理学塑性应变对金属

1、第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 5.1金属的塑性变形金属的塑性变形5.2回复与再结晶回复与再结晶5.3超塑性成形超塑性成形5.4金属的热加工金属的热加工单晶体单晶体：其组成原子按相同规律和空间取向排列的晶体。：其组成原子按相同规律和空间取向排列的晶体。多晶体多晶体：由许多空间取向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体。：由许多空间取向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响一单晶体与多晶体一单晶体与多晶体l实际金属实际金属多晶体多晶体塑性变形复杂；塑性变形复杂；l单晶体单晶体单晶体塑性变形主要是单

2、晶体塑性变形主要是滑移变形滑移变形，其次是，其次是孪生变形孪生变形；第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响特点：特点：单晶体具有各向异性，多晶体则无各向异性。单晶体具有各向异性，多晶体则无各向异性。二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（1 1）滑移的显微观察）滑移的显微观察l产生滑移的晶面称为产生滑移的晶面称为滑移面滑移面，l由射线结构分析表明，滑移面两由射线结构分析表明，滑移面两侧的晶体结构类型并未发生改变。侧的晶体结构类型并未发生改变。晶格的空间位向大致相同，这种塑晶格的空间位向大致相同，这种塑性变形称为性变形称为滑移变形滑移变形

3、。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（1 1）滑移的显微观察）滑移的显微观察第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（2 2）滑移的作用力）滑移的作用力n在任一晶面上，外力可分解为垂直于晶面的正应力N N和平行于晶面的切应力。n正应力N N：使晶体发生弹性变形，当大于原子结合力时，则晶体发生断裂。n切应力：使晶体发生弹性剪切变形，当大于临界切应力k k时，即发生滑移变形。n滑移只与有关，与N N无关。第

4、五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响1 1、滑移变形、滑移变形（3 3）滑移面、滑移方向及滑移系）滑移面、滑移方向及滑移系l滑移面与滑移方向滑移面与滑移方向： 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑 移方向。滑移系滑移系：一个滑移面与其上一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系表明晶体的一个滑移空间位向。l为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？滑移面滑移面：原子最密排的晶面间距离最大，结合力就小，滑移 易于发生。滑移方向滑移方向：原子最密排的晶向上原子间距较小，在此晶向上 滑移一个原子间距所需的滑移功最小。第五章第五章塑

5、性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 密排六方结构：如Mg、Zn有3个滑移系13（面方向）； 体心立方结构：如Fe、Cr、W有12个滑移系62； 面心立方结构：如Ni、Cu、Al有12个滑移系43。二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（3 3）滑移面、滑移方向及滑移系）滑移面、滑移方向及滑移系 面心立方滑移系面心立方滑移系43； 体心立方滑移系体心立方滑移系62； 密排六方密排六方滑移系滑移系13第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（4 4）滑移的位

6、错机制）滑移的位错机制第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 按刚性滑移模型计算的临界分切应力比实测值大1000倍。说明刚性滑移模型是不正确的。 塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎同时全部断开。1 1、滑移变形、滑移变形（4 4）滑移的位错机制）滑移的位错机制 即滑移的过程中滑移面上的原子不是整体作相对滑移，而是在切应力作用下，位错沿滑移方向逐次进行一个原子间距的滑移，当一个位错运动到晶体表面时，即形成一个原子间距的滑移量。如图4-6所示。根据位错移动模型计算的临界分切应力与实测值基本上吻合。第五章第五章塑性变形对金属组织

7、与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形（1）滑移是滑移是位错的连续运动位错的连续运动所致；所致；（2 2）存在滑移）存在滑移临界分切应力临界分切应力，不同晶体结构临界分切应，不同晶体结构临界分切应 力不同；力不同；（3 3）原子移动距离是晶格常数的整数倍，滑移后仍保持）原子移动距离是晶格常数的整数倍，滑移后仍保持 晶体结构的晶体结构的完整性完整性；（4 4）滑移发生在晶体的）滑移发生在晶体的密排面密排面和和密排晶向密排晶向上；上；（5 5）不同晶体结构的滑移系不同，）不同晶体结构的滑移系不同，滑移系滑移系越多，越容易越多，越容易 塑性变形，相同滑移系条件

8、下，塑性变形，相同滑移系条件下，滑移方向滑移方向越多，越越多，越 容易塑性变形。容易塑性变形。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形3 3孪生变形孪生变形 孪生变形是金属塑性变形的另一种形式孪生变形是金属塑性变形的另一种形式。 孪生变形产生的条件孪生变形产生的条件：孪生的临界分切应力要比滑：孪生的临界分切应力要比滑移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪生。生。 孪生的概念孪生的概念：晶体在切应力作用下，晶体的一部分：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面与一定的晶向进行

9、剪切变形。变形的沿一定的晶面与一定的晶向进行剪切变形。变形的结果，结果，使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形称为孪生。称为孪生。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 发生剪切变形的那部分晶体称为孪晶带，简称孪晶发生剪切变形的那部分晶体称为孪晶带，简称孪晶。 二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形 2 2孪生变形孪生变形 第五章第

10、五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 多晶体的塑性变形方式主要是：滑移与孪生，但同时也要考虑与的影响。 1、晶界的作用 晶界可以阻碍位错的通过和移动，使晶体具有较高的屈服强度。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 2 2、晶粒位向差的影响、晶粒位向差的影响 多晶体中，有的晶粒滑移系处于有利于 滑移的软位向软位向。有的晶粒滑移系处于不利于滑移的硬位向硬位向。当软位向晶粒滑移时，必然会受到硬位向晶粒的阻碍，使滑移力增加。故同一金属，多晶体强度比单晶体强度要高。 在一定体积条件下： 晶粒越小，软位向的晶粒数量就越多，变形可分散在许多晶粒

11、内进行，因此变形比较均匀，可以避免应力集中。 晶粒越细，强度越高，塑性越好。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对金属结构和组织的影响（1）晶粒内出现滑移带：晶粒内出现滑移带：纤维组织纤维组织：（2） 在铸态金属结构中的亚结构（晶粒边长约10-2mm），塑性变形后将细化至10-4-10-6mm，这种细化后的亚晶粒称为“形变胞”。变形越大，胞的数量越多。胞周围晶格严重畸变，聚集了大量位错，胞内晶格完整。变形亚结构示意图变形亚结构示意图1-1-晶格较完整的亚晶块；晶格较完整的亚晶块；

12、2-2-严重畸变区严重畸变区第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响 1、塑性变形对金属结构和组织的影响变形前，晶粒位向随机分布，变形前，晶粒位向随机分布，变形量变形量70%，金属的，金属的晶粒位向会大致趋于一致，即形成变形织构。晶粒位向会大致趋于一致，即形成变形织构。产生各向异性。产生各向异性。丝织构示意图丝织构示意图板织构示意图板织构示意图第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对金属结构和组织的影响l织构的形成明显的各向异性对材料加工成型性和使用

13、性能产生影响。l织构一旦形成就很难消除l生产中为避免形成织构，大变形量零件可分成几次变形工序来完成，并在变形工序间进行退火，即可消除织构的产生。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 四、塑性变形对金属组织和性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响 2 2、残余内应力与晶格畸变、残余内应力与晶格畸变 （1 1）宏观内应力（第一类内应力）宏观内应力（第一类内应力） 变形较大部分受变形较大部分受，变形较小部分受，变形较小部分受。 第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响2 2、残余内应力与晶格畸变、残余内应力与晶格畸变l 晶粒或

14、亚晶粒之间由于变形不均而引起的残余应力。l塑性变形时，晶粒内部产生大量位错、空位等缺陷，使部分原子偏离平衡位置。产生晶格畸变而引起内应力。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响四、塑性变形对金属组织和性能的影响（1 1）性能的变化）性能的变化l随变形量的增加，强度和硬度增加，塑性和韧性减小，此种现象即为加工硬化加工硬化或冷作硬化冷作硬化。l加工硬化是强化金属的一种重要工艺方法工艺方法。特别是对用热处理方法不能强化不能强化的材料，如工业纯铜、黄铜、奥氏体不锈钢等。（2）产生加工硬化的原因）产生加工硬化的原因l随变形量的增加，两组

15、或多组的滑移系开始滑移，位错就会产生，使位错移动受到牵制和阻碍，使变形抗力增加，产生加工硬化。l另一方面，晶粒破碎，形成胞状亚结构，胞的周围为聚集着大量位错的缠绕区，阻碍位错移动，使变形抗力增加。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶 l塑性变形后，晶体内存在严重晶格畸变，原子处于不稳定状态，有向稳定状态转变的趋势。l按加热温度不同，将变化过程分为回复回复、再结晶再结晶和晶晶粒长大粒长大三个阶段。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶、和三个阶段与

16、性能的关系。不同加热温度对变形金属组织与性能的影响不同加热温度对变形金属组织与性能的影响第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶一、回复一、回复 T回回 （0.250.3）T熔熔 K 组织与性能组织与性能l加热温度不高时，组织没有明显的变化。l随加热温度升高，点缺陷的密度降低，电阻率明显下降；l晶体的畸变能下降，内应力有明显下降；l金属的机械性能基本没有变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多。但抗腐蚀性有所提高。l晶粒内分散杂乱的位错会按照某种规律进行规则排列（攀移、滑移和多边化），见下图。 生产应用：生产应用：去应力退

17、火。去应力退火。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响冷拉钢丝绕制的弹簧，冷拉钢丝绕制的弹簧，绕成后在绕成后在280280300300进行进行去应力退火。去应力退火。5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶一、回复一、回复第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 纯金属纯金属：T结结 （0.350.4）T熔熔 K 变形量在70%以上，保温一小时以内，能完成再结晶（已再结晶的体积95%）的最低温度，作为金属的再结晶温度再结晶温度。l金属的变形组织（如拉长的晶粒等）完全消失，形成了无晶格畸变的等轴细晶粒；l金属的强度、硬度显著下降，

18、塑性显著提高；l再结晶有形核与长大的两个结晶过程。当变形量较小时，一般在原晶界的某些部位形核；当变形量较大时（如20%），一般由两个相邻的回复亚晶粒合并而形核。l再结晶前和后，金属的晶格类型没有改变，故再结晶不是一种相变。产产：再结晶退火。退火。 吊车用钢丝吊车用钢丝第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响二、再结晶二、再结晶第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶三、晶粒长大三、晶粒长大l再结晶后的金属具有细小而均匀的晶粒，再结晶后如继续升温或延长时间，晶粒将会长大。l晶粒长大，金属的机械

19、性能下降，一般不希望晶粒长大。 1)1)加热温度与晶粒尺寸的关系退火温度与晶粒尺寸的关系退火温度与晶粒尺寸的关系第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响三、晶粒长大三、晶粒长大 2) 2)变形度变形度 变形度达210%时，再结晶后晶粒变得十分粗大，这个变形度叫临界变形度。l原因原因：在临界变形度时，只有部分晶粒变形，变形不均匀，退火时，只在少数产生塑性变形的部位形核，长大是吞并周围晶粒，形成十分粗大的晶粒，故冷变形时应避开临界变形度。l变形度大于临界变形度时，随变形度增加，晶粒逐渐变小。变形度与结晶后晶粒变形度与结晶后晶粒大小的关系大小的关系第五章第五章塑性变形

20、对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶三、晶粒长大三、晶粒长大 2) 2)变形度变形度低碳钢冷塑性变形后的显微组织低碳钢冷塑性变形后的显微组织(a)冷变形量冷变形量30%(b)冷变形量冷变形量50%思考题：户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电思考题：户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？ 第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.3 超塑性成形 1 1、超塑性成形的定义、超塑性成形的定义 许多金

21、属或合金，在一定温度和应变速度等条件下，许多金属或合金，在一定温度和应变速度等条件下，可以获得极大的均匀变形量（可达可以获得极大的均匀变形量（可达100%100%），材料的这种行），材料的这种行为，称为为，称为超塑性超塑性。2 2、具有超塑性的条件具有超塑性的条件 极细小的晶粒极细小的晶粒 晶粒直径应小于晶粒直径应小于0.005mm0.005mm（5um5um）必须在高温变形，变）必须在高温变形，变形温度一般约为：形温度一般约为：（0.50.50.650.65）T T熔点熔点( (为绝对温度为绝对温度) ) 很低的应变速率（10-410-2 s-1）3 3、超塑性的机制、超塑性的机制 机制很复

22、杂。简单可理解为：不只是靠滑移，而是靠机制很复杂。简单可理解为：不只是靠滑移，而是靠晶界的滑动和晶界扩散性迁移产生超塑性。晶界的滑动和晶界扩散性迁移产生超塑性。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工lTT再再为热加工为热加工 Sn（-7）等金属，即使在常温下塑性变形，也应等金属，即使在常温下塑性变形，也应为热加工。为热加工。lT T再再为冷加工为冷加工 W(3410)、Mo(2610)即使在即使在800800的红热状态下，的红热状态下，也称为冷加工。也称为冷加工。n热加工使铸态组织细化，气孔与裂纹焊合，改善其成型性，形成

23、合理的纤维组织。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工2 2、热加工对性能的影响、热加工对性能的影响热加工时的动态再结晶示意图热加工时的动态再结晶示意图吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织原晶粒原晶粒变形晶粒变形晶粒新形成小晶粒新形成小晶粒新晶粒新晶粒第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工3 3、热加工的分类、热加工的分类典型典型焊接焊接工艺示意图工艺示意图 A第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属

24、的热加工金属的热加工3 3、热加工的分类、热加工的分类典型焊接工艺示意图典型焊接工艺示意图 B B第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工3 3、热加工的分类、热加工的分类典型焊接工艺示意图典型焊接工艺示意图 C C第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工3 3、热加工的分类、热加工的分类典型铸造工艺示意图典型铸造工艺示意图 A第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.4 5.4 金属的热加工金属的热加工3 3、热加工

25、的分类、热加工的分类典型铸造工艺示意图典型铸造工艺示意图第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响小小结结1.金属的塑性变形金属的塑性变形单晶体：滑移和孪生；位错机制单晶体：滑移和孪生；位错机制多晶体：晶界和晶粒位向的影响；多晶体：晶界和晶粒位向的影响；对组织与性能的影响：加工硬化；织构；残余内应力。对组织与性能的影响：加工硬化；织构；残余内应力。2.回复和再结晶：去应力退火；再结晶退火（消除加工回复和再结晶：去应力退火；再结晶退火（消除加工硬化）硬化）3.超塑性成型超塑性成型4.金属的热加工：冷、热加工的区别；对金属性能的影响。金属的热加工：冷、热加工的区别；对

26、金属性能的影响。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响1 1、滑移变形、滑移变形（3 3）滑移面、滑移方向及滑移系）滑移面、滑移方向及滑移系l滑移面与滑移方向滑移面与滑移方向： 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑 移方向。滑移系滑移系：一个滑移面与其上一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系表明晶体的一个滑移空间位向。l为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？滑移面滑移面：原子最密排的晶面间距离最大，结合力就小，滑移 易于发生。滑移方向滑移方向：原子最密排的晶向上原子间距较小，在此晶向上 滑移一个原子间距所需的滑移功最

27、小。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 密排六方结构：如Mg、Zn有3个滑移系13（面方向）； 体心立方结构：如Fe、Cr、W有12个滑移系62； 面心立方结构：如Ni、Cu、Al有12个滑移系43。二单晶体的塑性变形二单晶体的塑性变形1 1、滑移变形、滑移变形（4 4）滑移的位错机制）滑移的位错机制第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 按刚性滑移模型计算的临界分切应力比实测值大1000倍。说明刚性滑移模型是不正确的。 塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎同时全部断开。二单晶体的塑性变

28、形二单晶体的塑性变形3 3孪生变形孪生变形 孪生变形是金属塑性变形的另一种形式孪生变形是金属塑性变形的另一种形式。 孪生变形产生的条件孪生变形产生的条件：孪生的临界分切应力要比滑：孪生的临界分切应力要比滑移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪生。生。 孪生的概念孪生的概念：晶体在切应力作用下，晶体的一部分：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面与一定的晶向进行剪切变形。变形的沿一定的晶面与一定的晶向进行剪切变形。变形的结果，结果，使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形称为孪生。称为孪生。第五章第五章塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.2 5.2 回复与再结晶回复与再结晶三、晶粒长大三、晶粒长大 2) 2)变形度变形度低碳钢冷塑性变形后的显微组织低碳钢冷塑性变形后的显微组织(a)冷变形量冷变形量30%(b)冷变形量冷变形量50%思考题：户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电思考题：户外用的架空铜导线（要求一定的