第03章 金属材料的塑性变形

1、压力加工方法示意图压力加工方法示意图第三章第三章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形一、一、金属的塑性变形金属的塑性变形1 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形2 2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3 3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( (一一) )、单晶体金属的塑性变形、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体变形的基本形式单晶体变形的基本形式 弹性变形、塑性变形正弹性变形、塑性变形正应力使晶格发生弹性变形或断裂应力使晶格发生弹性变形或断裂

2、切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形塑性变形的实质塑性变形的实质 原子移动到新的稳定位置原子移动到新的稳定位置塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生。滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。滑滑 移移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生滑动。滑动。滑移的实现滑移的实现 借助于借助于位错运动位错运动滑移的结果在晶体表面形成台滑移的结果在晶体表面形成台阶，称阶，称滑移线滑移线，若干条滑移线组

3、，若干条滑移线组成一个成一个滑移带滑移带。 铜铜拉伸试样表面滑移带拉伸试样表面滑移带滑移滑移 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。体两部分沿滑移面作整体的滑动。 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。切应力大小不同。滑移的特点：滑移的特点： 滑移造成的晶体总变形量是滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密滑移总是沿着晶体中原子密度最大的

4、晶面和其上密度最大度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。（的晶向进行。（滑移系滑移系） 滑移时晶体伴随有转动。滑移时晶体伴随有转动。滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目，材，材料塑性料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料塑性。如。如FCCFCC和和BCCBCC的滑移系为的滑移系为1212个，个，HCPHCP为为3 3个，个，FCCFCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCCBCC，金属塑性如金属塑性如CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。孪生孪生 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿

5、一定晶面在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。金属晶体中变形部分与金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪部分）称为孪生带或孪晶。晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生行时发生. . 特点：特点：孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值.

6、. FCCFCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCCBCC金金属仅在室温或受冲击时发生。属仅在室温或受冲击时发生。HCPHCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。 黄铜中的孪晶黄铜中的孪晶锌中的孪晶锌中的孪晶金属材料塑性变形的实质：金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以金属塑性变形实质上是以滑移滑移和和孪生孪生两种形式通过位错运动来进行的。两种形式通过位错运动来进行的。 2 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。多晶

7、界，变形复杂。2 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。且存在许多晶界，变形复杂。不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶变形

8、阻力。由于晶粒间的这种相互约粒间的这种相互约束，使得多晶体金束，使得多晶体金属的塑性变形抗力属的塑性变形抗力提高。提高。 Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积3. 3. 晶界阻碍位错的运动晶界阻碍位错的运动 当位错运动到晶界附当位错运动到晶界附近近时，受到晶界的阻碍而堆时，受到晶界的阻碍而堆积起来积起来,称位错的称位错的塞积塞积。要。要使变形继续进行使变形继续进行, 则必须则必须增加外力增加外力, 从而使金属的从而使金属的变形抗力提高。变形抗力提高。细晶强化细晶强化通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、韧性提高的现象。韧性提高的现象。强化原理强化原理晶

9、界原子排列较不规则晶界原子排列较不规则缺陷多缺陷多滑滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。变形抗力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散变形分散减少减少应力集中应力集中 晶粒越细小，晶界越多且越曲折晶粒越细小，晶界越多且越曲折不利于裂纹的传不利于裂纹的传播播断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功时需要消耗较大的功, ,因而韧性也较好。因而韧性也较好。3

10、3、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塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 产生加工硬化产生加工硬化金属发生塑性变形金属发生塑性变形, ,随冷变形程度随冷变形程度的增大，其强度和硬度显著提高，的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板如：冷轧薄钢板 冷拔钢丝等。冷拔钢丝等。 由于由于纤维组织和形变织构纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。的产生，使金属性能产生各向异性。 使金属晶体缺陷增多，并产生使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力残余应力。（1）加工硬化）加工硬化（形变强化（形变强化强化材

11、料的手段之一）强化材料的手段之一）加工硬化的原因加工硬化的原因塑性变形塑性变形 位错密度增加，相互缠结位错密度增加，相互缠结( (亚晶界亚晶界) )，运动阻，运动阻力加大力加大 变形抗力变形抗力3 3、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（2 2）塑性变形对金属组织的影响）塑性变形对金属组织的影响 形成形成纤维组织纤维组织 形成形成亚结构亚结构 产生产生形变织构形变织构 纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向( (平行平行纤维方

12、向纤维方向) )上的强度尤其是塑性和韧性均比在横向上的强度尤其是塑性和韧性均比在横向( (垂直垂直纤维方向纤维方向) )上的高。上的高。 为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力最大正应力方向与纤维方向一致方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向最大切应力方向与纤维方向垂直垂直，并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。 纤维组织的稳定性很高，纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消不能用热处理方法加以消除，只有经过锻压使金属除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和变形，才能改变其方向和形状。形状。变形变形10% 1001

13、0% 100变形变形40% 10040% 100 变形变形80%80%纤维组织纤维组织100100 工业纯铁不同变形度的显微组织工业纯铁不同变形度的显微组织。亚结构形成亚结构形成位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。向略有差异的亚晶粒。n（1 1）丝织构）丝织构 （2 2）板织构）板织构n变压器铁芯的硅钢片，沿变压器铁芯的硅钢片，沿100100方向最易磁化，采用这种织方向最易磁化，采用这种织构的板材，铁损减小。构的板材，铁损减小。绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。这种

14、现象称现各向异性。这种现象称织构织构或或择优取向择优取向。各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无(4) (4) 产生残余内应力产生残余内应力 内应力内应力是指平衡于金属内部的应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力是由于金属受力时时, 内部变形不均匀而引起的。内部变形不均匀而引起的。第一类内应力第一类内应力平衡于表面与心部之间平衡于表面与心部之间 (宏观内应力宏观内应力)。引起新的变形，降低引起新的变形，降低精度。精度。第二类内应力第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力微观内应力)。引起开裂，产生微裂纹。引起开裂

15、，产生微裂纹。第三类内应力第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。是由晶格缺陷引起的畸变应力。强化金属；耐蚀性降低。强化金属；耐蚀性降低。(3) (3) 影响金属的物理、化学影响金属的物理、化学性能性能(1)降低工件的承载能力降低工件的承载能力 (2)使工件尺寸使工件尺寸及形状发生变化及形状发生变化(3)降低工件的耐蚀性降低工件的耐蚀性 残余应力的主要危害：残余应力的主要危害：消除残余应力主要采用热处理方法消除残余应力主要采用热处理方法变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度金属经冷变形后金属经冷变形后, 组织处于组织处于不稳定状态不稳定

16、状态, 有自发恢复到稳有自发恢复到稳定状态的倾向定状态的倾向。但在常温下但在常温下，原子扩散能力小原子扩散能力小,不稳定状态不稳定状态可长时间维持。加热可使原可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依子扩散能力增加，金属将依次发生次发生回复、再结晶和晶粒回复、再结晶和晶粒长大长大。 T T回复回复=（0.250.25.3.3）T T熔点熔点（单位：（单位：K）回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性略有增高，但残余应力大大降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。1) 1) 回复回复 塑性变形后的金属在低温加热时，发生塑性变形后的金属在低

17、温加热时，发生回复过程回复过程点缺陷大大点缺陷大大，内应力显著，内应力显著 ，强度、硬度略有，强度、硬度略有 。 2) 2) 再结晶再结晶 变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称为再结晶称为再结晶 。变化变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加

18、工硬化现象被消除。工硬化现象被消除。应用应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再再结晶退火结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，以利于后面的变形加工。塑性和韧性，以利于后面的变形加工。最低再结晶温度最低再结晶温度 T T再再纯金属纯金属T T再再 =0.4 T=0.4 T熔熔合金合金T T再再 = =（0.5 0.70.5 0.7）T T熔熔温度单位：绝对温度温度单位：绝对温度( K )( K )生产中，把消除加工硬化的生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度

19、结晶退火温度比再结晶温度高高100200。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热再结晶也是一个晶核形再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分旧晶粒的晶格类型和成分完全相同完全相同。a.黄铜变形量达黄铜变形量达38后的组织后的组织b.580保温保温3sc. .580保温保温4sd.580保温保温8se.580保温保温15minf.700保温保温10min影响再结晶退火后晶粒度的因素影响再结晶退火后晶粒度的因素 再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响预先变形度的影响，实质上是

20、变形均匀程度的影响预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.只有部分晶粒变形，变形极只有部分晶粒变形，变形极预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响不均匀，再结晶晶不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度粗大，这个变形度称称临界变形度。临界变形度。3 3）晶粒长大）晶粒长大变形变形80%工业纯铁再结晶退火工业纯铁再结晶退火 显微照片显微照片 100100 变形变形80% 400退火退火8小时小时加热温度加热温度 T T 和和 加热时间加热时间 t t 晶界迁移、晶粒合并长大。晶界迁

21、移、晶粒合并长大。变形变形80% 600退火退火8小时小时三、金属材料的热加工和冷加工三、金属材料的热加工和冷加工1 1热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响2 2冷加工对组织和性能的影响冷加工对组织和性能的影响1 1热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响热加工热加工 在在 T T再再 以上温度进行的变形加工，以上温度进行的变形加工， 如钢如钢材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除。结晶过程的软化作用所消除。原因？原因？热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响1 1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。2 2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷