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1、 第第6 6章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形1第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形n一、滑移变形的概念n二、滑移与切应力n三、滑移与位错的运动2第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形一、滑移变形的概念不可恢复；滑移线不均匀3一、滑移变形的概念第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形4 在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的
2、晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。阶。第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形滑移与晶体结构的关系 滑移滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面的晶面(滑移面滑移面)的一定方向的一定方向(滑移方向滑移方向)相对于晶体相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。的另一部分发生的相对滑动。o滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；晶面；o滑移滑动的方向称为滑移
3、方向，通常也为晶体的最滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；密排方向；o一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为滑移的方式称为“滑移系滑移系”。5滑移与晶体结构的关系 第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形6第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形典型晶格的滑移系7二、滑移与切应力 第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形8滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为：称为称为施密特定律施密特定律，c c是一常数，但是一常数，但材料的屈服强度材料的屈服强度s s则随拉力轴相对则
4、随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异性。材料存在各向异性。第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形二、滑移与切应力910n三、滑移与位错的运动 第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形11 大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。三、滑移与位错的运动 第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形12 对应于位错运动，在滑对应于位错运动，在滑移的过程中，只需要位错中移的过
5、程中，只需要位错中心上面的两列原子（实际为心上面的两列原子（实际为两个半原子面两个半原子面）向右作微量向右作微量的位移，位错中心下面的一的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的位移，列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个原子位错中心便会发生一个原子间距的右移。由此可见，通间距的右移。由此可见，通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便远远小于
6、整体刚性滑移。临界切应力便远远小于整体刚性滑移。说明：说明：第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形131.1.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。2.2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。应力最小。3.3.滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方滑移时晶体的一部分相
7、对于另一部分沿滑移方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。在晶体的表面上造成台阶。4.4.滑移的同时必然伴随有晶体的转动。滑移的同时必然伴随有晶体的转动。三、滑移与位错的运动 第第1节节 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形1415n一、多晶体的塑性变形特点一、多晶体的塑性变形特点n1.1.不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程n2.2.晶粒间位向差阻碍滑移晶粒间位向差阻碍滑移n3.3.晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动n二、塑性变形对金属的影响二、塑性变形对金属的影响n1.1.对组织结构的影响对组织结构的影响n2.2.对力
8、学性能的影响对力学性能的影响 第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形16 第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n一、多晶体的塑性变形特点一、多晶体的塑性变形特点n1.1.不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。受的分切应力便不同。施密特因子较大施密特因子较大(接近接近1/2)1/2
9、)，分切应力较大的必将分切应力较大的必将首先发生滑移变形首先发生滑移变形，通常称这，通常称这种位向的晶粒为处于种位向的晶粒为处于“软位向软位向”；而滑移面或滑移；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小因子较小(接近接近0)0)的晶粒则处于的晶粒则处于“硬位向硬位向”，它们所，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均的塑性变形将会在不同晶粒中
10、逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。匀的塑性变形过程。17n一、多晶体的塑性变形特点一、多晶体的塑性变形特点n2.2.晶粒间位向差阻碍滑移晶粒间位向差阻碍滑移 第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。，晶界两边的变形需要达到互相协调。为了达到这种协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发生运动，即以为了达到这种协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发生运动，即以滑移方式产生塑性变形效果，需要临近晶粒作
11、出相应的变形。晶界两滑移方式产生塑性变形效果，需要临近晶粒作出相应的变形。晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身晶粒除了要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身晶粒除了变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统同时动作才行。所以晶粒变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统同时动作才行。所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍作用，增加了滑移要求的外力。的取向不同对滑移起到阻碍作用，增加了滑移要求的外力。18n一、多晶体的塑性变形特点一、多晶体的塑性变形特点
12、第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形3.3.晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动 当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形，可见错运动的阻力较大，难以发生变形，可见晶界的存在可以晶界的存在可以提高材料的强度
13、提高材料的强度。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：晶粒大小有以下关系：式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个晶界影响的普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。19第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n二、塑性变形对金属的影响二、塑性变形对金属的影响n1.1.对组织结构的影响对组织结构的影响n（1 1）显微组织呈现纤维状）显微组织呈现纤维状 性能不一致性能不一致20第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n二、塑性变形对金属的影响二、塑性
14、变形对金属的影响n1.1.对组织结构的影响对组织结构的影响n（2 2）组织内的亚晶粒增多）组织内的亚晶粒增多变形很小时，位错分布均匀；变形很小时，位错分布均匀；大量变形后，位错的运动和交大量变形后，位错的运动和交互作用使位错分布变得不均匀；互作用使位错分布变得不均匀；21第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n二、塑性变形对金属的影响二、塑性变形对金属的影响n1.1.对组织结构的影响对组织结构的影响n（3 3）产生形变织构）产生形变织构塑变过程中晶粒的塑变过程中晶粒的转动，使大部分晶转动，使大部分晶粒的位向与外力趋粒的位向与外力趋于一致，形成织构于一致，形成织构现象。各向异性，制
15、耳现象。各向异性，制耳22第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n二、塑性变形对金属的影响二、塑性变形对金属的影响n2.2.对力学性能的影响对力学性能的影响n（1 1）出现加工硬化）出现加工硬化106108cm-223第第2节节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形n二、塑性变形对金属的影响二、塑性变形对金属的影响n2.2.对力学性能的影响对力学性能的影响n（2 2）金属内部形成残余应力）金属内部形成残余应力n第一类内应力第一类内应力-存在的范围以物体尺寸比量；存在的范围以物体尺寸比量；n第二类内应力第二类内应力-存在的范围以晶粒尺寸比量；存在的范围以晶粒尺寸比量；n第三类内
16、应力第三类内应力-存在的范围以晶格尺寸比量存在的范围以晶格尺寸比量；24第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化 塑变造成晶格畸变，晶粒破塑变造成晶格畸变，晶粒破碎碎 内应力内应力 ，能量升高，能量升高 对冷变形的塑性材料进行对冷变形的塑性材料进行重新加热，随着加热的温度重新加热，随着加热的温度和保温时的不同，发生的变和保温时的不同，发生的变化大致可以分为三个阶段：化大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒的长大，回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性力、晶粒尺寸、强度、塑性
17、等性能也发生对应变化。等性能也发生对应变化。0.引言25第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化n一、回复 所谓回复，即在加热温度较低时，仅所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在温度在0.4T0.4Tm m以下。以下。回复的组织性能变化回复的组织性能变化1.1.宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；2.2.物理性能，如电阻率，有明显降低，有物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；的可基
18、本回到未变形前的水平；3.3.力学性能，如硬度和流变应力，觉察不力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；到有明显的变化；4.4.光学金相组织看不出任何变化，温度较光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可见到晶高发生回复，在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化。粒内部组织的变化。26第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化二、再结晶1.1.基本过程基本过程 经过塑性变形后的金属材料在加热到较经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时高温度时(一般大于一般大于0.4Tm)，可以发生晶粒的，可以发生晶粒的重新改组。同结晶过程类似，首先在材料中重新改组。同结
19、晶过程类似，首先在材料中变形严重，即位错或其他缺陷集中处，形成变形严重，即位错或其他缺陷集中处，形成新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大，过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大，称为称为再结晶再结晶。2.2.结果结果 材料发生了再结晶后，由于全部用新生材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料
20、经过再结晶后，由冷塑性变形带来所以材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失，的所有性能变化就全部消失，材料的组织发材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。27第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化二、再结晶3.3.特点特点1.1.再结晶过程不是相变再结晶过程不是相变，尽管冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和，尽管冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，晶核长大来进行，但变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。因此它们是
21、属于同一个相。2.2.再结晶没有确定的转变温度再结晶没有确定的转变温度，再结晶是在温度达到一定程度后，原子活，再结晶是在温度达到一定程度后，原子活动能力增强动能力增强,发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没有固定温度，但有一温度下限，这个温度称为有固定温度，但有一温度下限，这个温度称为再结晶开始温度再结晶开始温度。决定再结晶温度的因素有：决定再结晶温度的因素有：1)1)材料冷变形程度愈大，材料冷变形程度愈大，再结晶开始温度愈低；再结晶开始温度愈低；2)2)熔点高、杂质原子多熔点高、杂质原子多(纯度低），纯度低），再结晶开始温度愈高；
22、再结晶开始温度愈高；3)3)延长加热的保温时间可以在较低温度下达到同样效果。延长加热的保温时间可以在较低温度下达到同样效果。对于工程用金属材料，经验表明一般再结晶温度可用对于工程用金属材料，经验表明一般再结晶温度可用0.4T0.4TM M来估计。来估计。28第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化n三、晶粒长大1.1.长大动力长大动力再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但潜伏着长大的趋势，因为晶粒长大后，晶但潜伏着长大的趋势，因为晶粒长大后，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就减小。所以只要条件满足
23、，晶粒就会自行就减小。所以只要条件满足，晶粒就会自行长大。长大。2.2.晶粒的正常长大晶粒的正常长大在长大过程中，所有能长大晶粒都处在大致相同在长大过程中，所有能长大晶粒都处在大致相同的环境，长大后的晶粒大小分布统计结果相同，的环境，长大后的晶粒大小分布统计结果相同，所以把这种晶粒的均匀长大称为正常长大。长大所以把这种晶粒的均匀长大称为正常长大。长大方式以大吃小的兼并方式进行。晶粒长大的最终方式以大吃小的兼并方式进行。晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大。结果是材料的晶粒平均尺寸变大。3.3.晶粒的非正常长大晶粒的非正常长大在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如在长大过程中，一般晶粒
24、在正常缓慢长大时，如果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。常长大。29晶粒非正常长大图片晶粒非正常长大图片 第第3节节 变形后金属的加热变化变形后金属的加热变化30第第4节节 金属的热塑性变形金属的热塑性变形n一、热加工与冷加工的区分n冷加工再结晶温度以下，晶粒变形，位错增加，导致加工硬化。n热加工-再结晶温度以上，再结晶和加工硬化两个过程同时发生，再结晶使加工硬化现象消失。31第第4节节 金属的热塑性变形金属的热塑性变形n二、热加工对金属组织与性能的影响1
25、.消除铸态金属中的缺陷 粗晶、缩松、气泡、微小裂纹2.形成热加工流线 各向异性的性能32第第4节节 金属的热塑性变形金属的热塑性变形n三、材料塑性变形抗力的提高 强度ss、刚度的要求；常用的材料强化的方法：1.细化晶粒 2.形成固溶体 3.形成第二相 4.采用冷加工变形33晶界强化34本章完本章完35第三节第三节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形三、三、塑性变形过程塑性变形过程局部不均匀性：局部不均匀性：在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶粒中不
26、同滑移面和滑移方在在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。向上所受的分切应力便不同。施密特因子较大施密特因子较大(接近接近1/2)1/2)，分切应力较大的必将，分切应力较大的必将首先发生滑移变形首先发生滑移变形，通常称，通常称这种位向的晶粒为处于这种位向的晶粒为处于“软位向软位向”；而滑移面或滑移方；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小小(接近接近0)0)的晶粒则处于的晶粒则处于“硬位向硬位向”，它们所受的分切，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金应力将较小，
27、较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。36整体的均匀化整体的均匀化：多晶体材料在外力作用下，当首批多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆变形相适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随着外
28、力增大至应力集中达到一定程度，形变才积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。另外，随着滑移会越过晶界，传递到另一批晶粒中。另外，随着滑移的发生，晶粒的位向同时也在发生转动，有的晶粒的的发生，晶粒的位向同时也在发生转动，有的晶粒的位向在硬化，有的晶粒的位向在软化，软位向的晶粒位向在硬化，有的晶粒的位向在软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形总是一批一开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。变形过程要比单晶体中复杂得多。第三节第三节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形三、三、塑性变形过程塑性变形过程373839