第一章 金属塑性成形的物理基础

第十二章

金属塑性成形的物理基础第一节概述第二节金属在冷态下的塑性变形第三节金属的热塑性变形第四节对塑性和变形抗力的影响第五节金属的超塑性第一节绪论塑性：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。塑性成形：材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下获得所需尺寸和形状的工件的一种加工方法，又称为塑性加工。1、航空航天航空航天领域2、武器装备武器装备领域3、交通运输交通运输领域4、建筑建筑领域5、家用电器家用电器领域主要内容一、金属塑性成形的特点二、塑性成形工艺的分类三、塑性变形成形理论的发展概况四、本课程的任务本课程参考资料一、金属塑性成形的特点1、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；

M12l螺栓的冷锻210件/min。2、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。机械加工塑性加工

3、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。

4、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。二、塑性成形工艺的分类

体积成形（热加工）

板料成形（冷加工）锻造轧制自由锻造拉拔挤压

模锻成形工序

分离工序

轧制挤压

拉拔

自由锻开式模锻冲裁拉深闭式模锻(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。举例：汽车车身板、烟箔等；其它：多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。举例：管、棒、型；其它：异型截面。正挤反挤卧式挤压机(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形

A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工我国自行研制的万吨级水压机

B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。三、塑性变形成形理论的发展概况塑性成形力学，是在塑性理论（或塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的：

1864年法国工程师H.Tresca屈雷斯加首次提出最大切应力屈服准则

1925年德国卡尔曼用初等应力法建立了轧制时的应力分布规律；萨克斯和齐别尔提出了切块法即主应力法；再后来，滑移线法、上限法、有限元法等相继得到发展。四、本课程的任务（一）增量理论：1、Levy-Mises（米塞斯）增量理论2、Prandtl-Reuss（罗伊斯）理论磨损全量理论：Hencky（亨基）全量理论

学习塑性力学的基础知识，掌握应力应变分析、塑性变形物性方程(本构)

等变形力学知识，为塑性加工过程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算奠定力学基础。本课程的任务（二）

学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定材料学基础。本课程的任务（三）

学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑剂及润滑工艺奠定物理化学基础。本课程参考资料1、俞汉清陈金德编金属塑性成形原理机工社出版2、万胜狄主编金属塑性成形原理机工社出版3、汪大年主编金属塑性成形原理机工社出版第二节金属在冷态下的塑性变形一、金属的晶体结构和组织二、金属冷态下的塑性变形机理三、合金的塑性变形四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、金属的晶体结构和组织

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。多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形合金：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。

二、金属冷态下的塑性变形机理

晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的（一）晶内变形1．滑移动画演示滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分与另一部分沿一定的晶面（滑移面：原子密度最大或比较大的晶面）和晶向（滑移方向：原子密度最大的密排方向）产生相对滑动。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成滑移系。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。图12-3滑移方向与滑移面图12-4滑移面上的切应力分析其中：为横截面上的拉应力，称为取向因子==45时，最大，切应力最大，滑移系处于最佳取向。软取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向多晶体只有处于软取向的滑移面最先滑移注：单晶体的临界切应力，不随取向因子的变化而变化2．孪生动画演示孪生变形：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：密排立方和体心立方的金属易发生孪生变形，一般在冲击载荷和较低温度下易发生孪生变形。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）——特别低的温度（-230℃）注：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。（二）晶间变形晶间变形的方式包括晶粒间的相互滑动和转动。在外力的作用下，当沿晶界处的切应力足以克服晶粒相互滑动的阻力时，晶粒间发生相互滑动。多晶体变形的不均匀性使得在相邻的晶粒间产生了力偶，造成晶粒间的相互转动。晶粒相对转动的结果可使已发生滑移的晶粒逐渐转到位向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒转至有利的位向而发生滑移。

多晶体的滑移

晶粒之间的相对滑动和转动（三）晶界变形

低温时，晶界处原子排列极不规则，并聚集着较多的杂质原子，使滑移受到阻碍，变形阻力较大。其次，由一个晶粒到另一个晶粒的位向有突变，即晶界处晶粒的结构是不连续的，因此，晶界处各晶粒相互制约晶界变形困难。

多晶体金属的晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，滑移在相近的晶粒间传播所需要的能量越多，塑性变形抗力大，强度较高；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。因此，细晶金属不容易产生裂纹，发生裂纹后也不容易扩展，因此细晶金属的韧性也较好。这就是可以通过细化晶粒来提高金属材料综合性能的原因。三、合金的塑性变形

合金具有纯金属不可比拟的力学性能和特殊的物理、化学性能。合金的相结构有两大类：固溶体（如钢中的铁素体）化合物（钢中的Fe3C）

常见的合金组织有两大类：单相固溶体合金两相或多相合金（一）单相固溶体合金的塑性变形

单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相似，也是滑移和孪生，变形时同样受到相邻晶粒的影响。但溶质原子溶入后，使其塑性变形抗力增大，合金强度、硬度提高而塑性、韧性下降，并有较大的加工硬化率。这种现象叫做固溶强化。（溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行）是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。（二）多相合金的塑性变形

多相合金（两相合金）中的第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，起强化作用的主要是硬而脆的化合物。合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生第二相以连续网状分布在基体晶粒的边界上随着第二相数量的增加，合金的强度和塑性皆下降。第二相以弥散质点（颗粒）分布在基体晶粒内部合金的强度显著提高而对塑性和韧性的影响较小。弥散强化：第二相以细小质点的形式存在而使合金显著强化的现象称弥散强化。一方面，相界（即晶界）面积显著增多并使周围晶格发生显著畸变，从而使滑移阻力增加。另一方面，第二相质点阻碍位错的运动。因此，粒子越细，弥散分布越好，强化的效果越好。

两相合金的显微组织四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响（一）对组织结构的影响

晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。变形后变形前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（二）对金属性能的影响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。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。这主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。加工硬化的两面性：一方面，它能提高金属的强度，可作为强化金属的一种手段（形变强化）；还可以改善一些冷加工工艺性能，使塑性变形能够较均匀地分布于整个工件；另一方面，它又增加了变形的困难，提高了变形抗力，甚至降低了金属的塑性。注：加工硬化既是金属塑性变形的特征，也是强化金属的重要手段。第三节金属的热塑性变形热塑性变形：

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。主要内容一、热塑性变形时金属的软化过程二、热塑性变形机理三、双相合金热塑性变形的特点四、热塑性变形对金属组织和性能的影响一、热塑性变形时金属的软化过程

热塑性变形时金属的软化过程比较复杂，它与变形温度、应变速率、变形程度和金属本身的性质有关，主要有静态回复、静态再结晶、动态回复、动态再结晶和亚动态再结晶等。1、回复和再结晶

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。1．静态回复

在回复阶段，金属的强度、硬度有所下降，塑性、韧性有所提高；但显微组织没有发生明显的变化，因为在回复温度范围内，原子只在晶内作短程扩散，使点缺陷和位错发生运动，改变了数量和状态的分布。低温回复（0.1～0.3）Tm时，回复的主要机理是点缺陷运动和互相结合，使点缺陷的浓度下降。中温回复（0.3～0.5）Tm时，位错团内部位错重新组合和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错团厚度变薄，位错网络清晰，晶界位错密度下降，亚晶缓慢长大。高温回复发生时（T>0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合并和多边形化现象。２．静态再结晶

冷变形金属加热到一定温度后，会发生再结晶现象，用新的无畸变的等轴晶，取代金属的冷变形组织。与回复不同，再结晶使金属的显微组织彻底改变或改组，使其在性能上也发生很大变化，如强度、硬度显著降低，塑性大大提高，加工硬化和内应力完全消除，物理性能得到恢复等。但是，再结晶并不是一个简单地使金属的组织恢复到变形前的状态的过程，可以通过控制变形和再结晶条件，调整再结晶晶粒的大小和再结晶的体积数，用这种方式和手段来改善和控制金属组织和性能。图12-16回复和再结晶对金属组织和性能的变化回复再结晶晶粒长大发生温度较低温度较高温度更高温度转变机制原子活动能量小，空位移动使晶格扭曲恢复。位错短程移动，适当集中形成规则排列原子扩散能力大，新晶粒在严重畸变组织中形核和生长，直至畸变晶粒完全消失，但无晶格类型转变新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移组织变化金相显微镜下观察组织无变化。宏观内应力和微观内应力有较大下降形成新的等轴晶粒，有时还产生再结晶织构，位错密度大大下降晶粒明显长大性能变化强度、硬度略有下降，塑性略有上升，电阻率明显下降强度、硬度明显下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能恶化，塑性明显下降应用说明去应力退火工艺，一般只有回复转变再结晶退火可消除加工硬化效果，消除组织各向异性应在工艺处理过程中防止产生３．动态回复

动态回复发生在热塑性变形过程中，它对软化金属起着重要的作用。动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移来实现的。层错能高，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。所以动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。４．动态再结晶

在热塑性变形过程中发生的，层错能低的金属在变形量很大时才可能发生动态再结晶。因为层错能低时，不易进行位错的交滑移和攀移。动态再结晶需要一定的驱动力，只有畸变能差积累到一定水平时，动态再结晶才能启动，否则只能发生动态回复。只有当变形程度远高于静态再结晶所需的临界变形程度时，动态再结晶才会发生。动态再结晶的能力除与金属的层错能高低有关外，还与晶界迁移的难易程度有关。金属越纯，发生动态再结晶的能力越强。溶质原子固溶于金属基体，弥散的第二相粒子，都会严重阻碍晶界的迁移，减缓或遏止动态再结晶过程的进行。动态再结晶的晶粒度大小与变形程度、应变速率和变形温度有关，一般是降低变形温度、提高应变速率和变形程度，会使动态再结晶后的晶粒变细，而细小的晶粒组织具有更高的变形抗力。

因此，可以通过控制变形温度、速率和变形程度来调节晶粒组织的粗细和它的力学机械性能。在动态再结晶的过程中，由变形引起的硬化过程和由再结晶引起的软化过程相互平衡时，真实应力趋于稳定。二、热塑性变形机理金属热塑性变形机理主要有以下几种：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移，扩散蠕变。其中，晶内滑移是最主要的行为方式；孪生多发生在高温高速变形；晶界滑移和扩散蠕变只发生在高温变形的时。1.晶内滑移

高温时原子间距加大，原子的热振动和扩散速度加快，位错的活动变得活跃起来，滑移、攀移、交滑移和位错结点脱锚比低温时容易；滑移系增多，改善了各晶粒之间的变形协调性；同时在热变形状态下，晶界对位错运动的阻碍作用相对减弱，位错有可能进入晶界。2.晶界滑移

热塑性变形时，晶界强度较低，使得晶界滑动变得容易进行。与冷变形相比，晶界滑动的变形量要大得多。此外，改变变形条件，如降低应变速率和减小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑动量。三向压应力状态有利于修复高温晶界滑动所产生的裂缝，扩大晶界变形。但是，在常规条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量还是比较小的。3.扩散蠕变扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。

在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。三、双相合金热塑性变形的特点1、弥散型双相合金

第二相粒子对基体相变形和再结晶行为产生影响，从而对热塑性变形产生影响。一方面，位错在第二相附近产生塞积，密度加大，分布不均，有利于再结晶形核。但如果另一方面，当弥散状的第二相粒子直径和间距较小，位错的分布较为均匀，在热变形中不易重新排列和形成大角度晶界，因而不利于再结晶形核。弥散的第二相粒子对晶界还具有钉扎作用，降低了晶界的可动性，限制了高温状态下晶粒的长大，限制了动态再结晶、静态再结晶和聚合再结晶的晶粒长大。碳钢中含有的第二相粒子如MnS、Al2O3、TiN、W、V、Zr等，都具有这种机械阻碍作用。２．聚合型双相合金热变形的再结晶行为与各相的性能和体积百分比有关。再结晶形核地点发生在位错数量多且分布密集的区域。变形小的相，再结晶的晶核只能在相界旁形成；变形大的那一相，既可以在相界旁形成，也可以在相内完成。由此造成的后果是热变形时，金属质点流动不均匀，产生较大的内应力，也降低了合金的塑性变形能力。第二相粒子，在较高的变形温度和较低的应变速率下，发生粗化。在亚共析钢和共析钢中还能发生第二相球化。在较大的变形条件下，还可将第二相打碎，改变其分布，使第二相呈带状、线状或链状。例如，低碳钢在两相区热锻时，会形成铁素体带状组织。当第二相为低熔点纯金属相或共晶体分布于晶界时，第二相会发生局部熔化，形成热脆现象，在热锻、热轧时沿晶界开裂，产生缺陷。四、热塑性变形对金属组织和性能的影响1、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。钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图3、形成纤维状组织4、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。第四节影响塑性和变形抗力的因素一、塑性、塑性指标和塑性图二、影响塑性的因素三、影响变形抗力的因素一、塑性、塑性指标和塑性图塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。1、塑性反映了材料产生塑性变形的能力；2、塑性不是固定不变的，同一种材料，在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。3、影响金属塑性的因素主要有两方面：

1）内因：金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等；

2）外因：变形时外部条件，如变形温度和受力状况等。塑性指标：为衡量金属塑性的高低而确定的数量上的指标，一般以金属材料开始发生破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标：

1、拉伸试验伸长率δ(％)

2、断面收缩率Ψ（％）为试样的原始标准间距和试样断裂后标距间长度；为试样的原始横截面积和试样断裂处的最小横截面积。用断面收缩率作为塑性指标更合理塑性指标还可以用镦粗实验和扭转试验测定。镦粗试验（试样的高度为直径的1.5倍）中，以出现第一条裂纹时的变形程度为塑性指标：注：只有相同的指标才能相互比较试样原始高度和表面出现第一条裂纹时的高度

镦粗试验原始样出现裂纹后的试样塑性图：

在不同的变形速度下，以不同温度下的各种塑性指标（、、、、ak等）为纵坐标、以温度为横坐标绘制成的函数曲线。碳钢塑性图二、影响塑性的因素

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状态（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响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——热脆

N——时效脆性

H——氢脆P易溶于铁素体S化物分布于晶界N溶入a铁过饱和随后析出杂质的存在状态、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（fcc）——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。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。见下图碳含量对碳钢力学性能的影响2、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。此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。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。

4、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。5、氢钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”（白点）。6、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。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体伸长率和韧性的影响（二）组织状态对金属塑性的影响晶格类型的影响面心立方——12个滑移系，同一滑移面上3个滑移方向，塑性最好，如铝、铜和镍等。体心立方——12个滑移系，同一滑移面上2个滑移方向，塑性较好，如钒、钨、钼等。密排六方——3个滑移系，塑性最差，如镁、锌、钙等。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。（晶界、晶内；硬相、软相）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。（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；晶界间滑移易于进行。

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。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。碳钢的塑性随温度的变化曲线（四）应变速率对塑性的影响一方面，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。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。（五）应力状态对塑性的影响

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。主应力图有九种：单向主应力图：二向主应力图：

三向主应力图：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。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。注：塑性和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。三、对变形抗力的影响因素（一）化学成分的影响金属纯度越高，变形抗力越小。合金元素的原子与基体原子间相互作用的特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布等。（基体点阵畸变）杂质的含量、杂质的性质及其在基体中的分布特性。（二）组织结构的影响结构变化：组织状态不同，变形抗力不同。组织结构的变化（相变），变形抗力也发生变化。晶粒大小：晶粒越细，同一体积内的晶界越多，变形抗力就高（室温晶界强度高于晶内）。单相组织和多相组织：单相组织合金元素含量越高，晶格畸变越严重，变形抗力越大。单相组织比多相组织的变形抗力小。多相组织中第二相的性质、形状、大小、数量和分布状况对变形抗力都有影响。硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布时，合金的变形抗力就高。第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力就越大。（三）变形温度的影响几乎所有的金属和合金，变形抗力都随温度的升高而降低。但是当金属和合金随着温度的变化而发生物理-化学变化和相变时，会出现相反的情况，如钢在加热过程中发生的蓝脆和热脆现象。（四）变形程度的影响随变形程度的增加，会产生加工硬化，使继续变形发生困难，因而变形抗力增加。当变形程度较高时，促进了回复与再结晶过程的发生与发展，变形抗力的增加变得比较缓慢。（五）变形速度的影响一般情况下，随着变形速度的增加，变形抗力提高（特别热变形）。一方面，变形速度提高，单位时间内的发热率增加，使变形抗力降低。另一方面，变形速度提高也缩短了变形时间，使位错运动的发展时间不足（滑移来不及进行），促使变形抗力增加。（六）应力状态的影响

应力状态不同，变形抗力不同。如挤压时金属处于三向压应力状态，拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态。挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大。

拉拔和挤压时不同的应力状态和变形抗力第五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。主要内容一、超塑性变形的特点二、超塑性变形的类型三、超塑性变形对组织的变化和对力学性能的影响一、超塑性变形的特点1、大伸长率

超塑性材料在单向拉伸时δ值非常高，在变形稳定性方面要比普通材料好得多，材料成形性能得到大大改善，使形状复杂或难以成形的材料变得容易成形。如卫星上的钛合金球形燃料箱，其壁厚0.71～1.5mm，用普通方法是无法成形的，用超塑性成形才成为可能。2、无缩颈、低流动应力

超塑性变形时断面均匀缩小，断面收缩率可接近100%，几乎无缩颈发生。并且具有非常低的流动应力，每平方毫米仅几十兆帕，因此对设备吨位的要求很低。超塑性变形对应变速率很敏感，只有在一定的速度范围内才表现出超塑性。超塑性变形过程中基本上没有或者只发生很小的应变硬化现象，流动性和充填性极好，因而极易成形。由于超塑性成形是宏观均匀变形，所以变形后的制品表面光滑，没有起皱、微裂和滑移痕