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1、教学课题 金属的塑性变形教学课时 2教学目的 让学生了解金属塑性变形的特点掌握塑性变形对金属组织和性能的影响教学难点 塑性变形对金属组织和性能的影响 教学重点 塑性变形对金属组织和性能的影响教学方法 讲解法教具准备 教材教学过程 复习导入晶体：晶体是指组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质新课学习课题导入没学相关专业知识之前，我们基本上都听过弹性变形的概念，给我们的直观现象就是弹簧被压缩以后，当我们把压力撤除之后，弹簧又会恢复原状，这种现象我们就称之为弹性变形，但假如这个压力过大，以致撤除之后弹簧不能恢复原状，那么这种类型的现象就是我们今天要学习的塑性变形。授课内容一、 金属的塑性变形（
2、一）单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可以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。正常情况下，塑性变形有两种形式：滑移和孪生，在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移的方式进行的。1. 滑移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移动的现象。滑移变形的特点是：(1)滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称为临界切应力。(2)滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大，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称为滑移面和
3、滑移方向。显然，滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格与面心立方晶格的滑移系数目相同，都是12个，而密排六方晶格只有3个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而具有面心立方晶格金属的塑性好于体心立方晶格金属，具有体心立方晶格金属的塑性好于密排六方晶格金属。(3)滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称为滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。(4)滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种：一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移
4、面上滑移方向向最大切应力方向转动。转动的原因是由于晶体沿着滑移面和滑移方向滑动后使正应力分量n、n和切应力分量b、b组成了力偶。计算表明，当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45角时，滑移方向上的切应力s最大，因而最容易发生滑移。当滑移面和滑移方向与外力轴方向平行或垂直时，切应力分量s=0，晶体不发生滑移。(5)滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。计算表明，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的临界切应力值大34个数量级，而按照位错运动模型计算所得的临界切应力值则与实测值相符，可见滑移不是刚性滑动，而是位错运动的结果。当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
5、移动，而且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，这种现象称为位错的易动性。当一个位错移动到晶体表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则在晶体表面形成一条滑移线。2. 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。发生切变的部分称为孪晶带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称为孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移不同，孪生使晶格位向发生改变，所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。在常见的晶格类型中，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
6、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，但在这类金属中常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称为退火孪晶。（二）多晶体金属的塑性变形 工程上使用的金属绝大多数是多晶体，其中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似，但由于晶界的存在及各晶粒的取向不同，使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。1. 晶界及晶粒位向差的影响在多晶体中，晶界原子排列不规则，当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称为位错的塞积。若要使变形继续进行，则必须增加外力，可见晶界使金属的塑性变形抗力提高。双晶粒试样的拉伸实验表明，试样往往呈竹节状，晶界处
7、较粗，这说明晶界的变形抗力大，变形较小。由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性形变便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。2. 多晶体金属的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。3. 晶粒大小对金属
8、力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。原因是金属的晶粒越细，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，金属塑性变形的抗力越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也就越好。这是由于晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多。同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。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为细晶强化。细晶强化是金属的重要强化手段之一。二、塑性变形对金属组织和性能的影响1. 塑性变形对金属组织的影响金属发生塑性变形，不
9、仅外形发生变化，而且内部的晶粒被拉长或压扁。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，如下图所示。塑性变形使晶粒破碎成亚晶粒。2. 塑性变形对金属性能的影响金属发生冷塑性变形后，随塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。冷塑形变形金属产生加工硬化的原因：位错密度增加；亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用；空位密度增加。由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一。尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。3. 残余应力内应力是指
10、平衡于金属内部的应力，它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。内应力分为三类：宏观内应力：平衡于金属表面与心部之间；微观内应力：平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间；畸变应力：由晶格缺陷引起的内应力。内应力的存在，使金属的耐蚀性降低，引起零件在加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。补充设计4.2 合金的塑性变形与强化1单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金的组织与纯金属相同，因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似； 由于溶质原子的存在，使晶格发生畸变，从而使固溶体的硬度、强度提高，塑性韧性下降，这种现象称为固溶强化。 2
11、多相合金的塑性变形与弥散强化当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属，也可以是固溶体或化合物，工业合金中的第二相多数是化合物； 当第二相在晶界上呈网状分布时，对合金的强度和塑性都不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度可显著提高，而且第二相颗粒越细，分布越均匀合金的强度、硬度越高，这种强化方法称为弥散强化或沉淀强化。课堂小结1金属的塑性变形的特点2塑性变形对金属组织和性能的影响布置作业内应力分为哪三类？宏观内应力：平衡于金属表面与心部之间；微观内应力：平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间；畸变应力：由晶格缺陷引起的内应力。教学反思当学到晶格缺陷的时候，有部分同学对微观变化引起宏观变化的现象无法转过弯来，后经过多次讲解才弄懂，所以以后要设法提高学生的空间想象力
