第14章 金属的塑性变形

1、第第1414章章 金属金属的塑性变形的塑性变形第14章 金属的塑性与断裂 14.1 金属塑性的基本概念及测定方法14.2 影响塑性的主要因素14.3 提高金属塑性的主要途径14.4 金属的超塑性14.5 单晶体和多晶体的塑性变形14.6 金属在塑性变形中的硬化14.7 塑性流动规律（最小阻力定律）14.8 金属塑性变形的不均匀性与残余应力14.9 金属在塑性加工中的断裂什么是塑性？ 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。 14.1 塑性和塑性指标不锈钢不锈钢-塑性好，但变形抗力高塑性

2、好，但变形抗力高铅铅-塑性好，变形抗力小塑性好，变形抗力小 金属在高温下变形抗力都很小，具有很好的柔软性，但绝对不能肯定它们必然有良好的塑性。 结论：塑性与柔软性不是同一概念结论：塑性与柔软性不是同一概念为什么要研究金属的塑性？探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量一、塑性指标及其测量方法塑性指标的测量方法塑性指标 塑性指标概 念： 金属在破坏前产生的最大变 形程度，即极限变形量。表示方法： 断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数） 弯曲次数塑性指标的测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法拉伸试验法00100%hLLL00100%hFF

3、F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 压缩试验法 简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定： 00100%hHHH式中： 压下率； H0试样原始高度； Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的 高度扭转试验法 对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（ ） 。 030nRL式中：R试样工作段的半径； L0试样工作段的长度； n试样破坏前的总转数。 概念：表示金属概念：表示金属塑性指标塑性指标与变形与变形温度温度及及加载方式加载方式的关系曲线图形，简称的关系曲线图形，简称塑

4、性图塑性图。应用：合理选择加工方法应用：合理选择加工方法 制定冷热变形工艺制定冷热变形工艺二、塑性图的基本概念二、塑性图的基本概念。变形速度和受力状况等度、外部条件，如变形温。化学成分和金相组织等，、金属本身的晶格类型影响金属塑性的因素211414.2 .2 影响塑性的主要因素影响塑性的主要因素一、化学成分的影响、化学成分的影响（一）碳钢中碳和杂质元素的影响（一）碳钢中碳和杂质元素的影响碳碳 塑性塑性氢氢 引起氢脆现象，钢的塑性引起氢脆现象，钢的塑性 ( (白点白点) )磷磷 钢的强度钢的强度 、硬度、硬度 、塑性及韧性、塑性及韧性 在低温时，更为严重，这种现象称为冷脆性。在低温时，更为严重，

5、这种现象称为冷脆性。硫硫 增加热脆性。增加热脆性。氮氮 产生时效脆性（高温产生时效脆性（高温 低温，低温，FeFe4 4N N析出使钢的强析出使钢的强度、硬度度、硬度 、塑性、韧性、塑性、韧性 ）14.2.1 金属的化学成分和组织对塑性的影响金属的化学成分和组织对塑性的影响（二）合金元素对钢的塑性的影响（二）合金元素对钢的塑性的影响合金元素合金元素 塑性降低塑性降低 、变形抗力、变形抗力 可以从以下几个方面来解释：可以从以下几个方面来解释：1. 合金元素溶入固溶体中，使其原子的晶体点阵发生畸合金元素溶入固溶体中，使其原子的晶体点阵发生畸变；变；2. 合金元素与碳形成脆而硬的碳化物；合金元素与碳

6、形成脆而硬的碳化物；3. 合金元素改变钢中相的组成，形成多相组织；合金元素改变钢中相的组成，形成多相组织；4. 合金元素与钢中的合金元素与钢中的O、S形成氧化物或硫化物，造成形成氧化物或硫化物，造成钢的热脆性；钢的热脆性；5. 合金元素能影响钢的铸造组织和影响钢材加热时晶粒合金元素能影响钢的铸造组织和影响钢材加热时晶粒的长大倾向，从而影响钢的塑性。的长大倾向，从而影响钢的塑性。1.晶格类型晶格类型面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性其次，密面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性其次，密排六方晶格塑性较差。排六方晶格塑性较差。2. 单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好。单相组织（纯金属或

7、固溶体）比多相组织塑性好。 第二相的性质、形状、尺寸和分布会极大的影响合金第二相的性质、形状、尺寸和分布会极大的影响合金的机械性能。的机械性能。3. 细晶粒组织有利于提高金属的塑性。细晶粒组织有利于提高金属的塑性。4. 铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。14.2.2 变形温度、变形速度对塑性的影响变形温度、变形速度对塑性的影响一、变形温度的影响一、变形温度的影响晶界滑动作用的加强热塑性作用的加强化金属的组织结构发生变系增加临界剪应力降低，滑移发生了回复与再结晶塑性温度.

8、 5. 4. 3. 2. 1热振动热振动再结晶和扩散再结晶和扩散均匀奥氏体组织均匀奥氏体组织原子热运动能原子热运动能力极低；晶间力极低；晶间化合物脆化化合物脆化动态时效结果动态时效结果相变区相变区有有F和和A过热与过烧过热与过烧二、变形速度的影响二、变形速度的影响 随着变形速度的增加，既有使金属的塑性降低的一面，又随着变形速度的增加，既有使金属的塑性降低的一面，又有效果相反的一面。有效果相反的一面。 变形速度对塑性的影响比较复杂。变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时

9、，塑性随变形速度的提高反而变好。性随变形速度的提高反而变好。随着变形速度增加随着变形速度增加（1）由于）由于加工硬化加工硬化导致变形抗力增加，从而使得塑性降低；导致变形抗力增加，从而使得塑性降低；（2）温度效应温度效应所引起的塑性增加。所引起的塑性增加。从工艺性能的角度来看，提高变形速度有以下有利从工艺性能的角度来看，提高变形速度有以下有利作用：作用：1. 降低摩擦系数 降低金属流动阻力。2. 减少热成形时的热量损失。3.出现惯性流动，有利于复杂工件的成形。概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称的关系曲线图形，简称塑性图塑性图。

10、应用：合理选择加工方法应用：合理选择加工方法 制定冷热变形工艺制定冷热变形工艺三、塑性图三、塑性图根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围根据塑性图确定热变形温度范围根据力学性能要求确立根据力学性能要求确立MB5MB5主要成分为：主要成分为： Al 5. 5 7. 0%Al 5. 5 7. 0%Mn 0. 15 0. 5%Mn 0. 15 0. 5%Zn 0. 5 1. 5%.Zn 0. 5 1. 5%.温度 T T530530，为液相，为液相270270，为，为 两相组两相组织织270

11、270 T T530530，为单，为单一的一的 相相根据塑性图进一步确定热变形温度范围根据塑性图进一步确定热变形温度范围从塑性图上获取的信息从塑性图上获取的信息慢速加工，温度为慢速加工，温度为350350400400时时, ,值和值和m m 都有最大都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。度加工。 锻锤下加工，在锻锤下加工，在350350左右有突变，变形温度应选择在左右有突变，变形温度应选择在400450400450。 工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K K曲线来

12、判定。从图中可知，在相变点曲线来判定。从图中可知，在相变点270270附近突然附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250250以下以下进行为佳。进行为佳。14.2.3 应力状态对塑性的影响应力状态对塑性的影响单向的二种二向应力状态，三种三向应力状态，四种主应力图有九种主应力图中主应力的个数，正负以及主应力的数值都对金属的主应力图中主应力的个数，正负以及主应力的数值都对金属的塑性产生影响。塑性产生影响。提高三向压缩应力状态，能充分发挥材料的塑提高三向压缩应力状态，能充分发挥材料的塑性（静水压起作用性（静水压起作用， ）。）。应力状态中的压应力个数多

13、、数值大、静水压力也大，则塑性应力状态中的压应力个数多、数值大、静水压力也大，则塑性好；反之，压应力个数少或数值小，或甚至存在拉应力，则静好；反之，压应力个数少或数值小，或甚至存在拉应力，则静水压力减少，塑性就差。水压力减少，塑性就差。3/ )(321m原因：原因：1 1 拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力则阻拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力则阻止或减少晶间变形，因而提高了金属的塑性。止或减少晶间变形，因而提高了金属的塑性。2 2 三向压缩应力有利于消除由于塑性变形而引起的各种破坏，而三向压缩应力有利于消除由于塑性变形而引起的各种破坏，而拉应力则相反。拉应力则

14、相反。3 3 三向压缩作用能抑制材料内部缺陷，反之，在拉应力作用下，三向压缩作用能抑制材料内部缺陷，反之，在拉应力作用下，促进金属的破坏。促进金属的破坏。4 4 三向压缩作用能抵消三向压缩作用能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力由于不均匀变形所引起的附加拉应力。 采用活动套环和包套采用活动套环和包套：选用塑性好抗力较低的材料：选用塑性好抗力较低的材料做外套，由于外套和坯料一起加热后镦粗，外套对坯料做外套，由于外套和坯料一起加热后镦粗，外套对坯料的流动起着限制作用，从而增加了三向压应力状态，防的流动起着限制作用，从而增加了三向压应力状态，防止了裂纹的产生。止了裂纹的产生。14.2.4 变形程度

15、变形程度 变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。 在热变形过程中在热变形过程中，变形程度与变形温度，变形程度与变形温度- -速度条件是相速度条件是相互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时，可以说变形程度对塑性影响不大。度时，可以说变形程度对塑性影响不大。 对于冷变形而言对于冷变形而言，由于没有上述的修复过程，一般都是，由于没有上述的修复过程，一般都是随着变形程度的增加而降低

16、塑性。随着变形程度的增加而降低塑性。14.2.5 变形状态变形状态 14.2.6 尺寸因素尺寸因素 14.2.7 周围介质周围介质 （1 1）周围介质和气氛能使变形物体表面层）周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解溶解并与金并与金属基体属基体形成脆性相形成脆性相，因而使变形物体呈现脆性状态，因而使变形物体呈现脆性状态。 （2 2）周围介质的作用能引起变形物体表面层的）周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀腐蚀以以及化学成分的改变，使塑性降低。及化学成分的改变，使塑性降低。 （3 3）有些介质（如润滑剂）有些介质（如润滑剂）吸附吸附在变形金属的表面上在变形金属的表面上，可使金属塑性变形能力增加。

17、，可使金属塑性变形能力增加。 14.3 提高金属塑性的主要途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度变形速度；(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)减少变形的不均匀性不均匀变形会引起附加应力，促使裂纹产生，而使塑性降低。 使用合理的润滑剂，确定合理的变形规范和操作方法。14.4 金属的超塑性金属的超塑性 一、一、 超塑性的基本概念超塑性的基本概念 金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸率而不产生缩颈与断裂现象，率而不产

18、生缩颈与断裂现象，把延伸率能超过把延伸率能超过100%100%的的材料统称为材料统称为“超塑性材料超塑性材料”，相应地把延伸率超过相应地把延伸率超过100%100%的现象叫做的现象叫做“超塑性超塑性”。 金属超塑性归纳为以下几方面的金属超塑性归纳为以下几方面的特点：特点：即即大延伸大延伸、无缩颈（、无缩颈（超塑性材料变形时虽有初期缩颈形成，但超塑性材料变形时虽有初期缩颈形成，但由于缩颈部位变形速度增加而发生局部强化，而其余由于缩颈部位变形速度增加而发生局部强化，而其余未强化部分继续变形。如此反复，得以使缩颈传播出未强化部分继续变形。如此反复，得以使缩颈传播出来，结果获得巨大的宏观均匀的变形。来

19、，结果获得巨大的宏观均匀的变形。）、小应力、）、小应力、易成形。易成形。 二、超塑性的分类二、超塑性的分类 按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等）可将超塑性分为以下几类。）可将超塑性分为以下几类。 1 1、结构超塑性结构超塑性 特点是先使特点是先使金属经过必要的组织结构准备金属经过必要的组织结构准备，使其获，使其获得晶粒直径在得晶粒直径在5m5m以下的以下的稳定超细晶粒稳定超细晶粒，然后，然后给以一定给以一定的恒温和变形速度条件的恒温和变形速度条件，即可得到超塑性（称为恒温超，即可得到超塑性（称为恒温超塑性）。变形温度约为塑性）。变形温度约为

20、0.5T0.5T熔熔，应变速率在，应变速率在0.10.10.0001/s0.0001/s范围，试样拉伸时延伸率可达范围，试样拉伸时延伸率可达2002002000%2000%。2 2相变超塑性或第二类超塑性，又称为相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑性动态超塑性或变或变态超塑性。态超塑性。 相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织，而是而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率或同素异构转变而获得大延伸率。产生相变超塑性的产生相变超塑性的必要条件，是必要条件，是材料应具有固态相变

21、的特性材料应具有固态相变的特性，并在外加，并在外加载荷作用下，载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却在相变温度上下循环加热与冷却，诱发，诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现出超塑性。而呈现出超塑性。 相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利的，相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利的，但要求变形温度反复变化，给实际生产带来困难，故但要求变形温度反复变化，给实际生产带来困难，故使用上受到限制。使用上受到限制。 三、结构（细晶）超塑性三、结构（细晶）超塑性 细晶超塑性又称为组织（结构）超塑性细晶超塑性又称为组织（结构）超塑性，在试验

22、，在试验中已发现细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以中已发现细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以下几个方面的内容。下几个方面的内容。1 1变形力学特征变形力学特征 超塑性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑超塑性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑性变形开始后，有一段很长的均匀变形过程，最后达性变形开始后，有一段很长的均匀变形过程，最后达到百分之几或甚至几千的高延伸率，到百分之几或甚至几千的高延伸率，其工程应力其工程应力应应变曲线如图变曲线如图5-26a5-26a所示，当应力超过最大值后，随着应所示，当应力超过最大值后，随着应变的增加，应力缓慢地连续下降。变的增加，应力缓慢地连续下降。 通

23、常用流动方程式表达超塑性的力学特性。通常用流动方程式表达超塑性的力学特性。mkSm m应变速率敏感性指数，是表征超塑性的一个重要的指标。应变速率敏感性指数，是表征超塑性的一个重要的指标。S S流动应力，流动应力，k k材料常数，材料常数， 应变速率应变速率普通金属普通金属 m0.020.2m0.020.2超塑性金属超塑性金属 m0.31.0m0.31.0 m m值越大，延伸率越大。值越大，延伸率越大。lglgddm当应力当应力变形速度表示为对变形速度表示为对数曲线时，此变形速度敏感数曲线时，此变形速度敏感性指数为该曲线的斜率性指数为该曲线的斜率 2. 金属组织特征金属组织特征细晶超塑性要求有极

24、细的等轴晶粒、双相及稳定的组织。细晶超塑性要求有极细的等轴晶粒、双相及稳定的组织。双相要求：双相要求：第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也能第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也能阻碍第二相的长大。阻碍第二相的长大。稳定要求：稳定要求：在变形过程中晶粒长大的速度要慢，以便有充分在变形过程中晶粒长大的速度要慢，以便有充分的热变形持续时间的热变形持续时间等轴晶粒要求等轴晶粒要求：超塑性变形并不全是超塑性变形并不全是孪生普通塑性变形机制，孪生普通塑性变形机制，而而是一种晶界作用，要求有数量多而又短的晶粒边界，且是一种晶界作用，要求有数量多而又短的晶粒边界，且界面要平坦，易于变形流动，以减少组织

25、内切应力。界面要平坦，易于变形流动，以减少组织内切应力。晶粒尺寸：晶粒尺寸：大于大于10m10m的晶粒组织难以实现超塑性的晶粒组织难以实现超塑性 四、影响超塑性的主要因素四、影响超塑性的主要因素影响超塑性的主要因素影响超塑性的主要因素1 1）变形速度的影响很大，超塑性只有在）变形速度的影响很大，超塑性只有在1010-41010-1/s内才内才出现出现. .2)2)变形温度对超塑性的影响非常明显，当低于或超过某一变形温度对超塑性的影响非常明显，当低于或超过某一温度范围时，就不出现超塑性现象。温度范围时，就不出现超塑性现象。3 3）晶粒尺寸也影响超塑性。减小晶粒尺寸，有利于超塑）晶粒尺寸也影响超塑

26、性。减小晶粒尺寸，有利于超塑性变形。性变形。4 4）晶粒形状的影响。当晶粒是等轴晶粒且晶界面平坦时，）晶粒形状的影响。当晶粒是等轴晶粒且晶界面平坦时，利于晶界滑动，有利于超塑性变形。利于晶界滑动，有利于超塑性变形。五、超塑性变形机理五、超塑性变形机理1 1扩散蠕变理论扩散蠕变理论 19731973年年M. F. AshbyM. F. Ashby和和R. A. VerrallR. A. Verrall提出了一个由提出了一个由晶内晶内- -晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型。晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型。 扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，有两种现象不有

27、两种现象不能解释能解释：1 1）在蠕变变形中，应力与应变成正比，）在蠕变变形中，应力与应变成正比，m=1m=1，而在超塑性变形中，而在超塑性变形中，m m值总是处于值总是处于0.50.80.50.8之间。之间。2 2）在蠕）在蠕变变形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超塑性变形变变形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超塑性变形中，晶粒仍保持等轴状。因此，中，晶粒仍保持等轴状。因此，经典的扩散蠕变理论不经典的扩散蠕变理论不能完全说明超塑性变形时的基本物理过程，也解释不了能完全说明超塑性变形时的基本物理过程，也解释不了它的主要力学特征它的主要力学特征。所以该理论能否作为超塑性变形的。所以该理论能否作为

28、超塑性变形的一个主要机理，还不十分清楚。一个主要机理，还不十分清楚。 2 2晶界滑动理论晶界滑动理论 超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。晶晶界运动分为滑动和移动两种，前者为晶粒沿晶界的滑界运动分为滑动和移动两种，前者为晶粒沿晶界的滑移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。 在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多晶界滑动的理论模型。晶界滑动的理论模型。 3 3动态再结晶理论动态再

29、结晶理论 晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从而消除其预先存在的应变硬化而消除其预先存在的应变硬化。在高温变形时，这种在高温变形时，这种再结晶过程是一个动态的、连续的恢复过程，即一方再结晶过程是一个动态的、连续的恢复过程，即一方面产生应变硬化，一面产生再结晶恢复（软化）面产生应变硬化，一面产生再结晶恢复（软化）。如。如果这种过程在变形中能继续下去，好象变形的同时又果这种过程在变形中能继续下去，好象变形的同时又有退火，就会促使物质的超塑性。有退火，就会促使物

30、质的超塑性。 六、超塑性的应用六、超塑性的应用 1 1几种典型超塑性合金的制备几种典型超塑性合金的制备 （1 1）Z n-22%AlZ n-22%Al合金的制备及超塑性获得的方法合金的制备及超塑性获得的方法 （2 2）Al-Zn-MgAl-Zn-Mg系合金系合金 2 2超塑性的应用超塑性的应用 （1 1）真空成形法）真空成形法 （2 2）气压成形）气压成形 （3 3）超塑性模锻和挤压）超塑性模锻和挤压 （4 4）无模拉拔）无模拉拔 思考思考1 1何谓金属的塑性？塑性高低如何度量？有哪些常用测何谓金属的塑性？塑性高低如何度量？有哪些常用测定方法？定方法？2 2改善金属材料的工艺塑性有哪些途径？怎

31、样才能获得改善金属材料的工艺塑性有哪些途径？怎样才能获得金属材料的超塑性？金属材料的超塑性？3 3何谓超塑性？超塑性变形的基本特点有哪些？何谓超塑性？超塑性变形的基本特点有哪些？4 4细晶超塑性产生的基本条件是什么？它有何重要变形细晶超塑性产生的基本条件是什么？它有何重要变形力学和组织结构特点？力学和组织结构特点？5 5m m值的物理意义是什么？值的物理意义是什么？14.5 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、滑移一、滑移 晶体塑性变形是通过平行于一定晶体学平面（即滑移面）的晶体塑性变形是通过平行于一定晶体学平面（即滑移面）的滑移引起的。滑移引起的。 塑性变形的结果，使原来光滑

32、的单晶试样的表面变成台阶塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶状，这些台阶是由大量位错滑出晶体所形成的。这些线条称为状，这些台阶是由大量位错滑出晶体所形成的。这些线条称为滑移线滑移线，一系列滑移线聚成一束，组成滑移带一系列滑移线聚成一束，组成滑移带移线：滑移带中的细线移线：滑移带中的细线滑移层：相邻滑移线间的晶体片层滑移层：相邻滑移线间的晶体片层滑移量：每条滑移线所产生的台阶高度滑移量：每条滑移线所产生的台阶高度 滑移带示意图滑移带示意图当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之之 间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的

33、间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。宏观塑性变形。滑移集中在某些晶面上，滑移带和滑移线间的晶体片滑移集中在某些晶面上，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层并未发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体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“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。1. 1. 滑移与临界分切应力定律滑移与临界分切应力定律滑移：滑移：指晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面和在指

34、晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面和在这个晶面上的一定晶向，对其另一部分产生的相对移动。这个晶面上的一定晶向，对其另一部分产生的相对移动。滑移面：滑移面：沿着沿着原子密度最大原子密度最大的晶面发生。的晶面发生。滑移方向：滑移方向：沿着沿着原子密度最大原子密度最大的晶向发生。的晶向发生。滑移系：滑移系：滑移面与滑移方向数值的乘积。滑移面与滑移方向数值的乘积。滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向愈多，滑移愈容易，滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向愈多，滑移愈容易，塑性愈好。塑性愈好。金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系对一定结构晶体对一定结构晶体, ,

35、滑移方向随变形温度不变滑移方向随变形温度不变, ,但滑移面随变形但滑移面随变形温度有所改变。温度有所改变。滑移是金属的一部分相对于另一部分的剪切运动，其运动的距滑移是金属的一部分相对于另一部分的剪切运动，其运动的距离是剪切方向上原子间距的整数倍，剪切运动后不破坏晶体内原离是剪切方向上原子间距的整数倍，剪切运动后不破坏晶体内原有的原子排列规则性，滑移后晶体各部分的位向仍然一致。有的原子排列规则性，滑移后晶体各部分的位向仍然一致。n 滑移是金属的一部分相对于另一部分沿滑移面和滑移方向的剪滑移是金属的一部分相对于另一部分沿滑移面和滑移方向的剪切变形，需要一定的切变形，需要一定的驱动力驱动力来克服滑移

36、运动的阻力，来克服滑移运动的阻力，这个驱动力这个驱动力即是外力在滑移面、滑移方向作用的分切应力。即是外力在滑移面、滑移方向作用的分切应力。当此分切应力的当此分切应力的数值达到一定大小时，晶体在这个滑移系统上进行滑移。数值达到一定大小时，晶体在这个滑移系统上进行滑移。n 临界切应力：临界切应力：能引起滑移的这个分切应力，以能引起滑移的这个分切应力，以k k 表示。表示。开始屈服时应力状态。即应力开始屈服时应力状态。即应力达到拉伸的屈服应力达到拉伸的屈服应力s s：k ks scoscos coscos 和和角反映外力和单晶体的取角反映外力和单晶体的取向关系。向关系。coscoscoscos称为称

37、为取向因取向因子子，或称为，或称为施密特因子施密特因子。n 当拉伸轴与滑移面和滑移方向都成当拉伸轴与滑移面和滑移方向都成4545角时，即当角时，即当4545，即，即=coscos=0.5=coscos=0.5，这时取向因子达到最大值这时取向因子达到最大值maxmax，拉伸力在该滑移上沿此滑移方向上的分力最大，即沿，拉伸力在该滑移上沿此滑移方向上的分力最大，即沿此滑移方向上的分切应力最大这时晶体滑移所需外力最小。此滑移方向上的分切应力最大这时晶体滑移所需外力最小。n 软取向：软取向：=0.5=0.5及接近于及接近于0.50.5的方位，或叫的方位，或叫有利方位硬取向：有利方位硬取向：=0=0及接近

38、于及接近于0 0的方位，或叫的方位，或叫不利方位。不利方位。n 处于这些硬取向的晶体在外应力数值很大，但在滑移系统处于这些硬取向的晶体在外应力数值很大，但在滑移系统上的切分应力仍为零，或数值仍然很小，难以滑移。上的切分应力仍为零，或数值仍然很小，难以滑移。当外力当外力足够大可能发生断裂。足够大可能发生断裂。622 2. . 晶体滑移的实质晶体滑移的实质 晶体的滑移过程晶体的滑移过程, ,实质是位错移动和增殖的过程。实质是位错移动和增殖的过程。 滑移首先在其局部区域产生，逐步扩大直至最后整个滑移面滑移首先在其局部区域产生，逐步扩大直至最后整个滑移面 上完成滑移。局部区域首先滑移的原因：该处存在着

39、位错，引上完成滑移。局部区域首先滑移的原因：该处存在着位错，引 起应力集中，使其应力大到足够引起物体的滑移。塑性变形过起应力集中，使其应力大到足够引起物体的滑移。塑性变形过 程中为保证塑性变形的不断进行，必须要有大量新的位错的出程中为保证塑性变形的不断进行，必须要有大量新的位错的出 现这些新的位错产生，称为位错增殖。现这些新的位错产生，称为位错增殖。3. 3. 晶体滑移时的转动晶体滑移时的转动滑移面上最大分切应力与滑移方滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时，拉伸时晶体的转动向不一致时，拉伸时晶体的转动压缩时晶面的转动：压缩时晶面的转动：滑移面逐渐转向与压力轴线垂直，滑移面逐渐转向与压力轴线垂

40、直， 与拉伸时相反与拉伸时相反压缩时晶体转动示意图压缩时晶体转动示意图n多系滑移多系滑移 n 具有多组滑移系的晶体，滑移具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行系（其分切应力最大）中进行，但变形时晶面转动，使另一，但变形时晶面转动，使另一组滑移面上的分切应力逐渐增加到足以发生滑移的临界值以组滑移面上的分切应力逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，上，晶体的滑移可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交晶体的滑移可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行。产生多系滑移。替地进行。产生多系滑移。n滑移的位错机制滑移的位错机制n 晶体滑移不是晶体

41、的一部分相对于另一部分沿着滑移面晶体滑移不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。行的。二、孪生二、孪生孪生：孪生：晶体在晶体在切应力切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置，其晶面和晶向分别为孪生原晶体的位向处于相互对称的位置，其晶面和晶向分别为孪生晶面和晶向。晶面和晶向。孪晶孪晶: :相对某一特定晶面两边原

42、子排列成镜像对称的一对晶体。相对某一特定晶面两边原子排列成镜像对称的一对晶体。 孪生的形成方式孪生的形成方式: : 1) 1)晶体生长晶体生长, ,如退火孪晶如退火孪晶; ; 2) 2)塑性变形塑性变形, ,称变形孪晶称变形孪晶. .孪生特点孪生特点: :1)1)均匀切变均匀切变, ,即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面 均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移一定距离。均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移一定距离。 2)2)具有晶体学要素具有晶体学要素: :孪生面和孪生方向孪生面和孪生方向, ,统称孪生系统称孪生系; ;3)3)不改变晶体的点阵类型不改变晶体的点阵类型

43、; ;4)4)相邻层间相对相邻层间相对切变量切变量相等且相等且小于一个原子间距小于一个原子间距, ,每层每层 总切变量与它和孪生面的距离成正比总切变量与它和孪生面的距离成正比; ;5)5)所产生的形变较小所产生的形变较小, ,但便于随后的变形但便于随后的变形; ;锻造锻造TiTi产生的孪晶产生的孪晶面心立方晶体的孪生变形面心立方晶体的孪生变形（a a）孪晶面和孪生方向）孪晶面和孪生方向 （b b）孪生变形时原子的移动）孪生变形时原子的移动孪生与滑移的区别：孪生与滑移的区别：孪生孪生滑移滑移临界切应力临界切应力大大小小切变均匀性切变均匀性均匀均匀不均匀不均匀切变量切变量 原子间距的非整原子间距的

44、非整数倍数倍原子间距的整原子间距的整数倍数倍位位向向的变化的变化改变改变不变不变抛光后浸蚀后抛光后浸蚀后可见可见不可见不可见发生难易程度发生难易程度不易（低温、高不易（低温、高速）速）易易三、多晶体变形的特点三、多晶体变形的特点1 1变形不均匀变形不均匀 多晶体塑性变形的竹节现象多晶体塑性变形的竹节现象 多晶体内的晶界及相邻晶粒的不同取向对变形产生重要的影响。多晶体内的晶界及相邻晶粒的不同取向对变形产生重要的影响。如果将一个只有几个晶粒的试样进行拉伸变形，变形后就会产生如果将一个只有几个晶粒的试样进行拉伸变形，变形后就会产生“竹节效应竹节效应”。此种现象说明，在晶界附近变形量较小，而在晶此种现

45、象说明，在晶界附近变形量较小，而在晶粒内部变形量较大。粒内部变形量较大。n多晶体塑性变形的不均匀性，不仅表现在同一晶粒的不同部多晶体塑性变形的不均匀性，不仅表现在同一晶粒的不同部位，而且也表现在不同晶粒之间。位，而且也表现在不同晶粒之间。当外力加在具有不同取向当外力加在具有不同取向晶粒的多晶体上时，每个晶粒滑移系上的分切应力因取向因晶粒的多晶体上时，每个晶粒滑移系上的分切应力因取向因子不同而存在着很大的差异。子不同而存在着很大的差异。因此，不同晶粒进入塑性变形因此，不同晶粒进入塑性变形阶段的起始早晚也不同。阶段的起始早晚也不同。 （a a）变形前）变形前 （b b）变形后）变形后 多晶体塑性变

46、形的不均匀性多晶体塑性变形的不均匀性 n下图下图是粗晶铝在总变形量相同时，不同晶粒所承受的实是粗晶铝在总变形量相同时，不同晶粒所承受的实际变形量。由图可见，不论是同一晶粒内的不同位置，际变形量。由图可见，不论是同一晶粒内的不同位置，还是不同晶粒间的实际变形量都不尽相同。还是不同晶粒间的实际变形量都不尽相同。因此，多晶因此，多晶体在变形过程中存在着普遍的变形不均匀性。体在变形过程中存在着普遍的变形不均匀性。在2 mm内的延伸率，%晶粒5晶粒4晶粒3晶粒2晶粒1位置，mm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

47、形量2 2提高变形抗力提高变形抗力（1）障碍强化作用（晶界）障碍强化作用（晶界）（2）多系滑移的强化作用（协调变形）多系滑移的强化作用（协调变形）（3）晶粒大小对变形抗力的影响）晶粒大小对变形抗力的影响（4）第二相对变形抗力的影响）第二相对变形抗力的影响四、多晶体的塑性变形机制四、多晶体的塑性变形机制 1 1晶粒的转动与移动晶粒的转动与移动晶粒的转动晶粒的转动多晶体变形时，由于各晶粒原来位向不同由于各晶粒原来位向不同，变形发生、发展情况各异，但金属整体的变形应该是连续的但金属整体的变形应该是连续的、相容的、相容的（不然将立刻断裂），所以在相邻晶粒间产所以在相邻晶粒间产生了相互牵制又彼此促进的协

48、同动作，因而出现力偶生了相互牵制又彼此促进的协同动作，因而出现力偶,造成了晶粒间的转动造成了晶粒间的转动，晶粒相对转动的结果可促使原来位向不适于变形的晶粒开始变形，或者促使原来已变形的晶粒能继续变形。另外，在外力的作用下，当另外，在外力的作用下，当晶界所承受的切应力已达到（或者超过了）阻止晶粒晶界所承受的切应力已达到（或者超过了）阻止晶粒彼此间产生相对移动的阻力时，则将发生晶间的移动彼此间产生相对移动的阻力时，则将发生晶间的移动。n晶粒的转动与移动，常常造成晶间联系的破晶粒的转动与移动，常常造成晶间联系的破坏，出现显微裂纹。如果这种破坏完全不能坏，出现显微裂纹。如果这种破坏完全不能依靠其它塑性

49、变形机构来修复时，继续变形依靠其它塑性变形机构来修复时，继续变形将导致裂纹的扩大与发展并引起金属的破坏将导致裂纹的扩大与发展并引起金属的破坏。2 2溶解溶解沉积机制沉积机制在研究在研究高温缓慢变形条件下两相合金高温缓慢变形条件下两相合金的塑性变形时确定了这的塑性变形时确定了这个机制。个机制。实质：实质：一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件 : :（1 1）因为原子的迁移，最大可能是从相的表面层进行，故应）因为原子的迁移，最大可能是从

50、相的表面层进行，故应随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。有最大的溶解度改变。（2 2）在变形时，必须有利于进行高速溶解和沉积产生的扩散）在变形时，必须有利于进行高速溶解和沉积产生的扩散过程，也就是说应具备足够高的温度条件。过程，也就是说应具备足够高的温度条件。3 3非晶机构非晶机构 定向定向它包括间隙原子和大的置换式溶质原子将从晶体的受压缩的部位向宽松部位迁移；空位和小的置换式溶质原子将从晶体的宽松部位向压缩部位迁移。大量原子的大量原子的定向迁移将引起宏观的塑性变形定向迁移将引起宏观的塑性变形，其切应力取决

51、于变形速度和静水压力。在受力状态下，由温度的作用产生的这种变形在受力状态下，由温度的作用产生的这种变形机制，又称热塑性。机制，又称热塑性。n这种机制在多晶体的晶界进行得尤其激烈这种机制在多晶体的晶界进行得尤其激烈。这是因为，晶界原子的排列是很不规则的，畸变相当严重，尤其当温度提高至0.5T熔以上时，原子的活动能力显著增大，所以原子沿晶界具有异常高的扩散速度。这种变形机制即使在较低的应力下，也会随时间的延续不断地发生，只不过进行的速度缓慢些。温度越高，晶粒越小，扩散性形变的速度就越快，此种温度越高，晶粒越小，扩散性形变的速度就越快，此种变形机制强烈地依赖于变形温度。变形机制强烈地依赖于变形温度。

52、 14.6 14.6 金属在塑性变形中的硬化金属在塑性变形中的硬化1. 1. 单晶体的加工硬化单晶体的加工硬化曲线斜率曲线斜率=d=d/d/d 称为加工硬化率称为加工硬化率 剪切力剪切力c c c 塑性变形阶段塑性变形阶段塑性变形阶段的曲线分为：塑性变形阶段的曲线分为：v易滑移阶段易滑移阶段v线性硬化阶段线性硬化阶段v抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段c.线性硬化阶段（硬化率近似为常数）线性硬化阶段（硬化率近似为常数）多系滑移多系滑移多系滑移多系滑移位错反应位错反应位错塞积缠结位错塞积缠结胞状亚结构胞状亚结构 必须加大外加切应力必须加大外加切应力变形抗力变形抗力硬化率硬化率（相比（相比I I阶段）阶

53、段）.易滑移阶段易滑移阶段单系滑移单系滑移滑移线相互平行滑移线相互平行, ,一组滑移系开动一组滑移系开动, ,硬化率很小硬化率很小.抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段交滑移交滑移 交滑移交滑移异号位错抵消异号位错抵消位错密度位错密度硬化率硬化率 位错绕过障碍物位错绕过障碍物一部分位错恢复活动能力一部分位错恢复活动能力硬化率硬化率2.2.多晶体金属加工硬化多晶体金属加工硬化 对于多晶体对于多晶体, ,多系滑移多系滑移, ,无易滑移阶段无易滑移阶段, ,加工硬化率比较高。加工硬化率比较高。I: I: 小变形区域小变形区域IIII：强烈硬化塑性变形：强烈硬化塑性变形 区（屈服到集中变形）区（屈服到集中变形

54、）IIIIII：织构形成区（集中变：织构形成区（集中变形到断裂）形到断裂）IVIV：高变形区（断裂时的：高变形区（断裂时的变形程度到极限变形程度）变形程度到极限变形程度）IIIIIIIV屈服点屈服点失稳点失稳点真应力变形程度14.714.7 塑性流动规律（最小阻力定律）塑性流动规律（最小阻力定律）概念：最小阻力定律概念：最小阻力定律最小周边法则最小周边法则最小阻力定律最小阻力定律 变形过程中，物体各变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方质点将向着阻力最小的方向移动。向移动。即做最少的功，即做最少的功，走最短的路。走最短的路。 最小周边法则 存在接触面摩擦时，物体各质点存在接触面摩擦时，物体各

55、质点向周边流动的阻力与质点离周边的向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因而必然向周边最短距离成正比，因而必然向周边最短法线流动，周边形状表现为最小的法线流动，周边形状表现为最小的圆形。圆形。 一、均匀变形与不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。都会对不均匀变形产生影响。 14.8 不均匀变形、附

56、加应力和残余应力 均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态相同，就称为相同，就称为均匀变形均匀变形，否则就叫，否则就叫不均匀变形不均匀变形。均匀变形的特点：均匀变形的特点： 1 1。平面与直线。平面与直线 2 2。圆与球体。圆与球体 3 3。相似单元体。相似单元体均匀变形必需满足的条件均匀变形必需满足的条件变形体物理性质均匀且各向同性变形体物理性质均匀且各向同性各点物理状态完全相同（温度、抗力、硬化情况等）各点物理状态完全相同（温度、抗力、硬化情况等）各点的绝对变形量和相对变形量相同各点的绝对变

57、形量和相对变形量相同变形完全没有外端的作用变形完全没有外端的作用接触表面没外縻擦或縻擦阻力。接触表面没外縻擦或縻擦阻力。不均匀变形的典型现象不均匀变形的典型现象高向单鼓形或双鼓形高向单鼓形或双鼓形接触表出现粘着区、滑动区、侧翻区接触表出现粘着区、滑动区、侧翻区变形体整个体积可分为难变形区、易变形区、自由变形区。变形体整个体积可分为难变形区、易变形区、自由变形区。二、 研究变形分布的方法 金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。 常用的方法有：网格法；硬度法 ；比较晶粒法。三、研究变形分布的方法 金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变

58、形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。 基本应力与附加应力的概念基本应力与附加应力的概念基本应力：基本应力：由外力作用所引起的应力叫由外力作用所引起的应力叫基本应力基本应力。表。表示这种应力分布的图形叫基本应力图。示这种应力分布的图形叫基本应力图。附加应力：附加应力：在物体中，由于各部分的变形不均匀受到在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力引起的相互平衡的应力。工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方法法测出来的应力图。测出来的应力图。均匀变形时基本应力图与工作应均匀变形

59、时基本应力图与工作应力图相同。力图相同。而变形不均匀时，工作应力等于基本应力而变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。与附加应力的代数和。附加应力的种类附加应力的种类第一类附加应力（宏观附加应力）第一类附加应力（宏观附加应力） 存在于物体的局部之间存在于物体的局部之间第二类附加应力（微观附加应力）第二类附加应力（微观附加应力） 存在于物体内的晶粒之间存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力（微观附加应力）第三类附加应力（微观附加应力） 存在于滑移面或滑移带之间存在于滑移面或滑移带之间附加应力对塑性变形附加应力对塑性变形 产生的不良后果：产生的不良后果： （1 1）引起变形体的应力状态

60、发生变化，使应力分）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。布更不均匀。 （2 2）造成物体的破坏。）造成物体的破坏。 （3 3）使材料变形抗力提高和塑性降低）使材料变形抗力提高和塑性降低 （4 4）使产品质量降低。）使产品质量降低。 （5 5）使生产操作复杂化。）使生产操作复杂化。 （6 6）形成残余应力。）形成残余应力。 l四、四、 残余应力残余应力1残余应力的来源 2变形条件对残余应力的影响 3残余应力所引起的后果 4减小或消除残余应力的措施 5研究残余应力的主要方法 残余应力的来源残余应力的来源残余应力的分类：残余应力的分类： 第一类残余应力（宏观应力）第一类残余应力（宏观应