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1、第七章 金属的塑性变形与再结晶第七章 金属的塑性变形与再结晶 n n 1 1 金属材料的塑性变形特性金属材料的塑性变形特性 n n 2 2 塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 n n 3 3 回复与再结晶回复与再结晶 n n 4 4 金属材料的热加工金属材料的热加工 1 1 金属的塑性变形特性金属的塑性变形特性 n n 一、一、什么是塑性变形什么是塑性变形 n n 二、二、金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形 n n 三、三、多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形 n n 四、四、合金体的塑性变形合金体的塑性变形 返回 一一、 塑性变形塑性变形 n n 金属或合金在外力
2、作用下，都能或多或少地发生金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生 变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑 性变形。性变形。 n n 生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工 。 n n 金属的塑性变形可分为：金属的塑性变形可分为： 冷塑性变形和热塑性变形。冷塑性变形和热塑性变形。 返回 一一、 塑性变形塑性变形 n n 压力加工方法示意图压力加工方法示意图 图图7-1 7-1 压力加工方法示意图压力加工方法示意图 返回 n n oeoe段：弹性变形阶段；段：弹性变形阶段； n n eses 段段：屈服
3、阶段；：屈服阶段； n n sbsb段：均匀塑性变形阶段：均匀塑性变形阶 段，是强化阶段。段，是强化阶段。 n n b b点点：形成了：形成了“ “缩颈缩颈” ”。 n n bkbk段：非均匀变形阶段段：非均匀变形阶段 ，承载下降，到，承载下降，到 k k 点断裂点断裂 。 l F 图7-2 拉 伸 曲 线 应力-应变曲线 一、 塑性变形 l bl u l Fb b k Fs s o g f e Fe p Fp F 返回 一、一、 塑性变形塑性变形 n n 应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。：单位面积上试样承受的载荷。 n n 应变应变 ：单位长度的伸长量。：单位长度的伸长量。 n n 屈
4、服点屈服点 与屈服强度与屈服强度s : s : 产生明显塑性变形的最低应力产生明显塑性变形的最低应力 值值. . n n 抗拉强度抗拉强度bb ：试样在断裂前所能承受的最大应力。：试样在断裂前所能承受的最大应力。 返回 一、塑性变形 塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量 A与原始横截 面积A0之比。 伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之 比。 韧韧性断裂：断口呈纤维纤维 状，灰暗无光，断前有明显显的塑性变变形 。 脆性断裂：断口有闪烁闪烁 的光辉辉，断前无明显显的塑性变变形。 返回 二、单晶体金属的塑性变形
5、二、单晶体金属的塑性变形 金属单晶体的塑性变形有金属单晶体的塑性变形有“ “滑移滑移” ”与与“ “孪生（晶）孪生（晶）” ”等不同方等不同方 式，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。式，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。 滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生 相对滑动的过程。相对滑动的过程。 n n 1.1.滑移的表象（滑移的表象（滑移带）滑移带） n n 2.2.滑移系滑移系 n n 3. 3. 滑移的位错机理滑移的位错机理 n n 4. 4. 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 返回 1.1.滑移的表象（滑移
6、的表象（滑移带）滑移带） n n 发生了滑移的金属试样表面状态发生了滑移的金属试样表面状态: :试样表面上会出现许多相试样表面上会出现许多相 互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由许多密集且相互互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由许多密集且相互 平行的滑移线构成。平行的滑移线构成。 图7-3 滑移带和滑移线示意图返回 1.1.滑移的表象滑移的表象 n n 如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在 金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条 纹就是晶体在切应力的
7、作用下，一部分相对于另一部分沿着一纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台 阶，这些条纹称为阶，这些条纹称为“ “滑移线滑移线” ”。 n n 在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑 移线群的集合体，称为移线群的集合体，称为“ “滑移带滑移带” ”。同时还能看到滑移带在晶体。同时还能看到滑移带在晶体 上的分布是不均匀的。上的分布是不均匀的。 n n 单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀
8、单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀 的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑 移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏 观上的体现。观上的体现。 返回 锌单晶体拉伸试验锌单晶体拉伸试验 图7-4 锌单晶体拉伸试验示意图 （a）变形前试样 （b）变形后试样 返回 二、单晶体金属的塑性变形二、单晶体金属的塑性变形 图图7-5 7-5 单晶体试样拉伸变形示意图单晶体试样拉伸变形示意图 返回 2. 2.滑移系滑移系 晶体上的滑移带分布是不均匀的，即
9、塑性变形时，晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只位错只 沿沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向 都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方 向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向密排面和密排方向。因。因 为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的 结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的
10、滑动。 不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和 位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成 一个一个“ “滑移系滑移系” ”。所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不 同，如体心立方同，如体心立方1212个，面心立方个，面心立方1212个，密排六方个，密排六方3 3个，且滑移系个，且滑移系 的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好 ，且相同滑移系数目相同时，滑移
11、方向数越多，越易滑移，塑，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑 性越好。性越好。 返回 2. 2.滑移系滑移系 返回 3. 3.晶体在滑移过程中的转动晶体在滑移过程中的转动 单晶体试样在拉伸实验时（如图单晶体试样在拉伸实验时（如图7-57-5），除了沿滑移面产生），除了沿滑移面产生 滑移外，晶体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面滑移外，晶体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面 上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力（上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力（正应力正应力）不）不 再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产再处于同一直线上，于是在滑
12、移面上形成一力偶，使滑移面产 生以外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。生以外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。 可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生 变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难 ，这种现象，这种现象“ “取向硬化取向硬化” ”；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步 趋于软位向，易于滑移，称为趋于软位向，易于滑移，称为“ “取向软化取向软化” ”。结果是滑移产生转。结果是滑移产生转 移。移。 可见在滑移过程中可见在
13、滑移过程中“ “取向软化取向软化” ”和和“ “取向硬化取向硬化” ”是同时进行的是同时进行的 。 返回 4.4.滑移的位错机理滑移的位错机理 n n 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体 内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的 整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的 原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。 n n 当晶体受外力作用时，
14、位错（刃型位错）将沿着一定的晶面当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将沿着一定的晶面 和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个 原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动 到晶体表面所形成的台阶。到晶体表面所形成的台阶。 返回 4.4.滑移的位错机理滑移的位错机理 返回 滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。 n图中显示了一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的 运动过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧 的运动造成一个原子间距滑移的过程。 4.4.滑移的位错机理
15、滑移的位错机理 图图7-6 7-6 弗兰克弗兰克- -瑞德瑞德位错增殖机制位错增殖机制 返回 n位错的交割与塞积（加工硬化） 割阶：不同滑移面上运动着的位错相遇时，发生互 相互交割 两个相互垂直的刃型位错的交割 割阶形成，一方面增加位错线的长度，另一方面形成 固定割阶，阻碍后续位错的运动。 位错的平面塞积 a)示意图 b)GH70高温合金中的位错塞积 位错塞积：在切应力作用下，大量位错遇到障碍物 （固定位错、杂质粒子、晶界等），领先位错在障 碍前被阻止，后续位错被堵塞起来而形成。 三、孪生三、孪生 n孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常易发生 在滑移难以进行时的情况。 n孪生：晶体一部分相对于
16、另一部分在切应力作用下沿 n特定晶面与晶向产生一定角度的均匀切变。 Cd，Zn，Mg等部分密排六方金属常易发生孪生变形 n孪生变形特点：（1）发生在晶体内部的均匀切变；（2） 沿晶体的一定晶面(孪晶面)，沿一定方向(孪生方向)发生； （3）变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界 面构成了镜面对称的位向关系。 孪生与滑移的差别： n(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑 移后晶体各部分位向均未改变。 n(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只 集中在一些滑移面上进行。 n(3)孪生变形时，孪晶带中每层原子沿孪生方向的 位移量都是原子间距的分数值，而滑移为原子间 距的整数倍。 n(4)孪生
