金属材料的塑性变形

关于金属材料的塑性变形第1页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六一、金属的塑性变形1．单晶体的塑性变形2．多晶体的塑性变形3．塑性变形对金属组织和性能的影响第2页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六一、金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力引起弹性变形及解理断裂。切应力的作用下金属晶体产生塑性变形。(一)、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片第3页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六单晶体的塑性变形单晶体变形的基本形式

——弹性变形、塑性变形正应力使晶格发生弹性变形或断裂切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形塑性变形的实质

——原子移动到新的稳定位置塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。第4页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六滑移在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生滑动。滑移的实现——借助于位错运动第5页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

铜拉伸试样表面滑移带滑移第6页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六※滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。※滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。滑移的特点：※滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。

※滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。（滑移系）

※滑移时晶体伴随有转动。第7页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。第8页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六孪生

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生.

特点：孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值.

FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。

第9页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六黄铜中的孪晶锌中的孪晶第10页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。第11页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六2、多晶体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。第12页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六2、多晶体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。不均匀的塑性变形过程第13页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。第14页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积3.晶界阻碍位错的运动当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。第15页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六细晶强化通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、韧性提高的现象。强化原理晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。※※晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中

晶粒越细小，晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。

※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功,因而韧性也较好。第16页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六3、塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属性能的影响※产生加工硬化金属发生塑性变形,随冷变形程度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板冷拔钢丝等。※由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。※使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。第17页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六（1）加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）加工硬化的原因塑性变形→位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大→变形抗力↑第18页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六形变强化作用提高材料的强度使变形更均匀防止材料偶然过载引起破坏

不利方面金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工限制使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能金属材料大量形变以后强度就会提高，具有加工硬化的性能。第19页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六3、塑性变形对金属组织和性能的影响（2）塑性变形对金属组织的影响※形成纤维组织※形成亚结构※产生形变织构第20页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六

金属纤维组织及其应用

铸锭在塑性加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生变形．它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。

纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向(平行纤维方向)上的强度尤其是塑性和韧性均比在横向(垂直纤维方向)上的高。第21页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六

为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向垂直，并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。

纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。第22页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六变形10%100×变形40%100×变形80%纤维组织100×工业纯铁不同变形度的显微组织金属发生塑性变形时，外形发生变化，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。第23页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六亚结构形成位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。第24页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六变形织构（1）丝织构（2）板织构变压器铁芯的硅钢片，沿〈100〉方向最易磁化，采用这种织构的板材，铁损减小。绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。这种现象称织构或择优取向。各向异性导致的铜板“制耳”有无第25页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六(4)产生残余内应力

内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。引起新的变形，降低精度。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)。引起开裂，产生微裂纹。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。强化金属；耐蚀性降低。

(3)影响金属的物理、化学性能(1)降低工件的承载能力(2)使工件尺寸及形状发生变化(3)降低工件的耐蚀性残余应力的主要危害：消除残余应力主要采用热处理方法变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度第26页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六二、塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。第27页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六

T回复=（0.25~０.3）T熔点（单位：K）回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性略有增高，但残余应力大大降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。1)回复

塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程点缺陷大大↓，内应力显著↓，强度、硬度略有↓。

第28页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六2)再结晶变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称为再结晶。变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，以利于后面的变形加工。第29页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六最低再结晶温度T再纯金属T再=0.4T熔合金T再=（0.5~0.7）T熔

温度单位：绝对温度(K)生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。第30页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六铁素体变形80%670℃加热650℃加热再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。第31页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六a.黄铜变形量达38％后的组织b.580℃保温3sc..580℃保温4sd.580℃保温8se.580℃保温15minf.700℃保温10min第32页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六影响再结晶退火后晶粒度的因素

1、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响第33页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六预先变形度的影响，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.当变形达到2~10%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2、预先变形度不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。第34页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六3）晶粒长大变形80%工业纯铁再结晶退火显微照片100×

变形80%400℃退火8小时加热温度T和加热时间t↑

→晶界迁移、晶粒合并长大。变形80%600℃退火8小时第35页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六三、金属材料的热加工和冷加工1．热加工对组织和性能的影响2．冷加工对组织和性能的影响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。第36页，共41页，2022年，5月20日，14点37分，星期六1．热加工对组织和性能的影响热加工

——在