金属的塑性变形原理解析

1、第六章第六章 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶 金属的塑性变形原理解析 金属的压力加工金属的压力加工 （轧制、锻造、（轧制、锻造、 挤压、拉拔、冲挤压、拉拔、冲 压）压） 改变外形尺寸改变外形尺寸 优化组织结构优化组织结构 提高使用性能提高使用性能 塑性变形不仅能改变金属材料的塑性变形不仅能改变金属材料的外形和尺寸外形和尺寸，而，而 且还会引起其且还会引起其组织和性能组织和性能的变化。的变化。 经塑性变形的金属处于热力学上不稳定的状态，经塑性变形的金属处于热力学上不稳定的状态， 如果升高温度使原子获得足够的活动能力，它将自发如果升高温度使原子获得足够的活动能力，它将自发 地恢复到稳

2、定状态。地恢复到稳定状态。 金属的塑性变形原理解析 6.1 6.1 金属的变形特性金属的变形特性 金属在外力（载荷）的作用下，首先发生弹性变形，载金属在外力（载荷）的作用下，首先发生弹性变形，载 荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，同时还发生塑荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，同时还发生塑 性变形，即弹塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐性变形，即弹塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐 渐增大，直至金属发生断裂。渐增大，直至金属发生断裂。 在工程应用中，应力和应变按下式计算：在工程应用中，应力和应变按下式计算： 应力应力 =P/A=P/A0 0， 应变应变 =（L-LL-L0 0）/

3、L/L0 0， 式中，式中，P P为载荷；为载荷；A A0 0为试样的原始截面积；为试样的原始截面积；L L0 0为试样的原始标为试样的原始标 距长度；距长度；L L为试样变形后的长度。为试样变形后的长度。 金属的塑性变形原理解析 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 强度指标强度指标 e e为材料的 为材料的弹性弹性 极限极限，它表示，它表示材料保持材料保持 完全弹性变形时的最大完全弹性变形时的最大 应力应力。 s s材料的材料的屈屈 服极限服极限或或屈服点屈服点， 表示表示金属开始产生屈服金属开始产生屈服 现象时的应力现象时的应力。对于无。对于无 明显屈服的金属材料，明显屈服的金属材料， 规定

4、以产生规定以产生0.2%0.2%残余残余 变形的应力值为其屈服变形的应力值为其屈服 极限，称为极限，称为条件屈服条件屈服 极限极限或屈服强度，用或屈服强度，用 0.2 0.2表示。 表示。 拉 伸 曲 线拉 伸 曲 线 的最高点所代的最高点所代 表的应力，定表的应力，定 义为金属的义为金属的抗抗 拉 强 度拉 强 度， 以， 以 b b表示。表示。 1. 1. 应力应变曲线应力应变曲线 金属的塑性变形原理解析 试样断裂后标距长度伸长量与原始标距长度的百分比试样断裂后标距长度伸长量与原始标距长度的百分比 称延伸率。即称延伸率。即 =（L Lk k-L -L0 0）/L/L0 0100%100%

5、试样的原始截面面积和断裂时的截面面积之差与原始试样的原始截面面积和断裂时的截面面积之差与原始 横截面面积的百分比称断面收缩率。横截面面积的百分比称断面收缩率。 即即 =(A=(A0 0-A-Ak k)/ A)/ A0 0100%100% 塑性指标塑性指标 金属的塑性变形原理解析 不同类型的工程应力应变曲线不同类型的工程应力应变曲线 没有明显的没有明显的 屈服平台屈服平台 （铝、铜及其合（铝、铜及其合 金，经过热处理金，经过热处理 的钢材）的钢材） 在断裂前虽然也在断裂前虽然也 产生一定量的塑性变产生一定量的塑性变 形，但不形成颈缩形，但不形成颈缩 （铝青铜和某些奥氏（铝青铜和某些奥氏 体钢）体

6、钢） 在拉伸时几乎在拉伸时几乎 没有明显的塑性变没有明显的塑性变 形就发生断裂形就发生断裂 （淬火状态下的中（淬火状态下的中 、高碳钢，灰口铸、高碳钢，灰口铸 铁等）铁等） 金属的塑性变形原理解析 真应力真应变曲线真应力真应变曲线 真应力真应变曲线真应力真应变曲线不像不像 应力应变曲线那样在载荷达到应力应变曲线那样在载荷达到 最大值后转而下降，而是继续上最大值后转而下降，而是继续上 升直至断裂，这说明升直至断裂，这说明金属在塑金属在塑 性变形过程中不断地发生加性变形过程中不断地发生加 工硬化工硬化，从而外加应力必须不断，从而外加应力必须不断 增高，才能使变形继续进行，即增高，才能使变形继续进行

7、，即 是在出现颈缩之后，颈缩处的真是在出现颈缩之后，颈缩处的真 实应力仍在升高，这就排除了应实应力仍在升高，这就排除了应 力应变曲线中应力下降的假象力应变曲线中应力下降的假象 。 应力应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算的，事实上应力应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算的，事实上 ，在拉伸过程中，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化试样的尺寸是在不断变化的。的。 此时的此时的真应力真应力S S应该是瞬时载荷应该是瞬时载荷P P处以试样的瞬时截面积处以试样的瞬时截面积A A，即：，即：S=P/AS=P/A 真实应变真实应变e e应该是瞬时伸长量除以瞬时长度：应该是瞬时伸长量

8、除以瞬时长度：de=dL/Lde=dL/L 金属的塑性变形原理解析 在弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系，即服从虎克定律：在弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系，即服从虎克定律： = E = E 或或 = G= G 式中，式中， 为正应力，为正应力，为切应力，为切应力， 、分别为正应变和切应变，比例常数分别为正应变和切应变，比例常数 E E 称为称为正弹性模量正弹性模量或杨氏模量，或杨氏模量，GG为为切弹性模量切弹性模量。 上式可改写为：上式可改写为： E =/ E =/ 或或 G=G=/ 弹性模量弹性模量E E、GG是表征是表征金属材料对弹性变形的抗力金属材料对弹性变形的抗力。工程上常称为零。

9、工程上常称为零 件或构件的件或构件的刚度刚度。在其它条件相同时，金属的弹性模量越高，则制成的。在其它条件相同时，金属的弹性模量越高，则制成的 零件或构件的刚度越高。零件或构件的刚度越高。 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，它取决于原子间结金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，它取决于原子间结 合力的大小，其数值只与金属的本性、晶体结构、晶格常数等有关，而金合力的大小，其数值只与金属的本性、晶体结构、晶格常数等有关，而金 属材料的合金化、加工过程及热处理对它的影响很小。属材料的合金化、加工过程及热处理对它的影响很小。 单晶体的弹性模量是有方向性的，而多晶体由于晶粒取向是任意的，单

10、晶体的弹性模量是有方向性的，而多晶体由于晶粒取向是任意的， 所以表现出所以表现出伪各向同性伪各向同性。 虎克定律与弹性模量虎克定律与弹性模量 3. 3. 金属的弹性变形金属的弹性变形 金属的塑性变形原理解析 金金 属属 类类 别别 E / MPaE / MPaG / MPaG / MPa 单单 晶晶 体体 多多 晶晶 体体 单单 晶晶 体体 多多 晶晶 体体 最最 大大 值值最最 小小 值值最最 大大 值值最最 小小 值值 铝铝 铜铜 金金 银银 铅铅 铁铁 钨钨 镁镁 锌锌 钛钛 铍铍 镍镍 76100 76100 191100191100 116700116700 115100115100

11、 38600 38600 272700272700 384500384500 50600 50600 123500123500 63700 63700 66700 66700 42900 42900 43000 43000 13400 13400 125000125000 384600384600 42900 42900 34900 34900 70300 70300 129800129800 78000 78000 82700 82700 18000 18000 211400211400 411000411000 44700 44700 100700100700 115700115700 2

12、60000260000 199500199500 28400 28400 75400 75400 42000 42000 437000437000 14400 14400 115800115800 151400151400 18200 18200 48700 48700 2450024500 3060030600 1880018800 1930019300 4900 4900 5990059900 151400151400 16700 16700 27300 27300 26100 26100 48300 48300 27000 27000 30300 30300 6180 6180 8160

13、0 81600 160600160600 17300 17300 39400 39400 43800 43800 76000 76000 一些金属材料的弹性模量（室温）一些金属材料的弹性模量（室温） 金属的塑性变形原理解析 从双原子模型可以看出弹性变形的实质。从双原子模型可以看出弹性变形的实质。 当未加外力时当未加外力时，晶体内部的原子，晶体内部的原子处于平处于平 衡位置衡位置，它们之间的相互作用力为零，此时，它们之间的相互作用力为零，此时 原子间的作用能也最低。原子间的作用能也最低。 当当金属受到外力后金属受到外力后，其内部原子，其内部原子偏离平偏离平 衡位置衡位置，由于所加外力未超过原子间

14、的结合，由于所加外力未超过原子间的结合 力，所以外力与原子间结合力暂时处于平衡。力，所以外力与原子间结合力暂时处于平衡。 当当外力去除后外力去除后，在原子间结合力的作用下，在原子间结合力的作用下 ，原子立即，原子立即恢复到原来的平衡位置恢复到原来的平衡位置，宏观，宏观 上金属晶体在外力作用下产生的变形便完全消上金属晶体在外力作用下产生的变形便完全消 失，这样的变形就是弹性变形。失，这样的变形就是弹性变形。 金属弹性变形的实质金属弹性变形的实质就是就是金属的晶格结构在外力的作用下金属的晶格结构在外力的作用下 产生的弹性畸变产生的弹性畸变。 金属的塑性变形原理解析 6.2单晶体单晶体的塑性变形的塑

15、性变形 晶体的塑性变形是晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶体的一部分相对于另一部分沿着某些 晶面和晶向相对滑动的结果晶面和晶向相对滑动的结果，这种变形方式称为，这种变形方式称为滑移滑移。 滑移带与滑移线滑移带与滑移线 金属单晶体试样在拉伸以后，在抛光的试样表面上出现许多相互平金属单晶体试样在拉伸以后，在抛光的试样表面上出现许多相互平 行的线条，这些线条称为行的线条，这些线条称为滑移带滑移带。经高分辨的电子显微镜分析表明，。经高分辨的电子显微镜分析表明， 每条滑移带实际上是由一族相互平行的细线即每条滑移带实际上是由一族相互平行的细线即滑移线滑移线组成。组成。 滑移线实际上是经塑

16、性变形后在试样表面上产生的一个个小台阶。滑移线实际上是经塑性变形后在试样表面上产生的一个个小台阶。 金属的塑性变形原理解析 金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的，这些金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的，这些 晶面称为晶面称为滑移面滑移面，晶向称为，晶向称为滑移方向滑移方向。滑移面通常是金属晶体中原。滑移面通常是金属晶体中原 子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。 一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来，组成一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系滑移系。 滑移系表示金属晶体

17、在发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向。其它滑移系表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向。其它 条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可采取的空间位向越条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可采取的空间位向越 多，该金属的塑性越好。多，该金属的塑性越好。 bccbcc 110110111111 6 62 21212 fccfcc 111111110110 6 62 21212 hcphcp 00010001 1 13 33 3 2011 金属的塑性变形原理解析 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在晶体的滑移是在切应力切应力的作用下进行的。但晶体受力时并非

18、所有的作用下进行的。但晶体受力时并非所有 的滑移系都同时参与滑移。而是只有当外力在某一滑移系中的分切应力的滑移系都同时参与滑移。而是只有当外力在某一滑移系中的分切应力 首先达到一定的临界值时，这一滑移系才开动，晶体开始滑移。首先达到一定的临界值时，这一滑移系才开动，晶体开始滑移。 使滑移系开动的最小分切应力称为使滑移系开动的最小分切应力称为滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力，以，以 表示。表示。 k 计算方法：计算方法： 设圆柱形金属单晶体试样的横截面设圆柱形金属单晶体试样的横截面 积为积为A A，受到轴向拉力，受到轴向拉力 F F 的作用。的作用。 F F 与滑移方向的夹角为与滑移方向的夹

19、角为 ，则，则 F F 在在 滑移方向上的滑移方向上的分力为分力为 FcosFcos； F F 与滑移面法线的夹角为与滑移面法线的夹角为 ，则滑，则滑 移面的移面的面积为面积为 A/cosA/cos。 金属的塑性变形原理解析 所以，外力所以，外力 F F 在滑移方向上的分切应力为在滑移方向上的分切应力为 式中，式中，F/A F/A 为试样拉伸时横截面上的正应力，当滑移系中的分切为试样拉伸时横截面上的正应力，当滑移系中的分切 应力达到其临界值时，晶体开始滑移，这时在宏观上晶体开始出应力达到其临界值时，晶体开始滑移，这时在宏观上晶体开始出 现屈服现象，即现屈服现象，即 F/A=F/A=S S，可得

20、，可得 或或 coscos s coscos cos/ cos A F A F cos/cos ks 临界分切应力临界分切应力 K K的数值取决于的数值取决于金属的本性、金属的纯度、实金属的本性、金属的纯度、实 验温度与加载速度验温度与加载速度，而与外力的大小、方向及作用方式无关。，而与外力的大小、方向及作用方式无关。 金属的塑性变形原理解析 coscoscoscos称为称为取向因子取向因子，单晶体的屈服强度，单晶体的屈服强度 S S将随外力与滑移面将随外力与滑移面 和滑移方向之间的位向关系而变，即取向因子发生变化时，和滑移方向之间的位向关系而变，即取向因子发生变化时， S S也要改变。也要改

21、变。 当当外力与滑移面、滑移方向的夹角外力与滑移面、滑移方向的夹角 都是都是45时，取向因子有最大值，为时，取向因子有最大值，为 0.5，此时分切应力最大，此时分切应力最大，S有最低有最低 值值，金属最容易滑移，并表现出最大的，金属最容易滑移，并表现出最大的 塑性，此取向称为塑性，此取向称为软取向软取向； 而而当外力与滑移面当外力与滑移面平行平行（=90 ）或或垂直垂直（=90）时，取向因子为）时，取向因子为 零，则无论零，则无论K的数值如何，的数值如何，S均为无均为无 穷大穷大，晶体在此情况下不产生滑移，晶体在此情况下不产生滑移， 直至断裂，这种取向称为直至断裂，这种取向称为硬取向硬取向。

22、金属的塑性变形原理解析 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 当晶体在当晶体在 F F力的作用下力的作用下 发生滑移时，假如滑移面发生滑移时，假如滑移面 和滑移方向保持不变，拉和滑移方向保持不变，拉 伸轴的取向必然不断发生伸轴的取向必然不断发生 变化。变化。 实际上由于夹头固定实际上由于夹头固定 不动，为了保持拉伸轴的不动，为了保持拉伸轴的 方向固定不动，因此单晶方向固定不动，因此单晶 体的取向必须相应地转动。体的取向必须相应地转动。 金属的塑性变形原理解析 B B层上的作用点层上的作用点OO1 1和和OO2 2同轴，滑移后同轴，滑移后A A、B B、 CC层沿滑移面和滑移方向相对移动，使层沿滑移

23、面和滑移方向相对移动，使 OO1 1 OO1 1， OO2 2 O O2 2。 将将 1 1分解为分解为 n1 n1、 、 1 1， 2 2分解为分解为 n2 n2、 、 2 2。 滑移面法线方向的滑移面法线方向的正应力正应力 n1 n1- - n2 n2组成力 组成力 偶，使偶，使滑移面转向与外力方向平行滑移面转向与外力方向平行。 如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改 变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的 分切应力分切应力和垂直于滑移

24、面的和垂直于滑移面的分正应力分正应力。 金属的塑性变形原理解析 将最大切应力方向的力将最大切应力方向的力 1 1分解为平行滑移方向的分解为平行滑移方向的 1 1和垂直和垂直 滑移方向的滑移方向的 b b、 2 2分解为分解为 2 2b b。 垂直于滑移方向的垂直于滑移方向的分切应力分切应力 b b和和 b b组成力偶，使组成力偶，使B B层以层以 滑移面法线方向为轴，其滑移面法线方向为轴，其滑移方向转向最大切应力方向滑移方向转向最大切应力方向。 通过这两种转动可使金属通过这两种转动可使金属 晶体轴线与外力轴线在整个滑晶体轴线与外力轴线在整个滑 移过程中始终重合，但晶体的移过程中始终重合，但晶体

25、的 空间位向却发生了改变。空间位向却发生了改变。 金属的塑性变形原理解析 对具有多个滑移系的晶体，起始滑移首先在取向最有利的滑移系对具有多个滑移系的晶体，起始滑移首先在取向最有利的滑移系 中进行，但由于晶体转动的结果，其它滑移系中的分切应力也可能达中进行，但由于晶体转动的结果，其它滑移系中的分切应力也可能达 到临界分切应力值。到临界分切应力值。 奥氏体钢中的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带 多系滑移多系滑移 滑移过程将在两个或多个滑滑移过程将在两个或多个滑 移系中同时或交替进行；如果晶移系中同时或交替进行；如果晶 体的取向合适，滑移一开始就可体的取向合适，滑移一开始就可 能在一个以上的滑移系上

26、同时进能在一个以上的滑移系上同时进 行。行。 这种这种在两个或更多的滑在两个或更多的滑 移系上进行的滑移移系上进行的滑移称为称为多系多系 滑移滑移，简称，简称多滑移多滑移。 金属的塑性变形原理解析 晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的 移动，而是移动，而是通过位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果通过位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。 位错运动与晶体的滑移位错运动与晶体的滑移 晶体滑移时，位错中心的原晶体滑移时，位错中心的原 子逐一递进，由一个平衡位置转子逐一递进，由一个平衡位置转 移到另一个平衡

27、位置。移到另一个平衡位置。位错虽位错虽 然移动了一个原子间距，然移动了一个原子间距， 但只需位错中心附近的少但只需位错中心附近的少 数原子作远小于一个原子数原子作远小于一个原子 间距的弹性偏移。间距的弹性偏移。 这种位错运动只需一个很小这种位错运动只需一个很小 的切应力就能实现，因此实际滑的切应力就能实现，因此实际滑 移的移的 比理论计算低得多。比理论计算低得多。 k 滑移的位错机制 金属的塑性变形原理解析 当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面留下一个原子间距当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面留下一个原子间距 的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如有大量位错重复按此方式滑过晶的滑移台阶，

28、其大小等于柏氏矢量。如有大量位错重复按此方式滑过晶 体，就会在晶体表面形成显微镜下能观察到的滑移痕迹，即滑移线。体，就会在晶体表面形成显微镜下能观察到的滑移痕迹，即滑移线。 金属的塑性变形原理解析 位错的增殖位错的增殖 弗兰克和瑞德提出了位错增殖机制，称为弗兰克和瑞德提出了位错增殖机制，称为弗兰克弗兰克瑞德位错源瑞德位错源。 相交于一个结点的几个位错线段相交于一个结点的几个位错线段 在滑移时不能一致行动，只有位于滑在滑移时不能一致行动，只有位于滑 移面上的位错线才能运动。移面上的位错线才能运动。 当向晶体施加均匀的切应力时，当向晶体施加均匀的切应力时， 则则位错线受到方向与之相垂直的力的位错线

29、受到方向与之相垂直的力的 作用，就要向前运动作用，就要向前运动； 但是，由于但是，由于可移动位错线的两端可移动位错线的两端 的结点是固定不动的，运动的结果使的结点是固定不动的，运动的结果使 位错线由直线变为曲线位错线由直线变为曲线。（。（a a） 位错线各点的受力大小位错线各点的受力大小 相等，运动的方向与其本身相等，运动的方向与其本身 相垂直，因此相垂直，因此位错线上各点位错线上各点 的运动线速度相等的运动线速度相等，角速度，角速度 却因此而产生差异，却因此而产生差异，距结点距结点 越近，角速度越大；结点越越近，角速度越大；结点越 远，角速度越小远，角速度越小。(b)(b) a a b b

30、金属的塑性变形原理解析 当位错线弯当位错线弯 曲到超过半圆之曲到超过半圆之 后，将围绕两结后，将围绕两结 点卷曲过来，形点卷曲过来，形 成位错蜷线成位错蜷线。(c)(c) 当回转蜷线当回转蜷线 相互靠近时，异相互靠近时，异 号位错相遇，进号位错相遇，进 而销毁。而销毁。(d)(d) 蜷线状的位错蜷线状的位错 环分成两个部分，环分成两个部分， 结点之间的曲线段结点之间的曲线段 和四周的位错环。和四周的位错环。 (e)(e) 在线张力的作用下，在线张力的作用下， 结点之间的曲线段伸直，结点之间的曲线段伸直， 还原为原来的位错线段；还原为原来的位错线段； 位错环在线张力的作用继位错环在线张力的作用继

31、 续向外扩展，形成一个圆续向外扩展，形成一个圆 形的环。形的环。 如此往复进行，可从如此往复进行，可从 这种有固定端点的位错线这种有固定端点的位错线 段生出大量的位错环。段生出大量的位错环。(f)(f) c c d d e e f f 金属的塑性变形原理解析 在滑移面上运动的位错与晶体中以不同角度穿过滑移面的位错相在滑移面上运动的位错与晶体中以不同角度穿过滑移面的位错相 交割；在多滑移时，由于各滑移面相交，在不同滑移面上运动着的位交割；在多滑移时，由于各滑移面相交，在不同滑移面上运动着的位 错必然相遇，发生交割。错必然相遇，发生交割。 位错交割的结果都要位错交割的结果都要生成割阶生成割阶，这一

32、方面，这一方面增加了位错线的长增加了位错线的长 度度，另一方面还可能，另一方面还可能形成难以运动的固定割阶形成难以运动的固定割阶，成为后续位错运，成为后续位错运 动的障碍，造成位错缠结。动的障碍，造成位错缠结。 位错的交割位错的交割 金属的塑性变形原理解析 位错的塞积位错的塞积 在切应力的作用下，在切应力的作用下，FR位错位错 源产生的大量位错沿滑移面的运动时，源产生的大量位错沿滑移面的运动时， 如遇到障碍物（固定位错，杂质粒子，如遇到障碍物（固定位错，杂质粒子， 晶界）的阻碍，领先位错在障碍物前晶界）的阻碍，领先位错在障碍物前 被阻止，后续的位错被阻塞起来，形被阻止，后续的位错被阻塞起来，形

33、 成位错的平面成位错的平面塞积塞积群，并在障碍物群，并在障碍物 前端形成高度前端形成高度应力集中应力集中。 塞积群在障碍物前产生的塞积群在障碍物前产生的 应力集中为应力集中为 =n0 0 滑移方向的分切应力；滑移方向的分切应力； n 塞积群中的位错数，与障塞积群中的位错数，与障 碍物至位错源的距离碍物至位错源的距离 L 成成 正比。正比。 所以，所以，L，n，。 金属的塑性变形原理解析 112 2110 111 孪生是孪生是在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的 晶面（孪生面）与晶向（孪生方向）产生的一定角度的均匀切变过程晶面（

34、孪生面）与晶向（孪生方向）产生的一定角度的均匀切变过程。 这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变 化，并与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对称的位向关系。化，并与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对称的位向关系。 孪生孪生 孪生面孪生面 孪生方向孪生方向 bccbcc hcp hcp fccfcc 111 0111 211 金属的塑性变形原理解析 孪生的主要特点：孪生的主要特点： （1 1）孪生也是在）孪生也是在切应力切应力的作用下发生的，但孪生所需的的作用下发生的，但孪生所需的临界切应力临界切应力 远

35、远远远高高于滑移时的临界切应力，因此只有在滑移很难进行的情况下，晶于滑移时的临界切应力，因此只有在滑移很难进行的情况下，晶 体才发生孪生变形。体才发生孪生变形。 密排六方金属滑移系少，在密排六方金属滑移系少，在晶体取向不利于滑移晶体取向不利于滑移时常以孪生方式时常以孪生方式 进行塑性变形；进行塑性变形； 体心立方金属只有在体心立方金属只有在室温以下室温以下和受到和受到冲击冲击时才发生孪生；时才发生孪生； 面心立方的金属面心立方的金属很少发生很少发生孪生变形。孪生变形。 （2 2）孪生）孪生变形速度极快变形速度极快，常产生冲击波，并伴随声响。，常产生冲击波，并伴随声响。 （3 3）孪生本身）孪生

36、本身对晶体塑性变形的直接贡献不大对晶体塑性变形的直接贡献不大。 （4 4）可激发进一步的滑移变形，提高金属的变形能力。由于孪晶的形成）可激发进一步的滑移变形，提高金属的变形能力。由于孪晶的形成 改变了晶体的位向改变了晶体的位向，从而使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有，从而使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有 利于发生滑移的位置，产生滑移。利于发生滑移的位置，产生滑移。 金属的塑性变形原理解析 多晶体的塑性变形的特点多晶体的塑性变形的特点 （1 1）各晶粒变形的不同时性各晶粒变形的不同时性 多晶体中各晶粒取向不同，在多晶体中各晶粒取向不同，在 外力作用下各滑移系的分切应力不外力作用下各滑移

37、系的分切应力不 同，不能同时发生滑移。同，不能同时发生滑移。 处于软取向的晶粒先产生滑移，处于软取向的晶粒先产生滑移， 位错源开动，位错沿滑移面运动。位错源开动，位错沿滑移面运动。 位错不能越过周围硬取位错不能越过周围硬取 向晶粒，在晶界处受阻，形向晶粒，在晶界处受阻，形 成位错的平面塞积群，造成成位错的平面塞积群，造成 应力集中。应力集中。 随外力随外力，应力集中也，应力集中也， 叠加后使相邻晶粒某滑移系叠加后使相邻晶粒某滑移系 分切应力达到临界值，位错分切应力达到临界值，位错 源开动并产生滑移。源开动并产生滑移。 塑性变形便从一个晶粒塑性变形便从一个晶粒 传递到另一个晶粒。如此反传递到另一

38、个晶粒。如此反 复，整个试样产生宏观的塑复，整个试样产生宏观的塑 性变形。性变形。 6.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 金属的塑性变形原理解析 （2 2）各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 多晶体每个晶粒都处于其它晶粒的包多晶体每个晶粒都处于其它晶粒的包 围之中，因此变形不是孤立和任意的，邻围之中，因此变形不是孤立和任意的，邻 近的晶粒之间必须相互协调配合，不然就近的晶粒之间必须相互协调配合，不然就 难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的 连续性，会造成空隙而导致材料的断裂。连续性，会造成空隙而导致材料的断裂。 为与先变形的晶粒相协调，要求相邻

39、为与先变形的晶粒相协调，要求相邻 晶粒不只在取向最有利的滑移系中进行变晶粒不只在取向最有利的滑移系中进行变 形，还必须有几个滑移系，其中包括取向形，还必须有几个滑移系，其中包括取向 并非有利的滑移系上同时进行滑移，才能并非有利的滑移系上同时进行滑移，才能 保证其形状作各种相应的改变。保证其形状作各种相应的改变。 因此，滑移系较多的因此，滑移系较多的fccfcc和和bccbcc金属，金属， 通过多滑移可表现出良好的塑性，而通过多滑移可表现出良好的塑性，而hcphcp 金属滑移系少，晶粒间协调性很差，塑性金属滑移系少，晶粒间协调性很差，塑性 变形能力低。变形能力低。 由于各个晶粒的取向由于各个晶粒

40、的取向 不同及晶界的存在，多晶不同及晶界的存在，多晶 体中各个晶粒之间的变形体中各个晶粒之间的变形 是不均匀的；而且在每个是不均匀的；而且在每个 晶粒内部的变形也是不均晶粒内部的变形也是不均 匀的，晶粒中心区域的变匀的，晶粒中心区域的变 形量较大，晶界及其附近形量较大，晶界及其附近 区域变形量较小。区域变形量较小。 （3 3）塑性变形的不均匀性塑性变形的不均匀性 金属的塑性变形原理解析 2 1 0 Kd s 多晶体金属常温下的屈服强度随其晶粒细化而提高。这种利用细化多晶体金属常温下的屈服强度随其晶粒细化而提高。这种利用细化 晶粒增加晶界提高金属强度的方法称为晶粒增加晶界提高金属强度的方法称为晶

41、界强化晶界强化。 常温下的屈服强度与晶粒直径之间的关系为：常温下的屈服强度与晶粒直径之间的关系为： 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响 此式即为著名的霍尔此式即为著名的霍尔佩奇佩奇(Hall-Petch)公式，式中，公式，式中，0 与与 K 均为常数，均为常数， 0 : 晶内基体对变形的阻力，大体相当于单晶体金属的屈服强度；晶内基体对变形的阻力，大体相当于单晶体金属的屈服强度； K : 表征晶界对强度影响的程度，与晶界的具体结构有关；表征晶界对强度影响的程度，与晶界的具体结构有关； d : 晶粒的平均直径。晶粒的平均直径。 金属的塑性变形原理解析 霍尔霍尔佩奇公式的解释：佩奇公式

42、的解释： 在多晶体中，屈服强度是在多晶体中，屈服强度是与滑移从先塑性变形的晶粒转移到与滑移从先塑性变形的晶粒转移到 相邻晶粒密切相关的相邻晶粒密切相关的，这种转移能否发生，主要取决于，这种转移能否发生，主要取决于已滑移晶已滑移晶 粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶 粒滑移系中的位错源粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。 塞积群在障碍物前产生的应力集中为塞积群在障碍物前产生的应力集中为=n=n0 0， 的大小取决于塞积群的位错数目的大小取决于塞积群的位错数目n n，

43、nn，则应，则应 力集中也力集中也。n n与障碍物（晶界）至位错源的距离与障碍物（晶界）至位错源的距离 L L 成正比。成正比。晶粒越大，则这个距离也越大，晶粒越大，则这个距离也越大，n n 就越就越 大，所以应力集中也越大；晶粒大，所以应力集中也越大；晶粒越越小，则小，则n n也小，也小， 应力集中也小应力集中也小。 小晶粒的应力集中小，则需要在较大的外加小晶粒的应力集中小，则需要在较大的外加 应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。所以晶粒应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。所以晶粒 越细、屈服强度越高。越细、屈服强度越高。 金属的塑性变形原理解析 6.4 6.4 合金的塑性变形合金的塑性变形 固

44、溶强化的原因：固溶强化的原因： 晶格畸变晶格畸变 钉扎位错钉扎位错 位错运动困难位错运动困难 合金元素形成固溶体时其固溶强化的规律：合金元素形成固溶体时其固溶强化的规律： 在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作 用越大；用越大； 溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大， 因而强化效果越大；因而强化效果越大； 形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元 素。素。 一、单相固溶体的塑性

45、变形一、单相固溶体的塑性变形 单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其塑性变形过程也基本单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其塑性变形过程也基本 相同。但是相同。但是由于固溶体中存在着溶质原子，使其塑性变形抗力增加，由于固溶体中存在着溶质原子，使其塑性变形抗力增加， 强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为这种现象称为固溶强化固溶强化。 金属的塑性变形原理解析 二、二、多相合金中的塑性变形多相合金中的塑性变形 （一）合金中两相的性能相近（一）合金中两相的性能相近 合金中两相的含量相差不大，且两相的变形性能相近，则合金的变合金中两相的含量相差不大，

46、且两相的变形性能相近，则合金的变 形性能为两相的平均值。此时合金的强度形性能为两相的平均值。此时合金的强度 s s可以用下式表达：可以用下式表达： s s 式中，式中， 和和 分别为两相的强度极限，分别为两相的强度极限， 、 分别为两相的体积分分别为两相的体积分 数，数， 1 1。 可见，可见，合金的强度极限随较强的一相的含量增加而呈线合金的强度极限随较强的一相的含量增加而呈线 性增加性增加。 金属的塑性变形原理解析 （二）合金中两相的性能相差很大（二）合金中两相的性能相差很大 1 1硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上 这种分布情况是最恶劣

47、的，因为脆性相在空间把塑性相分割开，从这种分布情况是最恶劣的，因为脆性相在空间把塑性相分割开，从 而使其变形能力无从发挥，经少量的变形后，即沿着连续的脆性相开而使其变形能力无从发挥，经少量的变形后，即沿着连续的脆性相开 裂，使合金的塑性和韧性急剧下降。裂，使合金的塑性和韧性急剧下降。 脆性相越多，网越连续，合金的塑性也就越差，甚至强度也随之脆性相越多，网越连续，合金的塑性也就越差，甚至强度也随之 下降下降。例如过共析钢中的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时，使钢的。例如过共析钢中的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时，使钢的 脆性增加，强度和塑性下降。脆性增加，强度和塑性下降。 生产上可通过热加工和热处

48、理的相互配合来破坏或消除其网状分生产上可通过热加工和热处理的相互配合来破坏或消除其网状分 布。布。 金属的塑性变形原理解析 （二）合金中两相的性能相差很大二）合金中两相的性能相差很大 2.2.脆性的第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上脆性的第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上 如钢中的珠光体组织，铁素体和渗碳体呈片状分布，铁素体的塑性好，如钢中的珠光体组织，铁素体和渗碳体呈片状分布，铁素体的塑性好， 渗碳体硬而脆，所以塑性变形主要集中在铁素体中，位错的移动被限制在渗渗碳体硬而脆，所以塑性变形主要集中在铁素体中，位错的移动被限制在渗 碳片之间很短距离内，此时位错运动至障碍物渗碳体片之前时，即

49、形成位错碳片之间很短距离内，此时位错运动至障碍物渗碳体片之前时，即形成位错 平面塞积群，当其造成的应力集中足以激发相邻铁素体中的位错源开动时，平面塞积群，当其造成的应力集中足以激发相邻铁素体中的位错源开动时， 相邻的铁素体才开始塑性变形。相邻的铁素体才开始塑性变形。 也可用霍尔一配奇公式描述珠光体的屈服强度：也可用霍尔一配奇公式描述珠光体的屈服强度： s s 0 0KSKS-1/2 -1/2 式中，式中， 0 0为铁素体的屈服强度，为铁素体的屈服强度，K K为材料常数，为材料常数，S S为珠光体片间距。为珠光体片间距。 由上式可以看出，由上式可以看出，珠光体片间距越小，则强度越高，且其变形越均

50、匀，珠光体片间距越小，则强度越高，且其变形越均匀， 变形能力增加变形能力增加。对于细珠光体，甚至渗碳体片也可发生滑移、弯曲变形，表。对于细珠光体，甚至渗碳体片也可发生滑移、弯曲变形，表 现有一定的变形能力，所以细珠光体不但强度高，塑性也好。现有一定的变形能力，所以细珠光体不但强度高，塑性也好。 亚共析钢的塑性变形首先在先共析铁素体中进行，当铁素体由加工硬化亚共析钢的塑性变形首先在先共析铁素体中进行，当铁素体由加工硬化 使其流变应力达到珠光体的屈服极限时，珠光体才开始塑性变形。使其流变应力达到珠光体的屈服极限时，珠光体才开始塑性变形。 金属的塑性变形原理解析 （二）合金中两相的性能相差很大（二）

51、合金中两相的性能相差很大 3.3.脆性相在塑性相中呈颗粒状分布脆性相在塑性相中呈颗粒状分布 倘若硬脆的第二相呈弥散粒子均匀地分布在塑性相基体上（如粒状珠倘若硬脆的第二相呈弥散粒子均匀地分布在塑性相基体上（如粒状珠 光体组织），则可显著提高合金的强度，这种强化的主要原因是由于弥散光体组织），则可显著提高合金的强度，这种强化的主要原因是由于弥散 细小的第二相粒子与位错的交互作用，阻碍了位错的运动，从而提高了合细小的第二相粒子与位错的交互作用，阻碍了位错的运动，从而提高了合 金的塑性变形抗力。金的塑性变形抗力。 (1)(1)位错绕过第二相粒子。在滑移面上运动着的位错遇到坚硬不变形并且位错绕过第二相粒

52、子。在滑移面上运动着的位错遇到坚硬不变形并且 比较粗大的第二相粒子时，将受到粒子的阻挡而弯曲，随着外加应力的增比较粗大的第二相粒子时，将受到粒子的阻挡而弯曲，随着外加应力的增 加，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相加，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相 遇时，正负号位错彼此抵消，形成了包围着粒子的位错环而被留下，其余遇时，正负号位错彼此抵消，形成了包围着粒子的位错环而被留下，其余 部分位错线又恢复直线继续前进。部分位错线又恢复直线继续前进。 金属的塑性变形原理解析 （）位错切过第二相粒子。（）位错切过第二相粒子。 若第二相粒子是硬度不太高尺寸

53、也不大的可变形的第二相粒子，或者若第二相粒子是硬度不太高尺寸也不大的可变形的第二相粒子，或者 是过饱和固溶体时效处理初期产生的共格析出相，则运动着的位错与其相是过饱和固溶体时效处理初期产生的共格析出相，则运动着的位错与其相 遇时，将切过粒子与基体一起变形。遇时，将切过粒子与基体一起变形。 位错切过第二相粒子是必须做额外的功，消耗足够大的能量，从而提位错切过第二相粒子是必须做额外的功，消耗足够大的能量，从而提 高合金的强度。高合金的强度。 金属的塑性变形原理解析 6.6. 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 1. 1. 塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构

54、的影响 30%变形变形 50变形变形70变形变形 (1) (1) 显微组织的变化显微组织的变化 随着金属外形的变化，其内部晶粒的形状也发生相应的变化。随着金属外形的变化，其内部晶粒的形状也发生相应的变化。 当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出 一片纤维状的条纹，称为纤维组织。一片纤维状的条纹，称为纤维组织。 纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向强度和塑性高纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向强度和塑性高 于横向。于横向。 金属的塑性变形原理解析 (2) (2) 亚结构的细化亚结构的细化 实际晶体中各晶粒

55、内存在着许实际晶体中各晶粒内存在着许 多尺寸很小、位向差也很小的多尺寸很小、位向差也很小的亚亚 结构结构，塑性变形前，铸态金属的，塑性变形前，铸态金属的 亚结构约为亚结构约为 102m，塑性变形后，塑性变形后， 亚结构直径将亚结构直径将细化细化到到110-2m。 变形晶粒由许多胞块组成，这变形晶粒由许多胞块组成，这 种亚结构称为形变亚晶或形变胞。种亚结构称为形变亚晶或形变胞。 各胞块之间存在着微小的位向差，各胞块之间存在着微小的位向差， 不超过不超过2，胞壁堆积有大量的位，胞壁堆积有大量的位 错，而胞内体积中位错密度很低，错，而胞内体积中位错密度很低， 约为胞壁的约为胞壁的1/4，胞壁的厚度约

56、为胞，胞壁的厚度约为胞 块的块的1/5。 5050变形变形 3030变形变形 金属的塑性变形原理解析 70变形 变形量变形量，则胞块数量，则胞块数量，尺寸，尺寸，胞块的位向差，胞块的位向差，且其形，且其形 状随晶粒的形状改变而变化，均沿着变形方向逐渐拉长。状随晶粒的形状改变而变化，均沿着变形方向逐渐拉长。 形变亚结构是在塑性变形过程中形变亚结构是在塑性变形过程中 形成的，在切应力的作用下位错源产形成的，在切应力的作用下位错源产 生的大量位错沿着滑移面运动时，堆生的大量位错沿着滑移面运动时，堆 积和交割形成缠结。积和交割形成缠结。 形变亚结构的出现对滑移过程的形变亚结构的出现对滑移过程的 进行有

57、巨大的阻碍作用，可使金属的进行有巨大的阻碍作用，可使金属的 变形抗力显著升高，是产生加工硬化变形抗力显著升高，是产生加工硬化 的主要原因之一。的主要原因之一。 金属的塑性变形原理解析 (3) 变形织构变形织构 当变形量很大时，各晶粒的取向会当变形量很大时，各晶粒的取向会 大致趋于一致。这种大致趋于一致。这种由于塑性变形的结由于塑性变形的结 果而使晶粒具有择优取向的组织果而使晶粒具有择优取向的组织叫做叫做变变 形织构形织构。 丝织构：丝织构： 在拉拔时形成，其特征是各在拉拔时形成，其特征是各 晶粒的晶粒的某一晶向某一晶向与拉拔方向平与拉拔方向平 行或接近平行。行或接近平行。 板织构：板织构： 在

58、轧制时形成，其特征是在轧制时形成，其特征是 各晶粒的各晶粒的某一晶面某一晶面平行或接平行或接 近平行于轧制平面，而某一晶近平行于轧制平面，而某一晶 向平行或接近平行于轧制方向。向平行或接近平行于轧制方向。 金属的塑性变形原理解析 2. 2. 塑性变形对金属机械性能的影响塑性变形对金属机械性能的影响 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显 著下降著下降，这一现象称为，这一现象称为加工硬化加工硬化。 产生加工硬化的产生加工硬化的原因原因，目前普遍认为与，目前普遍认为与位错的运动和交互作用有关位错的运动和交互作用有关，

59、 随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，因此，位错运动时相互交割随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，因此，位错运动时相互交割 加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动， 引起变形抗力增加，因此提高了金属强度。引起变形抗力增加，因此提高了金属强度。 利用利用加工硬化的方法可以提高金属材料的强度，尤其是对于一些不能加工硬化的方法可以提高金属材料的强度，尤其是对于一些不能 用热处理的方法来强化的金属材料。用热处理的方法来强化的金属材料。 加工硬化现象也会给材料的生产和使用带来加工硬化现象也会给材料的生产和使用

60、带来不利不利的影响，使金属在塑的影响，使金属在塑 性变形过程中的变形抗力逐渐增加，以致丧失继续变形的能力。性变形过程中的变形抗力逐渐增加，以致丧失继续变形的能力。 为了为了消除消除加工硬化，使金属重新恢复变形的能力，必须对其进行中间加工硬化，使金属重新恢复变形的能力，必须对其进行中间 退火。退火。 金属的塑性变形原理解析 3. 3. 残余应力残余应力 金属在塑性变形过程中外力所作的功大部分转变为热能，一小部分金属在塑性变形过程中外力所作的功大部分转变为热能，一小部分 （10%10%）保留在金属内部，形成残余应力和点阵畸变。）保留在金属内部，形成残余应力和点阵畸变。 宏观内应力（第一类内应力）宏