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1、第三章金属材料的塑性变形第三章金属材料的塑性变形 金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。（各种加工方法）3.1 3.1 单单晶晶体体和和多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形 3.1.1 3.1.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 单单晶晶体体的的塑塑性性变变形形有有两两种种,即即滑移和孪生。滑移和孪生。1.1.
2、滑移滑移 滑滑移移是是指指在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面（滑滑移移面面）和和晶晶向向（滑滑移移方方向向）相相对对于于另另一一部部分发生的滑动。分发生的滑动。外外力力（F F）在在某某晶晶面面上上产产生生的的应应力力可可分分解解为为正正应应力力（）及及切切应应力（力（）。）。正正应应力力只只能能引引起起晶晶格格的的弹弹性性伸伸长长，而而切切应应力力则则可可使使晶晶格格在在发发生生弹弹性性歪歪扭扭之之后后，进进一一步步使使晶晶体体发发生生滑滑移。移。滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：滑移总是沿着晶体中滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排原
3、子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。（密排方向）进行。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移是通过为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动位错的运动来实现的。来实现的。2.2.孪生孪生 在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。孪生
4、与滑移的区别是：孪生与滑移的区别是：1 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。2 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。3 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。在在多多晶晶体体中中，各各个个晶晶粒粒内内原原子子排排列列的的位位向向不不一一致致，这这样样不不同同晶晶粒粒的的滑滑移移系系的的取取向向就就会不同。会不同。作用在不同晶粒滑移系作用在不同晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分上
5、的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先切应力最大的那些晶粒最先开始滑移。多晶体金属的塑开始滑移。多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐性变形将会在不同晶粒中逐批发生批发生.是个不均匀的塑性变形是个不均匀的塑性变形过程。过程。3.1.2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1.1.晶粒取向对塑性变形的影响晶粒取向对塑性变形的影响 2.2.晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响 在在多多晶晶体体中中存存在在晶晶界界，其其原原子子排排列列不不规规则则，当当位位错错运运动动到到这这一一区区域域附附近近时时将将会会受受到到晶晶界界的的阻阻碍碍而而堆堆积积起起来来，形形成成位位错错塞塞积积。欲欲使使变
6、变形形继继续续进进行行，就就必必须须要要增增加加外外力力，即即变变形形抗抗力力增增大大。金金属属晶晶粒粒越越细，同体积的晶界越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。细，同体积的晶界越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。另另外外，金金属属晶晶粒粒越越细细，在在外外力力作作用用下下有有利利于于滑滑移移和和能能够够参参与与滑滑移移的的晶晶粒粒数数目目也也越越多多，使使一一定定的的变变形形量量分分散散在在更更多多的的晶晶粒粒之之中中，表现出塑性的提高。表现出塑性的提高。3.2.1形变强化现象形变强化现象 产产生生加加工工硬硬化化现现象象 随随着着塑塑性性变变形形量量的的增增加加，金金属属的的强强度度
7、、硬硬度度升升高高，塑塑性性、韧韧性性下下降降，这这种种现现象象称称为为加加工工硬硬化化，也称也称形变强化形变强化。影影响响金金属属的的物物理理、化化学学性性能能 金金属属经经塑塑性性变变形形后后，使使电阻增大，耐蚀性降低。电阻增大，耐蚀性降低。3.2金属的形变强化金属的形变强化 3.2.2 3.2.2 塑性变形后金属的组织结构的变化塑性变形后金属的组织结构的变化 纤维组织形成纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变
8、成细条状，金属中的夹杂物也被当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。拉长，形成所谓纤维组织。变形前后晶粒形状变化示意图变形前后晶粒形状变化示意图 亚结构形成亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。形变织构的产生形变织构的产生 当变形量很大（当变形量很大（70%70%以上）时，会使绝大部分以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取晶粒的某一位向与外力
9、方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构织构。残余应力残余应力:金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的宏观内应力宏观内应力；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成微观内应力微观内应力；因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为晶格畸变内晶格畸变内应力应力。3.2.3塑性变形产生的残余应力塑性变形产生的残余应力 残余应力的危害残余应力的危害:(1)(1)降低工件的承
10、载能力降低工件的承载能力 (2)(2)使工件的形状和尺寸发生变化使工件的形状和尺寸发生变化 (3)(3)降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性 3.3 3.3 塑性变形金属在加热时组织和性能变化塑性变形金属在加热时组织和性能变化 3.3.1回复回复 T加T再，变形金属会发生，变形金属会发生回复。变形金属的晶粒形态基本回复。变形金属的晶粒形态基本不，性能略有变化（改善）。不，性能略有变化（改善）。利用回复对变形金属进行去利用回复对变形金属进行去应力退火，以降低残余应力，保应力退火，以降低残余应力，保留加工硬化效果。留加工硬化效果。3.3.2再结晶再结晶 T T加TT再，被被拉拉长长及及破破碎碎的的晶晶
11、粒粒通通过过重重新新生生核核、长长大大，变变成成新新的的均均匀匀、细细小小的的等等轴轴晶晶粒粒。强强度度和和硬硬度度明明显显降降低低，塑塑性性和和韧韧性性大大大大提提高高，加加工工硬硬化化现现象象被消除。被消除。再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素 再再结结晶晶不不是是一一个个恒恒温温过过程程，而而是是发发生生在在一一个个温温度度范范围围之之内内。能能够够进进行行再再结结晶晶的的最最低低温温度度称称为为再结晶温度。再结晶温度。纯纯金金属属的的再再结结晶晶温温度度与与该该金金属的熔点有如下关系：属的熔点有如下关系：金属的预先变形程度金属的预先变形程度。金属的纯度。金属的纯度。加热速度。加
12、热速度。3.3.3 3.3.3 晶粒长大晶粒长大 再再结结晶晶后后晶晶粒粒的的长长大大受受以以下几个因素的影响：下几个因素的影响：1.1.加热温度和时间的影响加热温度和时间的影响 加加热热温温度度越越高高，时时间间越越长长，晶粒便越大。晶粒便越大。2.2.预先变形程度的影响预先变形程度的影响 当变形度达到当变形度达到2%2%10%10%时，时，形成的再结晶晶核少，从而造形成的再结晶晶核少，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。晶粒的变形度称为临界变形度。3.3.4 3.3.4 冷加工和热加工冷加工和热加
13、工 凡凡在在金金属属的的再再结结晶晶温温度度以以下下进进行行的的塑塑性性变变形形称称为为冷冷加加工工；而而在在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。1 1）热加工提高了金属的致密度，明显改善材料的塑性和韧性。）热加工提高了金属的致密度，明显改善材料的塑性和韧性。2 2）热热加加工工可可获获得得细细小小均均匀匀、等等轴轴的的再再结结晶晶晶晶粒粒，从从而而使使金金属属的的力学性能全面提高。力学性能全面提高。热加工可使各种可热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形变形的夹杂物会沿变形方向拉长呈流线分布，方向拉长呈流线分布，也称纤维组织。热加工也称纤维组织。热加工
14、时应力求使流线合理分时应力求使流线合理分布。纤维组织不能用热布。纤维组织不能用热处理方法消除处理方法消除.金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用3.4塑性加工性能及影响因素塑性加工性能及影响因素(3)应力状态的影响应力状态的影响塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标金属材料通过塑性加工获得优质金属材料通过塑性加工获得优质零件毛坯的难易程度。零件毛坯的难易程度。塑性塑性、变形抗力、变形抗力，塑性加工性，塑性加工性能能。塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素1.金属的本质金属的本质(1)化学成分的影响化学成分的影响(2)金属组织的影响金属组织的影响2.加工条件加工条件(1)变形温度的影响 挤压时金属应力状态挤压时金属应力状态拉拔时金属应力状态拉拔时金属应力状态(2)变形速度的影响变形速度的影响变形速度较小变形速度较小,热效应小热效应小,以以强化为主强化为主,塑性加工性能变差塑性加工性能变差;变形速度较大变形速度较大,热效应起主导热效应起主导作用作用,塑性加工性能变好塑性加工性能变好.(3)应力状态的影响应力状态的影响压应力的数目越多压应力的数目越多,金属的金属的塑性越好。塑性越好。