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1、第三章 金属材料的塑性变形 第一节 单晶体和多晶体的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1、滑移： 晶体中一部分相对于另一部分沿一定 的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整体切向滑移。,塑性变形的滑移带和滑移线实验观察,1.外力作用的塑变，是原子平面间发生相对切向滑动。 2.变形只在少数晶面间发生切向滑动，即金属塑变相当不均匀,依靠晶体整体滑移的塑性变形模型,塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为其需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎全部同时断开。,滑移面,刃型位错运动使晶体滑移 引起塑性变形的模型,位错运动使塑性变形容易,螺型位错运动使晶体滑移 引起塑性变形的模型,混合型位错运动使晶体滑移 引起
2、塑性变形的模型,滑移面（面间结合力最小的晶面）,实验观察结论： （1）通常晶体宏观塑性变形由微观滑移（切向 变形）引起。 （2）微观滑移发生在晶体中确定的晶面（滑移面） 和确定的晶向（滑移方向）上（合称为滑移 系）。,滑移面（密排面）,滑移塑性变形的特征: （1）滑移是位错的连续运动所致。 （2）存在滑移临界分切应力(其大小影响材料屈 服强度),不同晶体结构临界分切应力不同。 （3）原子移动的距离是晶格常数的整数倍，滑移 后仍保持晶体结构的完整性。 （3）滑移发生在晶体的密排晶面和密排晶向上。 （4）不同的晶体结构常具有不同的滑移系（面心 和体心：12个；密排六方：3个），滑移系 越多，越易塑
3、性变形，塑性越好。,密排六方结构滑移系示意图,面心立方结构滑移系示意图,研究结论：阻碍位错运动将提高材料屈服强度。,体心立方结构滑移系示意图,2、孪生：晶体中一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪生）和晶向（孪生方向） 作多层均匀切向移动。,镜面对称,二、多晶体塑性变形特点 1、晶粒取向的影响 使微观塑性变形不均匀和更复杂。,（1）取向不同，滑移所需分不同：硬取向，软取向 （2）各晶粒都满足临界后，每晶粒各自沿自己滑移系滑移，又要保持金属结构的连续性。相互协调 相同外力，多晶体比单晶体塑变量小,2、晶界的影响 （1）阻碍位错滑移 故细化晶粒提高强度： s =0 + kd-1/2。,纯铁,（2）使
4、微观塑性变形更为均匀，推迟断裂发生， 改善材料塑性、韧性。,原因： 在一定作用下，当总的变形量一定时，晶粒细，位错可在更多的晶粒中运动塑变更均匀不易应力集中强度，塑韧性,第二节 金属的形变强化 一、形变强化（加工硬化） 1、冷变形（冷加工）后晶体内部组织的变化 （1）晶粒碎化，点缺陷、位错密度增大。内部 能量增大（储存了部分形变能）。,（2）变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织， 晶粒转动形成织构（择优取向），产生各向异性。,等轴晶,沿变形方向晶粒拉长,变形前 变形后,塑性变形量很大时会使各个晶粒的取向基本一致而产生“织构”并造成各向异性。,织构：晶粒空间取向趋于一致的组织状态。,2、冷变形（
5、冷加工）后晶体性能的变化 产生形变强化，电阻率上升，耐蚀性下降。 形变强化：随塑性变形量的增大，晶体材料的强 度不断提高，塑性不断下降的现象。 原因：位错缠结，阻碍位错运动。,性能指标,3、形变后的残余应力（分三类残余应力）。 （1）宏观残余应力（第一类残余应力） 因材料各部分之间塑性变形不均而产生。,金属拔丝变形后残余应力,金属弯曲变形后残余应力,（2）微观残余应力（第二类残余应力） 因晶粒之间塑性变形不均而产生。 （3）晶格畸变残余应力（第三类残余应力） 因晶粒内部位错等造成晶格畸变而产生。,l 残余应力危害：减低工件承载能力；使工件 尺寸、形状变化；降低工件耐蚀性。,残余拉应力,拉应力,
6、拉应力,表层残余压应力,拉应力,拉应力,残余拉应力与外加应力叠加,残余压应力抵消部分外加应力,l残余应力利用：表面压应力提高疲劳强度。,第三节 冷变形金属在加热时的变化 一、 回复、再结晶与晶粒长大 冷变形金属在加热时经历三个变化阶段： 加热时组织变化：,升高加热温度或延长保温时间,加热时金属性能变化：,1、回复 l加热温度：T回=（0.250.3）T熔（K） l组织、性能变化： 点缺陷密度减少：离位原子与空位复合 位错呈较规则排列：高密度位错短程运动 残余应力明显下降:引起 强、硬略有下降。 电阻率下降。 l回复驱动力：冷变形时储存的能量 应用：去应力退火,2、再结晶 l再结晶：高温加热冷变
7、形金属（再结晶退火）， 使其形成无畸变等轴晶粒并完全替代原变形晶 粒，各种性能恢复到冷变形前状态的过程。 l组织、性能变化：位错密度明显降低，变形晶粒 变为等轴晶粒，各种性能恢复到冷变形前状态。 l最低再结晶温度：能发生再结晶的最低加热温度 经验公式：T再=0.4 T熔（K） l再结晶驱动力：冷变形储存能 应用：再结晶退火,3、再结晶后晶粒的长大 再结晶结束后继续保温，晶粒将进一步长大。 晶粒长大驱动力：晶界总面积减少导致的晶界 能下降。,二、冷变形（加工）与热变形（加工） 冷变形：在再结晶温度以下进行的塑性变形。 冷变形特点：变形抗力高，变形获得的金属硬度、 精度高。 热变形：在再结晶温度以
8、上进行的塑性变形。 热变形特点： （1）变形过程伴随有形变强化和回复与再结晶带 来的材料软化。 （2）热变形温度越高、变形速率越低，软化作用 越强。 （3）热变形产生纤维组织“流线”。变形量越大， 纤维化越明显。,变形前组织 变形后组织,流线,流线：塑性变形时，金属中夹杂物、第二相等沿 变形方向分布排列。,低碳钢热加工后的流线,三、热变形纤维组织的应用 l “流线”使材料具有各向异性：,平行于流线方向抗拉强度高、塑性好,垂直于流线方向抗剪强度高、塑性差,l 应使“流线”合理分布： 使零件承受的最大正应力平行于纤维方向； 使零件承受的最大切应力垂直于纤维方向。,金属挂钩中流线,第四节 塑性加工性
9、能及其影响因素 一、塑性加工性能及其指标 塑性加工：通过使材料塑性变形而获得具有一定 形状、尺寸和质量的零件的加工方法。 塑性加工性能：金属材料通过塑性加工获得优质 零件的难易程度。 塑性加工性能指标：塑性、变形抗力。 塑性越好、变形抗力越小，则塑性加工性能越好。,二、塑性加工性能影响因素 1、材料本质（内在因素） （1）化学成分 （2）微观组织 2、加工条件（外在因素） （1）变形温度：温度高，变形抗力小，塑性好， 塑性加工性能好。 注意，温度过高，材料氧化、脱碳严重，并可出 现过热（晶粒粗大）和过烧（局部熔化）。,变形速度较高时，回复、再结晶不及进行，不能克服形变强化，金属变形抗力增大，塑性下降。 变形速度很高时，热效应促进回复、再结晶，金属变形抗力下降，塑性提高。,塑性、抗力,变形速度,变形抗力,塑性,（2）变形速度,（3）应力状态 金属变形时，三个主应力中压应力数目越 多，则金属表现出的塑性越好。 金属变形时，同号应力状态下的变形抗力大 于异号应力状态下的变形抗力。,挤压金属变形时应力状态,拉拔金属变形时应力状态,
