于脆性相的形状和分布：合金性能除了与两相相对含量有关外，还取决于脆性相的形状和分布：(1)连续网状第二相：使合金塑形变差，强度降低(2)层片状第二相：使强度提高，(3)粗颗粒状第二相：强度降低

19、，塑性、韧性改善2211第二相的获得：相变第二相的获得：相变热处理，粉末冶金热处理，粉末冶金（2） 弥散型两相合金的塑性变形弥散型两相合金的塑性变形A A、不可变形微粒的强化作用：位错绕过机制、不可变形微粒的强化作用：位错绕过机制第二相微粒间距越小，强化效果越好。第二相微粒间距越小，强化效果越好。GbB B、可变形微粒的强化作用：位错切过机制、可变形微粒的强化作用：位错切过机制 需要错排能需要错排能 需要反相畴界能需要反相畴界能 需要表面能需要表面能 弹性应力场与位错作用，阻碍其运动弹性应力场与位错作用，阻碍其运动 位错能量、线张力变化位错能量、线张力变化（1 1）显微组织的变化）显微组织的变

20、化晶粒被拉长为扁平晶粒晶粒被拉长为扁平晶粒 纤维组织纤维组织 位错密度增加，形成位错胞位错密度增加，形成位错胞 变形亚结构或变形亚晶变形亚结构或变形亚晶 8 8、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形成变形织构形成变形织构：多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取向，称为变形织构。向，称为变形织构。 类型类型 (1)(1)丝织构：各晶粒某一相同指数的晶向与拉拔方向平行或接近平行。丝织构：各晶粒某一相同指数的晶向与拉拔方向平行或接近平行。形成条件：拉拔时形成。形成条件：拉拔时形成。表示方法：表示方法： (2) (2)板织构：各晶粒某一同指数晶面平行于轧制平面、某一同指数的晶板织构：各晶粒某一同指数晶面平行于轧制平面、某一同指数的晶向平行于轧制方向。向平行于轧制方向。形成条件：轧制时形成形成