1金属物理基础课件

第五章

金属塑性变形的物理基础第五章金属塑性变形的物理基础1第一节

金属的塑性变形机理及特点一、概述金属的塑性材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。金属塑性加工

利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。第一节金属的塑性变形机理及特点一、概述金属的塑性2塑性加工包括：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等方法。轧制轧制挤压拉拔锻造

冲压塑性加工包括：轧制轧制挤压拉拔锻造冲压3轧制挤压拉拔自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深轧制挤压拉拔4金属塑性成形的特点

生产效率高，适用于大批量生产

冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;

锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s；

M12螺栓的冷锻210件/min。改善了金属的组织和结构和性能

钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。金属塑性成形的特点生产效率高，适用于大批量生产5同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。

材料利用率高

金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%～85%，最高可达98%以上。

尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使用的程度。同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，6塑性成形工艺的分类

体积成形板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压

模锻成形工序

分离工序

塑性成形工艺的分类体积成形板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压7本章的任务目的：

科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务：掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优质的性能；本章的任务目的：8金属的晶体结构和组织

合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金（以基体金属为基的单相固溶体组织）和多相合金（除基体外，还有第二相）。多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。金属的晶体结构和组织9晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。晶粒晶界晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如101金属物理基础课件11合金的相结构1、固溶体

solidsolution◆概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；糖水

水—溶剂，糖—溶质。合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂，其它组元叫做溶质；特点：具有溶剂的晶体结构合金的相结构1、固溶体solidsolution◆12◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体和间隙固溶体两类①置换固溶体——溶质原子替换晶格上的原子②间隙固溶体——溶质原子溶入晶格原子间隙a)置换固溶体b间隙固溶体特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体13◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一定范围内可改变。（3）性能随化学成分改变而逐渐变化。◆性能：造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶强化。若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一14铁碳合金中的固溶体：

①铁素体F(单相组织)

它是碳在α-Fe中的间隙固溶体，最大溶碳量仅0.0218%(在727℃时实现的),在室温下一般为0.008%以下。性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好

α-FeC铁素体F溶入铁碳合金中的固溶体：α-FeC铁素体F溶15②奥氏体A(单相组织)

：

它是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，最大溶解度为2.11%(在1148℃时实现的)。如图所示；性能特点：强度、硬度不高，但塑性优良；（塑性变形一般加热到奥氏体状态）γ-FeC奥氏体A溶入②奥氏体A(单相组织)：γ-FeC奥氏体A溶16◆特征（1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高。◆性能σ、HB↗↗，δ、ak↘↘，脆性大铁碳合金中的化合物：渗碳体(单相组织)

：它是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶体结构较复杂；渗碳体的性能：硬度很高，但其塑性极差，几乎为0。在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金属化合物compound◆概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如Fe与C→Fe3C◆特征（1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。173、机械混合物由结晶过程所形成的两相混合物；铁碳合金中的机械混合物：①珠光体P：F+

Fe3C②莱氏体Ld：A+Fe3C

低温莱氏体Ld’：P+

Fe3C铁素体Fα-Fe

C溶入渗碳体Fe3C珠光体P混合奥氏体Aγ-Fe

C溶入渗碳体Fe3C莱氏体Ld混合3、机械混合物铁素体Fα-FeC溶渗碳体珠光体P混奥氏体A18珠光体铁素体奥氏体珠光体铁素体奥氏体19外力内部应力原子位移变形高位能不稳定位置低位能的平衡位置返回倾向金属塑性变形时，形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移来实现的，因此塑性变形时所施加的力和能，应足以克服壁垒，使大量的原子群能多次地、定向地由一个平衡位置移动到另一个平衡位置，由此产生宏观塑性变形。弹性变形：外力停止后，变形随之消失塑性变形：外力停止后，变形不消失外力内部应力原子位移变形高位能不稳定位置低位能的平衡位置返回20ττττ冷塑性变形主要是以“滑移”的方式进行。原子相对移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。二、金属塑性变形的机理晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的.单晶体塑性变形机理：滑移ττττ冷塑性变形主要是以“滑移”的方式进行。原子相21滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。1滑移纯锌单晶体滑移变形示意图滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作22滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形（b）在切应力作用下的变形单晶体试样拉伸变形示意图滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形（b）在切应23依靠晶体整体滑移的塑性变形模型

实际金属单晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？滑移的位错机制依靠晶体整体滑移的塑性变形模型实际金属单晶体滑移所需的力仅24位错运动使塑性变形容易理想晶体含有位错的晶体位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错运动使塑性变形容易理想晶体含有位错的晶体位错：晶体中某处251金属物理基础课件26位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的τK

远小于理论的τK

。Q

Q’

PP’位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小27

滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观的塑性变形。

晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到周围难滑移晶粒的阻碍。而且，随变形增加，还会发生多系滑移，滑移面还会发生扭转、弯曲等。滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观28

2．孪生

孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系.

2．孪生291金属物理基础课件30孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关：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。

孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所31

如密排立方（锌、镁）——常温、慢速拉伸体心立方（铁）——室温、冲击载荷或低温、不太大的变形速率面心立方（纯铜）——极低温度（-230℃），高速冲击载荷孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献.如孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变32多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行；但多晶体与单晶体相比有两点不同：①相邻的晶粒位向不同；②各晶粒之间存在晶界；多晶体塑性变形多晶体塑性变形33三、塑性变形特点（1）各晶粒变形的不同时性

塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持续运作,使更多晶粒参与变形。三、塑性变形特点（1）各晶粒变形的不同时性34（2）各晶粒变形的相互协调性

晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。

（3）变形的不均匀性

软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。（2）各晶粒变形的相互协调性

晶粒的变形需要相互协调35变形不均匀

多晶体的滑移变形不均匀多晶体的滑移36

多晶体的塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形（称为晶内变形）的综合效果。晶粒之间也有晶间变形。1金属物理基础课件37多晶体冷塑性变形机制对晶间变形起协调作用

晶间变形晶粒相对移动晶粒相对转动多晶体冷塑性变形滑移孪生晶内变形主要变形多晶体冷塑性变形机制对晶间变形起协调作用晶间变形晶粒相对38晶间变形

晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转动。

晶粒之间的相对滑动和转动晶间变形晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转39晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。（3）晶粒大小与性能的关系

a晶粒越细，强度越高(细晶强化)原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）

晶界对变形的阻碍作用

40

晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中

导致的开裂机会减少，可承受更大的变

形量，表现出高塑性。b晶粒越细，塑韧性提高

细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易

萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂

过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。

41细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。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，则界越多，变形抗力越大，则强度越大。※晶粒越细小，而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，变形分布较均匀，塑性较好。※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。细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高42（一）

固溶体的塑性变形

1固溶体的结构

2固溶强化

（1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。

晶格畸变，阻碍位错运动；

（2）强化机制

柯氏气团强化。

四、合金的塑性变形（一）固溶体的塑性变形

四、合金的塑性变形43（3）屈服和应变时效

现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。

屈服效应吕德斯带（3）屈服和应变时效

屈服效应吕德斯带44

（4）固溶强化的影响因素溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。

45（二）多相合金的塑性变形存在第二相聚合型两相合金（第二相粒子与基体晶粒尺寸属于同一数量级）滑移首先在较软的相中发生。弥散型两相合金（第二相粒子细小弥散的分布在基体中）弥散强化：阻碍位错的运动，产生强化效果相互作用时位错线弯曲，最后绕过粒子继续运动，留下位错环，形成强化。（二）多相合金的塑性变形存在第二相46第二节金属塑性加工中组织和性能的变化规律一冷塑性变形时金属组织和性能的变化1对组织结构的影响2性能的变化第二节金属塑性加工中组织和性能的变化规律一冷塑性变形时金471对组织结构的影响

晶粒拉长;(1)形成纤维组织

杂质呈细带状或链状分布。

1对组织结构的影响

48变形后变形前变形前后的晶粒形状变形后变形前变形前后的晶粒形状49工业纯铁不同变变形度的显微组织变形10%100×变形40%100×变形80%纤维组织100×

工业纯铁不同变变形度的显微组织变形10%100×变形50(2)形成形变织构①形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。

丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）常见类型

板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）

力学性能：弊：制耳。（3）对性能的影响(各向异性)

物理性能：硅钢片<100>织构可减少铁损。

※

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。(2)形成形变织构

※由于纤维组织和形变织构的产生，使51拉拔形成的丝结构拉拔后轧制形成的板织构轧制前轧制后拉拔前晶粒位向改变拉拔形成的丝结构拉拔后轧制形成的板织构轧制前轧制后拉拔前晶粒521金属物理基础课件53（3）晶粒内产生亚亚结构

变形量

位错缠结

位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）（3）晶粒内产生亚亚结构54

（1）产生加工硬化：加工硬化：塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就是加工硬化，或冷变形强化。如图所示；2性能的变化塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。2性能的变化55机理：塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓。机理：56加工硬化对性能的影响

对力学性能的影响（加工硬化）

强化金属的重要途径；

利

提高材料使用安全性；利弊

材料加工成型的保证。

弊

变形阻力提高，动力消耗增大；

脆断危险性提高。

对物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；

结构缺陷增多，扩散加快；

化学活性提高，腐蚀加快。加工硬化对性能的影响

对物理、化学性能的影响57回复与再结晶

从热力学角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增多，金属畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，具有向低自由能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变。这一转变过程称为回复和再结晶，这一过程伴随有晶粒长大。回复往往是在较低的温度下或较早的阶段发生的过程，再结晶则是在较高的温度下或较晚的阶段发生的转变。回复与再结晶58图13-15回复和再结晶对金属组织和性能的变化图13-15回复和再结晶对金属组织和性能的变化59回复：在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷的迁移而引起的某些晶内的变化。

可见，回复时，强度、硬度、塑性等变化不大（力学性能变化不大），而会使内应力以及一些物理性能得到改善。回复退火：这种只消除内应力，而保留强化效果的工艺叫做低温去应力退火（将工件加热到较低温度250～300℃、保温、缓冷的工艺）。1金属物理基础课件60再结晶：当金属被加热到较高温度时，在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒→新晶粒不断出现并长大→这个过程一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒为止。

注意：新的晶粒重新生核和成长的过程，但晶格的型式并不发生变化，仍与旧晶粒的晶格型式相同，所以称为再结晶。

T再=0.4T熔再结晶退火：将冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理过程，称为再结晶退火再结晶：当金属被加热到较高温度时，在变形的晶粒内部开始出现新61二、热塑性变形时金属组织和性能的变化热塑性变形：金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性变形。热塑性变形过程中，回复、再结晶和加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复和再结晶等软化过程所抵消，金属处于高塑性、低变形抗力的状态。二、热塑性变形时金属组织和性能的变化热塑性变形：621、改善晶粒组织经热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织，从而获得较好的综合机械性能。2、锻合内部缺陷铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过锻造后被压实，致密度得到提高。3、形成纤维状组织钢锭在热锻过程中，随着变形程度的增加，内部粗大的树状枝晶沿主变形方向伸长，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐趋于与主变形方向一致，脆性夹杂物被破碎呈链状分布。1、改善晶粒组织63钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图641金属物理基础课件654、改善碳化物和夹杂物分布可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体中，削弱了对基体的破坏作用。5、改善偏析在热塑性变形中，通过枝晶破碎和扩散，可使铸态金属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。4、改善碳化物和夹杂物分布66第三节

金属在塑性加工中的塑性行为一、金属的塑性和塑性指标1塑性的基本概念金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。第三节金属在塑性加工中的塑性行为一、金属的塑性和塑性指标67注：塑性和柔性（变形抗力）是两个不同的概念

塑性——反映材料塑性变形的能力变形抗力——反映塑性变形的难易程度

塑性好不一定变形抗力低，反之亦然。注：塑性和柔性（变形抗力）是两个不同的概念68变形抗力：

金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示变形抗力大小

取决于材料在一定变形条件下的真实应力，还取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦状态和变形体的尺寸因素等。注：只有在单向应力状态下，材料的变形抗力才等于材料在该变形条件下的真实应力。变形抗力：69塑性与柔软性（变形抗力）的对立统一铅---------------塑性好，变形抗力小不锈钢--------塑性好，但变形抗力高白口铸铁----塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念塑性与柔软性（变形抗力）的对立统一铅------------702塑性指标及测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法冲击试验法2塑性指标及测量方法拉伸试验法71L0LKd0拉断前试样拉断后试样试样按GB6397—86制取，分长试样L0=10d0短试样L0=5d0说明：bkse拉伸力

FO伸长量

△LFsFbFe低碳钢的力—伸长曲线FFL0LKd0拉断前试样拉断后试样试样按GB6397—86制取72镦粗试验法

简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：

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镦粗试验法简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下73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（γ

）。

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。

扭转试验法对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将74冲击试验法

在冲击力作用下使试样破坏所消耗的功，获得的冲击韧度aK即为塑性指标。

冲击试验法在冲击力作用下使试样破坏所消耗75可锻性：是综合衡量材料在压力加工时获得优质零件工艺性能的一项（定性）指标。塑性越好，变形抗力越小→金属的可锻性好；变形抗力：在压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力。可锻性：是综合衡量材料在压力加工时获得优质零件工艺性能的一项76锻造比：金属的变形程度通常用锻造比来表示。FFOY拔=FO

/FY镦=HO/HFFOY拔=FO/FY镦=HO/H77二、对塑性的影响因素

内部因素：化学成分组织结构外部因素：变形温度应变速度应力、应变状态二、对塑性的影响因素内部因素：化学成分78（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响一般纯金属的塑性比合金好，而且合金元素的种类、含量越多，可锻性越差。金属的塑性随其纯度的提高而增加，如纯铝99.96％伸长率为45％，98％伸长率为30％

产生脆化现象，使冷热变形都非常困难。如碳钢中：P——冷脆S、O——热脆N——时效脆性H——氢脆杂质的存在状态、分布情况和形状不同，对塑性的影响也不同；如：Pb、S、Sn等不溶于金属—————降低金属塑性溶于金属—————塑性变化不大单质或化合物晶界处（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响单质或化合物79杂质元素之间相互作用对金属的塑性产生影响；硫+Fe——FeS（熔点1190℃），热脆+Mn——MnS（熔点1600℃），塑性提高。

合金元素特性、数量、元素之间的相互作用及分布等对金属的塑性产生影响。

碳：形成单相固溶体——铁素体和奥氏体——有较好的塑性；形成脆性过剩相——渗碳体——塑性降低。铬、钨、钼、钛、钒：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。钛、钒：形成高度弥散的碳化物细小颗粒——对塑性影响不大。注：对冷加工用钢而言，含碳量应尽量低。杂质元素之间相互作用对金属的塑性产生影响；80

下面以碳钢为例，分析碳及杂质元素（P、S、N、H、o）对塑性的影响1、碳碳对碳钢性能的影响最大1）碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。2）当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。含碳量越高，渗碳体的数量越多，金属的塑性也越差。

下面以碳钢为例，分析碳及杂质元素（P、S、N、812、磷钢中有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。3、硫钢中有害物质，主要与铁形成FeS，与其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶体（Fe-FeS），通常分布于晶界上，在钢的锻造温度范围内会发生变形开裂，即“热脆”现象。在钢中加入适量锰，生成MnS，硫化锰及其共晶体的熔点高于钢的锻、轧温度，不会产生热脆性，从而消除硫的危害。2、磷钢中有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体824、氧在钢中溶解度很小，主要以氧化物的形式出现，降低钢的塑性。与其它夹杂物形成共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。5、氮在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。当含量较小时，对钢的塑性影响较小；当含量增加时，钢的塑性下降。当含氮量较高的钢从高温快冷至低温时，α铁被过饱和，随后以Fe4N形式析出，使钢的塑性、韧性大大下降，这种现象称为时效脆性。6、氢钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”（白点）。4、氧在钢中溶解度很小，主要以氧化物的形式出现，降低钢的837、其它元素：主要是降低钢的塑性，提高变形抗力合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响7、其它元素：主要是降低钢的塑性，提高变形抗力合金元素对铁素84（二）组织状态对金属塑性的影响晶粒度的影响

晶粒度越小，越均匀，塑性越高。相组成的影响

单相组织塑性好；多相组织塑性差。（锻造加工加热到奥氏体区）铸造组织的影响铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。（二）组织状态对金属塑性的影响851金属物理基础课件86（三）变形温度对金属塑性的影响

对大多数金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。

1）发生回复与再结晶，消除了加工硬化；2）原子动能增加，位错活动加剧，出现新的滑移系，改善晶粒之间变形的协调性。3）晶间滑移作用增强：晶界切变抗力降低；晶界滑移引起的微裂纹被消除。4）金属的组织、结构的变化：多相——单相；晶格的结构改变，如钛：室温hcp——bcc，（三）变形温度对金属塑性的影响对大多数金属而言，总的趋势是87在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。蓝脆区：中温（200-400℃）区，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；热脆区：高温（800-950℃）区，珠光体转变为奥氏体，使得铁素体和奥氏体共存，另外，晶界处可能析出FeS-FeO低熔点的共晶体；高温脆区：加热温度超过1250℃后，由于过热、过烧，晶粒粗大，晶界出现氧化物和低熔物质的局部熔化在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，88碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区热脆区高温脆区低温脆区

就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。

89碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区热脆区高温脆区低温脆区随着温度增加塑性增加而变形抗力下降可锻性越好；但加热温度过高（超过一定值后），晶粒急剧长大，而金属机械性能反而下隆，这种现象称“过热”；当加热温度进一步提高到接近熔点时，晶界开始被氧化，失去塑性，金属稍锻即裂，变成废料，这种现象称为“过烧”；加热温度过低塑性下降、变形抗力增加可锻性变差易开裂；故应在合适的锻造温度范围内锻造（800～1200℃）。变形温度对可锻性的影响随着温度增加塑性增加而变形抗力下降可锻性越好；变形温度对90始锻温度——锻压时金属允许加热到的最高温度称为始锻温度（1200℃左右）；终锻温度——锻压中，当温度逐渐降低到一定程度后，其可锻性变差，必须停止锻造，此时温度称为终锻温度（800℃左右）；虽然亚共析钢在此温度为二相区（F+A)，但仍有较好的塑性；对过共析钢，则为了击碎渗碳体的网状组织(Fe3CⅡ)，改善钢的性能，在此温度仍可锻击。锻造温度范围始锻温度——锻压时金属允许加热到的最高温度称为始锻温度（191（四）应变速率对塑性的影响

温度效应

（1）变形温度：低温下显著（2）应变速率：越快温度效应越大（3）变形程度：越大温度效应越大（四）应变速率对塑性的影响温度效应92一方面，随变形速率的增大，金属的塑性降低：没有足够的时间进行回复或再结晶，软化过程进行得不充分。另一方面，随着变形速率的增加，在一定程度上使金属的温度升高，温度效应显著，从而提高金属的塑性。但对于有脆性转变的金属，则应变速率的增加可能引起塑性的下降。一方面，随变形速率的增大，金属的塑性降低：没有足够的时间进行93变形速率对塑性的影响结论正作用(V变

>WK);塑性变形能量↑

转变成热能↑

温度↑

变形抗力↓，塑性↑

可锻性↑；反作用(V变

<WK);回复及再结晶来不及克服加工硬化现象变形抗力↑，塑性↓

可锻性↓。变形速率对塑性的影响结论正作用(V变>WK);94

δ变形速度F、δ小于大于变形抗力δ变形速度F、δ小于大于变形抗力95碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区热脆区高温脆区低温脆区

就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。

96碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区热脆区高温脆区低温脆区提高应变速率可以降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金属的充填性。提高应变速率可以减少热成形时的热量损失，减少毛坯温度下降和温度分布的不均匀性，这对于具有薄壁、高筋等形状复杂的工件成形是有利的。提高应变速率可以降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金97（五）变形力学条件状态对塑性的影响

主应力图：

自变形体中某点取一立方微单元体，用箭头表示作用在该单元体主应力，称为主应力图，主应力图只表示出应力的个数和方向，并不表示应力的大小。（五）变形力学条件状态对塑性的影响主应力图：981金属物理基础课件99拉拔和挤压时不同的应力状态和变形抗力拉拔和挤压时不同的应力状态100静水压力对提高金属塑性的良好影响

卡尔曼试验仪器的工作部分

静水压力对提高金属塑性的良好影响卡尔曼试验仪器的工作部分101应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越高；拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力阻止或减小晶间变形；另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏发展，扩大。

应力状态不同对塑性的影响也不同：102应力状态对可锻性的影响压应力数目越多（三个方向的压应力）塑性↑

可锻性↑；但同时变形抗力↑可锻性↓；压应力数目越少（二个方向的压应力，一个方向的拉应力）塑性↓

可锻性↓；但同时变形抗力↓可锻性↑；因此，对塑性好的材料，应利用拉应力使其变形抗力↓以减小变形能量消耗省力拉拔；而对塑性差的金属，则应利用三向压应力↑塑性以免开裂挤压。应力状态对可锻性的影响压应力数目越多（三个方向的压应力）塑103型毡拔长圆断面毛坯加反压力挤压

包套挤压精密冲裁轴向加压剪切型毡拔长圆断面毛坯加反压力挤压包套挤压精密冲裁轴向加压剪切104应变状态的影响

应变状态的影响105第三节

金属在塑性加工中的塑性行为一、金属的塑性和塑性指标二、对塑性的影响因素第三节金属在塑性加工中的塑性行为106三提高金属塑性的途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度—速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形方式；(4)减小变形的不均匀性；(5)避免加热和加工时周围介质的不良影响。

三提高金属塑性的途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：107第四节金属的超塑性金属超塑性：是指在一些特定条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等，金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超常的塑性变形行为，具有均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至几千，这就是金属的超塑性。第四节金属的超塑性金属超塑性：1081金属物理基础课件109第五节金属塑性成形中的外摩擦第五节金属塑性成形中的外摩擦1101.

改变应力状态，增大变形抗力例如单向压缩时，若工具与坯料无摩擦存在，则坯料受单向应力状态；若存在摩擦时，则变成三向应力状态，且使端面压应力增加才能屈服，因而变形抗力增加。2.

引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力在挤压杆件时，由于挤压筒壁摩擦力的影响，使坯料边缘处的流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。3.

降低模具寿命摩擦必然带来磨损，同时摩擦热引起模具软化，以及变形抗力增加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。在多数情况下是有害的，具体表现如下：一塑性成形中的摩擦的影响1.

改变应力状态，增大变形抗力在多数情况下是有害的，111但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。112二、塑性成形中的摩擦分类及机理（一）塑性成形中的摩擦分类

根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。1、干摩擦通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。2、边界摩擦接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，如图18-8b。大多数塑性成形的摩擦属于边界摩擦。

3、流体摩擦两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图18-8c。流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的性质和相对速度有关，而与接触表面的状态无关。二、塑性成形中的摩擦分类及机理（一）塑性成形中的摩擦分类113图18-8

摩擦分类示意图a)干摩擦b)边界摩擦c)流体摩擦图18-8摩擦分类示意图a)干摩擦b)边界摩擦c)114塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。图18-9

接触表面凹凸不平机械咬合机理示意图（二）摩擦机理塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产1151、表面凹凸学说摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸峰和凹坑，当微观粗糙的两表面接触时，一个表面的凸峰可能会陷入另一表面的凹坑，产生机械咬合，

1、表面凹凸学说摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。经过1162

分子吸附学说摩擦是接触面上分子相互吸引的结果。

两接触面越光滑，实际接触面积就越大，分子吸引力就越强，则摩擦力就越大。该学说解释了凸凹学说无法解释的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的现象。3.

粘附理论摩擦是接触面上粘接或焊合的结果。两表面接触时，若接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面有相对运动时，需切断粘接或焊合点而产生相对滑动。现代摩擦学理论认为：摩擦力不仅包含有剪切接触面上机械咬合所产生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切断粘接点所产生的阻力。对于流体摩擦，摩擦力主要表现在润滑剂层之间的流动阻力。2

分子吸附学说摩擦是接触面上分子相互吸引的117三、塑性成形时摩擦力的计算

1.

库伦摩擦条件

不考虑接触表面的粘合现象，认为单位面积上的摩擦力与接触面上的正应力成正比，即实际上摩擦切应力不能随的增大而无限地增大，当时接触面将产生塑性流动。此时的极限值为材料真实应力应变曲线上的屈服应力。根据Mises屈服准则，故由式（18-1）可确定摩擦系数的极限值为。式（18-1）适合正压力不太大、变形量较小的的冷成形工序。

（18-1）三、塑性成形时摩擦力的计算1.

库伦摩擦条件1182.

最大摩擦力条件

当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，摩擦的应力等于坯料塑性流动时的最大切应力，即（18-2）式中，为坯料的流动应力，即屈服应力。根据Mises屈服准则，在轴对称的情况下，在平面变形条件下，式（18-2）适合于热变形3.

摩擦力不变条件

认为接触面上的摩擦力不变，是一个常数，即（18-3）式中，称为摩擦因子，上式与式（18-2）相比，当

时，两条件一致。式（18-3）适合于摩擦系数低于最大值的三向应力显著的塑性成形过程，如挤压、变形量大的镦粗、模锻等。2.

最大摩擦力条件当接触表面没有相对滑动，1191.

金属的种类和化学成分

材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。2.

工具表面状态

工具表面越光滑，摩擦系数就越小。若接触表面都非常光滑，分子吸附作用增强，反而会引起摩擦系数的增加，但这种情况，在塑性成形中并不常见。3.变形温度变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为变形温度变化时，材料的强度、硬度及接触面上氧化膜的性能都会发生变化。一般认为，开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值后又随温度升高而降低。4.变形速度许多实验结果表明，摩擦系数随变形速度增加而有所下降。5.接触面上的单位压力单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数保持不变，与正压力无关。四、影响摩擦系数的主要因素1.

金属的种类和化学成分材料的硬度、强度越高，摩120摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。

由于摩擦的复杂多变性，目前还难以定量化描述各种因素对摩擦系数的影响，只能采用实验的方法推算某特定环境工况的摩擦系数。常用夹钳轧制法、圆环镦粗法，下面介绍圆环镦粗法。

五、塑性成形的摩擦系数的测定方法摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流1211金属物理基础课件122由于摩擦的复杂多变性，目前还难以定量化描述各种因素对摩擦系数的影响，只能采用实验的方法推算某特定环境工况的摩擦系数。常用夹钳轧制法、圆环镦粗法，下面介绍圆环镦粗法。

五、塑性成形的摩擦系数的测定方法a)变形前c)摩擦系数大于临界值b)摩擦系数很小或无摩擦由于摩擦的复杂多变性，目前还难以定量化描述各种因素123图3-15圆环镦粗的金属流动

a)变形前b)摩擦系数很小或为零c)有摩擦

摩擦系数很小或为零时对金属流动的影像动态图摩擦系数大于某临界值时对金属流动的影像动态图图3-15圆环镦粗的金属流动摩擦系数很小或为零时对金属流124圆环镦粗法测定摩擦系数的标定曲线根据实验研究和塑性理论的分析，可将不同摩擦系数下的圆环压缩量与内外径变化关系绘制成曲线，称为摩擦系数标定曲线，

圆环镦粗法测定摩擦系数的标定曲线根据实验研究和塑性理论的分析125（一）塑性成形对润滑剂的要求1）

应有良好的耐压性能，在高压下能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态。2）

应有良好的耐热性能，在高温下不分解，不失效。3）

兼有冷却模具作用，降低模具温度，避免热失效。4）

应无腐蚀作用，不应腐蚀金属坯料和模具。5）

应对人体无毒，不污染环境。6）应使用、清理方便，来源丰富，价格便宜。

六、塑性成形中的润滑

润滑是减小摩擦对塑性成形过程不良影响的最有效的措施。

润滑的目的是降低接触面上的摩擦力，提高模具寿命（减小磨损，冷却模具）；便于脱模和获得光洁的制品；减小金属不均匀变形，提高金属充满模膛的能力。为实现上述目的，必须采用合适的润滑方式和润滑剂。（一）塑性成形对润滑剂的要求六、塑性成形中的润滑126用于塑性成形的润滑剂有液体润滑剂和固体润滑剂两大类。（二）塑性成形常用润滑剂1、液体润滑剂包括动物油、植物油、矿物油和乳化液等

（2）软（熔）化固体润滑剂，在工作温度超过其软（熔）化点时就会变软或熔化，但不会燃烧，不会逸出有害的气体。主要有玻璃、珐琅、天然矿物及无机盐等。此外，皂类和蜡类等有机盐和硬脂酸钠，硬脂酸锌及一般肥皂也常用来作润滑剂。固体润滑剂可以用粉末，但多数制成糊状或悬浮液。

2、

固体润滑剂

在常温下呈固态。（1）

干性固体润滑剂，在变形过程中不改变自身的聚集状态，如石墨、二硫化钼等。用于塑性成形的润滑剂有液体润滑剂和固体润滑剂两大类。（二）塑1271.

流体润滑法

坯料与工具之间不直接接触，中间形成足够的润滑膜。在线材拉拔、挤压、轧制时，当模具结构与工艺参数合适，能够产生流体润滑。2.

表面磷化—皂化处理

当压力很高时，即使加入添加剂，润滑剂还是会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。因此，须将坯料表面进行磷化处理，即在坯料表面用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐膜，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结晶组成的，呈多孔状态，对润滑剂有吸附作用。膜厚一般约为10～20μm，与金属结合力强且有塑性，可与金属坯料一起变形。磷化后进行润滑处理，常用硬脂酸钠、肥皂等，故称为皂化。3.表面镀软金属对于变形抗力大的金属坯料，一般的润滑剂易挤出，这时可在金属表面电镀一薄层软金属，如铜或锌，它与金属结合好、变形抗力小、延伸性好，在变形过程中可将坯料与工具隔开，起润滑作用，但成本较高。

（四）塑性成形的润滑方法1.

流体润滑法坯料与工具之间不直接接触，中128第六章

金属塑性成形力学一、角标符号和求和约定

角标符号:成组的符号和数组可以用一个带下角标的符号表示，这种符号叫角标符号。如可用xi即（x1，x2，x3）表示一点的坐标；如应力分量xx，xy，xz，，可简记为ij（i,j=x,y,z）等。一般地，如果一个坐标系有m个角标，每个角标取n个值，则该角标符号代表着nm个元素，例如ij（i,j=x,y,z）（m=2，n=3）就包含有9个元素。第六章金属塑性成形力学129

克氏符号：ij称为克罗内克（Kronecker）符号，ij定义为

导数记号：导数记为f,j，表示f(xi)对xj的导数，逗号后边的下标表示对相应坐标的求导克氏符号：ij称为克罗内克（Kronecker）符号，130求和约定：在一项中，没有重复出现的角标叫自由标，表示该项的个数。在一项中，同一角标出现二次，则对该角标自1到n的所有元素求和，这种角标在求和之后不再出现，称之为哑标，这一运算称之为求和约定。求和约定：131二、张量的基本概念张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢量，即9个分量才能完整地表示。它的重要特征是在不同的坐标系中分量之间可以用一定的线性关系来换算。描述张量分量的个数用阶表示。在三维空间中，其张量分量的个数为3n，如应力、应变是二阶张量，有32=9个分量。二、张量的基本概念132其中，lki，llj为新坐标系的坐标轴关于原坐标系的方向余弦。表示点应力状态的九个应力分量构成二阶张量，称为应力张量。不同坐标系中的应力分量之间的转换关系其中，lki，llj为新坐标系的坐标轴关于原坐标系的方向余弦133三、张量的基本性质张量不变量：二阶张量存在三个独立的不变量。张量可以叠加和分解：几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量。张量可分为对称张量、非对称张量、反对称张量任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量。二阶对称张量存在三个主轴和三个主值以主轴为坐标轴，两个下角标不同的分量均为零，只留下两个下角标相同的三个分量，叫作主值。三、张量的基本性质134第五章

金属塑性变形的物理基础第五章金属塑性变形的物理基础135第一节

金属的塑性变形机理及特点一、概述金属的塑性材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。金属塑性加工

利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。第一节金属的塑性变形机理及特点一、概述金属的塑性136塑性加工包括：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等方法。轧制轧制挤压拉拔锻造

冲压塑性加工包括：轧制轧制挤压拉拔锻造冲压137轧制挤压拉拔自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深轧制挤压拉拔138金属塑性成形的特点

生产效率高，适用于大批量生产

冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;

锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s；

M12螺栓的冷锻210件/min。改善了金属的组织和结构和性能

钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。金属塑性成形的特点生产效率高，适用于大批量生产139同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。

材料利用率高

金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%～85%，最高可达98%以上。

尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使用的程度。同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，140塑性成形工艺的分类

体积成形板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压

模锻成形工序

分离工序

塑性成形工艺的分类体积成形板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压141本章的任务目的：

科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务：掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优质的性能；本章的任务目的：142金属的晶体结构和组织

合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金（以基体金属为基的单相固溶体组织）和多相合金（除基体外，还有第二相）。多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。金属的晶体结构和组织143晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。晶粒晶界晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如1441金属物理基础课件145合金的相结构1、固溶体

solidsolution◆概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；糖水

水—溶剂，糖—溶质。合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂，其它组元叫做溶质；特点：具有溶剂的晶体结构合金的相结构1、固溶体solidsolution◆146◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体和间隙固溶体两类①置换固溶体——溶质原子替换晶格上的原子②间隙固溶体——溶质原子溶入晶格原子间隙a)置换固溶体b间隙固溶体特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体147◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一定范围内可改变。（3）性能随化学成分改变而逐渐变化。◆性能：造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶强化。若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一148铁碳合金中的固溶体：

①铁素体F(单相组织)

它是碳在α-Fe中的间隙固溶体，最大溶碳量仅0.0218%(在727℃时实现的),在室温下一般为0.008%以下。性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好

α-FeC铁素体F溶入铁碳合金中的固溶体：α-FeC铁素体F溶149②奥氏体A(单相组织)

：

它是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，最大溶解度为2.11%(在1148℃时实现的)。如图所示；性能特点：强度、硬度不高，但塑性优良；（塑性变形一般加热到奥氏体状态）γ-FeC奥氏体A溶入②奥氏体A(单相组织)：γ-FeC奥氏体A溶150◆特征（1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高。◆性能σ、HB↗↗，δ、ak↘↘，脆性大铁碳合金中的化合物：渗碳体(单相组织)

：它是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶体结构较复杂；渗碳体的性能：硬度很高，但其塑性极差，几乎为0。在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金属化合物compound◆概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如Fe与C→Fe3C◆特征（1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。1513、机械混合物由结晶过程所形成的两相混合物；铁碳合金中的机械混合物：①珠光体P：F+

Fe3C②莱氏体Ld：A+Fe3C

低温莱氏体Ld’：P+

Fe3C铁素体Fα-Fe

C溶入渗碳体Fe3C珠光体P混合奥氏体Aγ-Fe

C溶入渗碳体Fe3C莱氏体Ld混合3、机械混合物铁素体Fα-FeC溶渗碳体珠光体P混奥氏体A152珠光体铁素体奥氏体珠光体铁素体奥氏体153外力内部应力原子位移变形高位能不稳定位置低位能的平衡位置返回倾向金属塑性变形时，形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移来实现的，因此塑性变形时所施加的力和能，应足以克服壁垒，使大量的原子群能多次地、定向地由一个平衡位置移动到另一个平衡位置，由此产生宏观塑性变形。弹性变形：外力停止后，变形随之消失塑性变形：外力停止后，变形不消失外力内部应力原子位移变形高位能不稳定位置低位能的平衡位置返回154ττττ冷塑性变形主要是以“滑移”的方式进行。原子相对移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。二、金属塑性变形的机理晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的.单晶体塑性变形机理：滑移ττττ冷塑性变形主要是以“滑移”的方式进行。原子相155滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。1滑移纯锌单晶体滑移变形示意图滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作156滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形（b）在切应力作用下的变形单晶体试样拉伸变形示意图滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形（b）在切应157依靠晶体整体滑移的塑性变形模型

实际金属单晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？滑移的位错机制依靠晶体整体滑移的塑性变形模型实际金属单晶体滑移所需的力仅158位错运动使塑性变形容易理想晶体含有位错的晶体位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错运动使塑性变形容易理想晶体含有位错的晶体位错：晶体中某处1591金属物理基础课件160位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的τK

远小于理论的τK

。Q

Q’

PP’位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小161

滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观的塑性变形。

晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到周围难滑移晶粒的阻碍。而且，随变形增加，还会发生多系滑移，滑移面还会发生扭转、弯曲等。滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观162

2．孪生

孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系.

2．孪生1631金属物理基础课件164孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关：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。

孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所165

如密排立方（锌、镁）——常温、慢速拉伸体心立方（铁）——室温、冲击载荷或低温、不太大的变形速率面心立方（纯铜）——极低温度（-230℃），高速冲击载荷孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献.如孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变166多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行；但多晶体与单晶体相比有两点不同：①相邻的晶粒位向不同；②各晶粒之间存在晶界；多晶体塑性变形多晶体塑性变形167三、塑性变形特点（1）各晶粒变形的不同时性

塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持续运作,使更多晶粒参与变形。三、塑性变形特点（1）各晶粒变形的不同时性168（2）各晶粒变形的相互协调性

晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。

（3）变形的不均匀性

软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。（2）各晶粒变形的相互协调性

晶粒的变形需要相互协调169变形不均匀

多晶体的滑移变形不均匀多晶体的滑移170

多晶体的塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形（称为晶内变形）的综合效果。晶粒之间也有晶间变形。1金属物理基础课件171多晶体冷塑性变形机制对晶间变形起协调作用

晶间变形晶粒相对移动晶粒相对转动多晶体冷塑性变形滑移孪生晶内变形主要变形多晶体冷塑性变形机制对晶间变形起协调作用晶间变形晶粒相对172晶间变形

晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转动。

晶粒之间的相对滑动和转动晶间变形晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转173晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。（3）晶粒大小与性能的关系

a晶粒越细，强度越高(细晶强化)原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）

晶界对变形的阻碍作用

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晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中