工程材料金属的塑性变形

工程材料金属的塑性变形第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六

了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。金属的塑性变形2023/5/28第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六§理解金属的塑性变形的实质§掌握塑性变形对金属组织和性能的影响

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回复与再结晶，热（冷）变形加工金属的塑性变形2023/5/28第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六s弹性变形塑性变形2023/5/28第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六第一节金属的塑性变形一、单晶体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。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。2023/5/28第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切应力τ。

2023/5/28第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六正应力只能引起弹性变形及解理断裂

切应力作用使晶格发生弹性歪扭

只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。2023/5/28第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六塑性变形有两种形式：滑移和孪生。（一）滑移1.滑移与滑移带

1)滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。

2023/5/28第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。

2023/5/28第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六2023/5/28第十页，共三十六页，编辑于2023年，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。

滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带2)滑移带2023/5/28第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六2.滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。2023/5/28第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六晶体通过位错运动产生滑移时，在位错中心的少数原子发生移动。2023/5/28第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六㈡孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。2023/5/28第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六二、多晶体金属的塑性变形

多晶体变形比单晶体复杂得多。㈠晶界及晶粒位向差的影响

1、晶界的影响

。位错塞积示意图2023/5/28第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，晶粒间的相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。

2023/5/28第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六(二)晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。

因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。2023/5/28第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。2023/5/28第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。

锌单晶和多晶的拉伸曲线2023/5/28第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六第二节塑性变形对组织和性能的影响

一、塑性变形对组织结构的影响

1.晶粒变形金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且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，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。2023/5/28第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期六工业纯铁在塑性变形前后的组织变化(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%2023/5/28第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六2.形变织构在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向.。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的“制耳”变形前变形后2023/5/28第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六二、冷塑性变形对金属组织性能的影响1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）

2023/5/28第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。产生加工硬化的原因是：1）随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结等)，使变形抗力增加。

2）随变形量增加，亚结构细化。3）随变形量增加,空位密度增加。

2023/5/28第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要。2023/5/28第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六第三节回复与再结晶

金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间，而加热则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。

2023/5/28第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六（一）回复将加工硬化的金属稍微加热，其歪扭的晶格得到恢复，韧性、塑性略有提高，叫回复。回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。2023/5/28第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六（二）再结晶当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。铁素体变形80%650℃加热670℃加热T再=0.4T熔(K)2023/5/28第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六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。由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。2023/5/28第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六第四节金属的热加工

一、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为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。轧制模锻拉拔2023/5/28第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期六如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Pb的再结晶温度为-33℃，则其在室温下的加工为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件2023/5/28第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六金属的塑性加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压2023/5/28第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六二、热加工对金属组织和性能的影响

热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。

热加工动态再结晶示意图2023/5/28第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织2023/5/28第三十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这