第三章 金属的塑性变形

压力加工方法示意图第三章金属的塑性变形塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响.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.

第一节纯金属的塑性变形

金属变形的三个阶段弹性变形：应力去掉后，变形完全恢复原状。在弹性变形范围内，其应力与应变之间服从虎克定律。弹塑性变形：应力去掉后，变形不能恢复原状断裂：韧性断裂、脆性断裂韧性断口脆性解理断口应力形式任何外力都可以分解为：一个正应力(

)

一个切应力(

)正应力___伸长、断裂切应力___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一、单晶体的塑性变形塑性变形主要方式：滑移、孪生滑移变形在晶体表面留下变形痕迹孪晶变形在晶体内部留下变形痕迹

单晶体弹性变形滑移变形孪生变形滑移滑移是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动。滑移示意图滑移的特点机械工程材料滑移与位错滑移的实现是借助于位错的运动进行的。位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面→一个原子间距的滑移台阶→塑性变形平面位错运动3D位错运动位错的易动性晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。滑移带和滑移线滑移线：晶体表面的滑移台阶滑移带：大量的滑移线组成对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。滑移面和滑移方向滑移面：晶体中能够发生滑移的晶面滑移方向：晶体中能够发生滑移的晶向滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。滑移系滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向的组合滑移系数目：晶体内可能滑移的滑移面数和滑移方向数的乘积在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移的特点滑移只能在切应力的作用下发生滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生（在滑移系中进行）滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍，滑移结果在晶体的表面上造成台阶。滑移的同时必然伴随着晶体的转动。孪生孪生：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）发生切变的变形过程。孪生的特点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。孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶黄铜中的孪晶锌中的孪晶二、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。2、多晶体的塑性变形（A）晶界的影响晶界起强化作用（

B）晶粒位向的影响

轴向拉力F，试样横截面积A,

外力F作用在滑移面上，沿滑移方向的分切应力为:

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。晶界的影响晶界特点：是相邻晶粒的过渡区，原子排列较紊乱，常有杂质。晶界作用：阻碍位错运动，造成位错塞积，提高变形抗力。晶界的影响细晶强化细晶强化：通过细化晶粒来同时提高强度、塑性、韧性的方法原理：金属的晶粒越细小，①晶界越多，其变形抗力越高；②晶粒数目较多，每个晶粒所分担的外力较小；③晶界总量较长且曲折，裂纹扩展困难。3.2塑性变形对组织和性能的影响

塑性变形能够使材料在变形的同时，伴随着变性。变形结果：⑴晶粒破碎：位错密度增加、产生加工硬化⑵晶粒伸长：各向异性、产生形变织构⑶夹杂物伸长：形成纤维组织⑷应力状态：产生残余应力组织变化—晶粒形状的变化金属发生塑性变形后，沿形变方向，晶粒被拉长或压扁,金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织→各向异性。大变形量(70%～90%以上)定向变形时，出现形变织构现象，或称“择优取向”工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%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组织变化—亚结构的形成金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚结构。性能变化—加工硬化加工硬化：发生塑性变形时,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降的现象,也叫形变强化。（利、弊）产生原因：①金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。②晶粒破碎细化,使强度得以提高。冷塑性变形与性能关系加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）

加工硬化的意义：

（1）具有一定抗偶然过载的能力，保证安全；

（2）是冷变形工件成型的重要因素；

（3）强化金属的重要工艺手段。

（2）织构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。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。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。制耳现象性能变化—其它性能变化

经塑性变形后的金属材料，发生点阵畸变，各种结构缺陷密度增加，导致：金属的电阻率增高，电阻温度系数下降，磁导率下降，热导率也有所降低，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。能量状态升高，导致金属中的扩散过程加速，金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。性能变化—产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。各向异性导致的铜板“制耳”有无残余内应力的形成储存能：外力去除后，仍残存在材料内部的畸变能。储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：残余内应力的种类第一类内应力：因金属表面和心部塑性变形不均匀造成，存在于宏观范围内，又称宏观内应力。第二类内应力：由于晶粒之间变形不均匀造成，存在于晶粒间，故称微观内应力或晶间内应力。第三类内应力：由于晶格畸变，原子偏离平衡位置造成，存在于原子之间，又称晶格畸变应力。第三类内应力是使金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力。第三节

塑性变形金属加热时的组织与性能变化1.回复回复：较低温度加热，由于原子运动，使变形金属中的缺陷密度降低，造成内应力下降的过程。特点：原子活动能力较小，金属的晶粒大小和形状无明显变化，故金属的机械性能变化不大，而内应力和电阻等理化性能显著变化。应用：生产中要求保留加工硬化性能，但需要降低内应力或改善某些理化性能。2.再结晶再结晶：变形金属在较高温度加热，原子活动能力增大，被拉长(或压扁)、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。特点：①晶粒外形发生了变化(消除了变形金属的一切组织特征)，而晶格类型无任何变化；②加工硬化和内应力完全消除，各种性能完全恢复到变形前的状态。应用：常作为金属进一步加工时的中间退火工序

铁素体变形80%670℃加热650℃加热再结晶温度再结晶温度：变形金属开始进行再结晶的最低温度。统一标准规定：材料在1小时内退火（大变形度），发生再结晶的最低温度（T再）。影响再结晶温度的主要因素为：预先变形程度；原始晶粒的大小；金属的纯度及成分；加热速度和保温时间。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)预变形度对T再的影响⑴预先变形程度的影响变形程度愈大，金属畸变能愈高，向低能状态变化的倾向也愈大，因此再结晶温度愈低。⑵原始晶粒尺寸的影响在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。⑶金属的纯度及成分的影响由于杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80℃,而工业纯铝（99.0%）的最低再结晶温度提高到了290℃。⑷加热速度和保温时间的影响再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度才发生；而保温时间越长,原子扩散越充分，可使再结晶过程在较低温度下完成。常见工业金属材料的

再结晶退火和去应力退火温度金属材料去应力退火温度（℃）再结晶退火温度（℃）钢碳素结构钢及合金结构钢500～650680～720碳素弹簧钢280～300铝及其合金工业纯铝≈100350～420普通硬铝合金≈100350～370铜及其合金（黄铜）270～300600～7003.晶粒长大晶粒长大：再结晶后，随温度升高或保温时间延长，金属晶粒之间相互吞并长大的现象。r

r

R

由于表面能的降低

小晶粒向大晶粒聚集是一个自发的过程影响再结晶后晶粒大小的因素加热温度和保温时间：原子扩散→晶界迁移→晶粒长大变形度→畸变能→变形的均匀性

临界变形度：再结晶时，使晶粒异常粗大的变形度预先变形度：铝板弹孔经再结晶退火后的组织黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38％的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织冷塑性变形金属的热处理去应力退火：加热到回复阶段，去除内应力，保持加工硬化的强化效果。再结晶退火：消除加工硬化，提高材料塑性，完全消除残余应力。第四节金属的热加工热加工：在金属的再结晶温度以上进行的塑性变形加工。特点：塑性变形的同时伴随着再结晶过程的进行，因而塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。金属在热轧时变形和再结晶的示意图热加工对金属组织和性能的影响⑴①改善铸锭组织，表现在：可使钢中的气孔焊合，分散缩孔压实，从而使材料的致密度增加；可使钢中的粗大枝晶和柱状晶破碎，晶粒细化，且再结晶后形成等轴晶，机械性能提高。热加工对金属组织和性能的影响⑵②产生热加工流线：可使钢中的各种夹杂物沿变形方向伸长，形成“纤维组织”，造成各向异性。沿着纤维的方向上(纵向)具有较高的机械性能，而在垂直方向上(横行)性能较低。热加工对金属组织和性能的影响⑶③带状组织：复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度，还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。冷、热加工的主要应用冷加工：适用于截面尺寸较小，加工精度和表面光洁度要求较高的金属制品。热加工：主要用于截面尺寸较大、变形量较大的金属制品及半成品，以及硬脆性较大的金属材料的变形加工。第五节超塑性超塑性：很小变形应力下拉伸变形时，δ≥100％的现象。前提：合金的显微组织和变形时的温度、变形速度得到恰当配合。主要工艺：微细晶粒超塑性、相变超塑性小结1.认识单晶体金属塑性变形的主要方式－滑移的主要特点；2.认识多晶体金属塑性变形的特点和晶界与晶粒位向对塑性变形的影响；3.掌握金属在塑性变形过程中，结构、组织与性能的变化规律，加工硬化产生的原因和实际意义；4.建立再结晶温度的概念，认识再结晶的实质；5.了解金属热加工和冷加工的区别。课后思考1.用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热至1000℃，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳断裂，为什么？2.钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工？（钨熔点是3410℃，