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1、第三章金属材料的塑性变形本讲稿第一页，共十七页 3.1 3.1 单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形 3.1.1 3.1.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形有两种单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。即滑移和孪生。1.1.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分发发生生的的滑滑动动。当当对对一一单单晶晶体体试试样样进进行行拉拉伸伸时时，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垂垂直直于于该该晶晶
2、面面的的正正应应力力（）及及平平行行于于该该晶晶面面的的切切应应力力（）。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。滑滑移移的结果会在晶体的表面留下滑移痕迹，称为滑移带。的结果会在晶体的表面留下滑移痕迹，称为滑移带。1.2.1.2.本讲稿第二页，共十七页 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原子滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）上密度最大的晶向（密排方向）进行。进行。
3、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为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。滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面趋向与滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。拉伸轴平行。本讲稿第三页，共十七页 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）和晶向（挛晶方向）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
4、生的切变称为孪生。相对于另一部分所发生的切变称为孪生。孪生与滑移的区别是：孪生与滑移的区别是：1 1）孪孪生生所所需需要要的的临临界界切切应应力力比比滑滑移移大大得得多多，变变形形速速度度极极快快，接接近近于于声速。声速。2 2）孪孪生生通通过过晶晶格格切切变变使使晶晶格格位位向向改改变变，发发生生切切变变、位位向向改改变变的的这这一一部部分分晶体称为孪晶带或孪晶。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，而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移是原子间距的整数倍。而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移是原
5、子间距的整数倍。本讲稿第四页，共十七页 3.1.2 3.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 1.1.不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程 在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶粒的滑移在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶粒的滑移系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不同晶粒滑移系上的分切系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不同晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先开始滑移，有些晶粒所受到的分应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先开始滑移，有些晶粒所受到的分切应力最小，最难发生滑移，由此可见，多晶体金属的塑性变形
6、将会在不同晶切应力最小，最难发生滑移，由此可见，多晶体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。粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。本讲稿第五页，共十七页 2.2.晶粒取向对塑性变形的影响晶粒取向对塑性变形的影响 在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶粒在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生弹性发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生弹性变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行。
7、进行。3.3.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细，同同体体积积的的晶晶界界越越多多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。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
8、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，表表现现出出塑塑性性的的提高。提高。因此，细晶强化是金属的一种很重要的强因此，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。韧化手段。本讲稿第六页，共十七页 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、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化硬化，也称，也称形变强化。形变强化。使金属的性能产生各向异性。使金属的性能产生各向异性。影影响响金金属属的的物物理理、化化学学性性
9、能能 金金属属经经塑塑性性变变形后，使电阻增大，耐蚀性降低。形后，使电阻增大，耐蚀性降低。3.2 3.2 金属的形变强化金属的形变强化金属的形变强化金属的形变强化本讲稿第七页，共十七页 （三）塑性变形对金属组织与性能的影响（三）塑性变形对金属组织与性能的影响 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，随着变形量的增加晶粒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。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量
10、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。金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。本讲稿第八页，共十七页 亚结构形成亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。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 由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程
11、度（定程度（70%70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一以上）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。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，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，称为织构。称为织构。本讲稿第九页，共十七页残余应力残余应力残余应力残余应力: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
12、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微观内微观内微观内应力应力应力应力；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应力晶格畸变内应力晶格畸变内应力晶格畸变内应力。3.2.3 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残余应力的危害残余应力的危害:(1)(1)(
13、1)(1)降低工件的承载能力降低工件的承载能力降低工件的承载能力降低工件的承载能力 (2)(2)(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)(3)(3)降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性本讲稿第十页，共十七页 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 对变形后的金属在对变形后的金属在较低温度下进行加热，较低温度下进行加热，会发生回复。回复不能会发生回复。回复不能使金属的晶粒大小和形使金属的晶粒大小和形态发生明显的变
14、化，故态发生明显的变化，故金属的强度和硬度只略金属的强度和硬度只略有降低，塑性略有升高有降低，塑性略有升高。工业上常利用回复过。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应程对变形金属进行去应力退火，以降低残余应力退火，以降低残余应力，保留加工硬化效果力，保留加工硬化效果。本讲稿第十一页，共十七页 3.3.2 再结晶再结晶 1.1.再结晶再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，变成新的均状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，变成新的均匀、细小的
15、等轴晶粒。这个过程称为再结晶。变形金属发生再结晶后，其匀、细小的等轴晶粒。这个过程称为再结晶。变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。2.2.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再结结晶晶温温度度。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属的的熔熔点点有如下关系：有如下关系：式中的温度单位为绝对温度（式中的温度单位为
16、绝对温度（K K）。金属的熔点越高，其再结晶温度也越高。）。金属的熔点越高，其再结晶温度也越高。本讲稿第十二页，共十七页 影响再结晶温度的主要因素有以下几点：影响再结晶温度的主要因素有以下几点：金金属属的的预预先先变变形形程程度度，金金属属的的预预先先变变形形程程度度越越大大，其其晶晶体体缺缺陷陷就就越越多多，组组织织越越不不稳稳定定，因因而而再再结结晶晶温温度度便便越越低低。当当预预先先变变形形程程度度达达到到一一定定数数值值之之后后，再结晶温度趋于定值。再结晶温度趋于定值。金金属属的的纯纯度度 金金属属中中存存在在的的微微量量杂杂质质和和合合金金元元素素，特特别别是是那那些些高高熔熔点点元
17、元素素，常常会阻碍原子的扩散和迁移，可显著提高金属的再结晶温度。常常会阻碍原子的扩散和迁移，可显著提高金属的再结晶温度。加热速度和保温时间加热速度和保温时间 提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。本讲稿第十三页，共十七页 （三）晶粒长大（三）晶粒长大 再结晶后晶粒的长大受以下几个因素的影响：再结晶后晶粒的长大受以下几个因素的影响：1.1.加热温度和时间的影响加热温度和时间的影响 加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。2.2.预先变形程度
18、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，金属中变形极不均时，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。形度。本讲稿第十四页，共十七页 3.3.4 3.3.4 冷加工和热加工冷加工和热加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；而而在在再再结结晶晶温温度度以
19、以上上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。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力学学性性能能全全面提高。面提高。热加工可使各种可变形热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长的夹杂物会沿变形方向拉长呈流线分布，也称纤维组织。呈流线分布，也称纤维组织。热加工时应力求使流线合理热加工时应力求使流线合理分布。纤维组织不能用热处分布。纤维组织不
20、能用热处理方法消除理方法消除.3.3.53.3.53.3.53.3.5金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用本讲稿第十五页，共十七页进入下一节进入下一节进入下一节进入下一节3.4 3.4 塑性加工性能及影响因素塑性加工性能及影响因素塑性加工性能及影响因素塑性加工性能及影响因素 (3)(3)应力状态的影响应力状态的影响应力状态的影响应力状态的影响3.4.13.4.1塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标 塑性、变形抗力塑性、变形抗力塑性、变形抗力塑性、变形抗力3.4.23.4.2塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素 1.1.金属的本质金属的本质金属的本质金属的本质 (1)(1)化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响 (2)(2)金属组织的影响金属组织的影响金属组织的影响金属组织的影响 2.2.加工条件加工条件加工条件加工条件 (1)(1)变形温度的影响变形温度的影响 (2)(2)变形速度的影响变形速度的影响 (3)(3)应力状态的影响应力状态的影响本讲稿第十六页，共十七页 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本讲稿第十七页，共十七页