机械工程材料（第六版）课件 第三章 金属的塑性变形与再结晶

3.1金属的塑性变形3.2

冷塑性变形对金属组织和性能的影响3.3

冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化3.4金属的热变形加工教学提示：本章是理解塑性加工、组织演变与性能变化关系的重要基础。第3章金属的塑性变形与再结晶理解滑移、孪生与位错运动等塑性变形基本机制掌握冷塑性变形对组织与性能的影响图3-0塑性加工与组织演变示意

(可插入塑性变形过程与组织演变的示意图)机械工程材料课程教学演示内容框架学习目标认识回复、再结晶与晶粒长大的基本规律机械工程材料课程教学演示了解热变形加工及其工程意义1金属塑性变形的基本概念实现零件成形制造，满足工程结构与功能要求；通过控制变形过程调控组织性能；研究塑性变形规律有助于改进工艺、提高产品质量和合理选材。塑性变形是材料在外力作用下产生的永久变形，卸载后不能完全恢复；教学提示：塑性变形强调材料在保持连续性的前提下发生永久变形。第3章《金属的塑性变形与再结晶》2是锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等塑性加工的基础；既可获得所需形状和尺寸，又会引起组织与性能变化；优化工艺参数与材料选择，降低成本并提升质量。工程意义学习目标机械工程材料课程教学演示图3-1常见塑性加工方式示意教

学

提

示

：掌握滑移的基本概念、发生条件和重要意义，为后续学习多晶体塑性变形奠定基础。单晶体的塑性变形——滑移滑移通常沿原子排列最紧密的晶面和晶向进行理解滑移的定义、条件及其在金属塑性变形中的主导作用。

图3-2单晶体在切应力作用下的变形示意图正应力主要引起弹性伸长，切应力超过滑移抗力时引起滑移；滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动；机械工程材料课程教学演示3课堂要点单晶体塑性变形的基本方式为滑移和孪生；学习目标机械工程材料课程教学演示滑移是金属塑性变形的主要方式。图3-1

单晶体滑移示意图图3-3滑移面示意图图3-4刃型位错运动时原子的位移4核心认识位错易动性是金属易于发生塑性变形的重要原因。4滑移的微观机制——位错运动

当位错密度增大并相互作用时，会阻碍位错运动，从而使强度和硬度提高。

位错前进时只有少数原子发生小位移，因此所需切应力较小；实际滑移并不是整个滑移面上的原子整体刚性移动，而是通过位错沿滑移面的移动来实现；机械工程材料课程教学演示少量位错的存在使金属更容易发生塑性变形；学习要点机械工程材料课程教学演示图3-6孪生示意图5滑移与孪生比较对比项目滑移孪生位移特征原子沿滑移面、滑移方向整体位移一部分晶体相对另一部分发生剪切位移位向变化不发生位向变化发生位向变化(形成镜面对称)临界切应力较低通常高于滑移5孪生变形及其特点产生切变的部分称为孪晶，孪生面两侧的晶体形成镜面对称关系；孪生时晶体位向发生变化，而滑移时晶体位向不发生变化；孪生所需临界切应力通常高于滑移，因此往往在滑移不易进行时才显著发生。产生切变的部分称为孪晶，孪生面两侧的晶体形成镜面对称关系；孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生剪切变形；孪生所需临界切应力通常高于滑移，因此往往在滑移不易进行时才显著发生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一一定晶面和晶向发生剪切变形；孪生时晶体位向发生变化，而滑移时晶体位向不发生变化；机械工程材料课程教学演示机械工程材料课程教学演示关键要点回

定

义教

学

提示

：细晶粒通常有利于提高强度，并兼顾塑性与韧性。多晶体的塑性变形图3-7由两个晶粒组成的金属试样在拉伸时的变形示意(可插入晶粒变形、位错传递与晶界作用的示意图)晶界阻碍位错运动，使多晶体金属的滑移抗力通常大于单晶体；由于晶界存在以及各晶粒位向不同，各晶粒受力状态和变形先后并不相同；多晶体变形过程中既有晶内滑移，也有晶间相对滑移与晶粒转动；软位向晶粒先发生滑移，硬位向晶粒在受力与转动后也会参与变形；机械工程材料课程教学演示6主要内容晶粒越细小，晶界越多，强度一般越高。多晶体塑性变形的方式仍然是滑移和孪生；机械工程材料课程教学演示7冷塑性变形对组织与性能的影响教

学

提

示

：冷变形既可强化材料，也会降低塑性并增加后续加工难度。图3-8～图3-10冷变形影响相关示意图7机械工程材料课程教学演示冷塑性变形不仅改变金属外形，还会使晶粒形状、晶粒被拉长沿变形方向取向，性能趋于各向异性。晶粒在特定取向上优先生长，产生织构各向异性。位错密度显著增加，材料强度和硬度提高。变形不均匀导致内部自平衡应力，影响后续加工和使用。产生冷变形强化(加工硬化)机械工程材料课程教学演示位错密度和内部应力状态发生变化。形成纤维组织形成形变织构产生残余应力(择优取向)②③①概述O8教

学

提

示

：各向异性是指材料在不同方向上表现出不同的力学性能。

产生塑性变形时，随着金属外形被拉长或压扁，晶粒也会相应拉长或压扁； 当变形量较大时，晶粒会被拉长成细条状或

纤维状，形成纤维组织；形成纤维组织与各向异性

纵向(沿纤维组织方向)的强度和塑性通常机械工程材料课程教学演示形成纤维组织后，材料性能具有明显方向性；图3-8变形前后晶粒形状的变化示意图机械工程材料课程教学演示(可插入变形前后晶粒对比示意图)要点内容高于横向。9冷变形强化(加工硬化)

随着变形程度增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性下降。可用于强化金属、提高耐磨性；但会降低后续塑性加工能力，必要时需安排中间退火。位错之间及位错与其他缺陷的相互作用会阻碍位错运动，使变形抗力增大；随变形量增加，位错堆积、亚晶界增多、位错密度增大；机械工程材料课程教学演示金属塑性变形时，晶粒外形和内部结构都会发生变化；9生产意义核心机制机械工程材料课程教学演示图3-9冷塑性变形对低碳钢性能的影响过渡提示：后续内容将进一步讨论回复、再结晶及退火过程对加工硬化和残余应力的消除作用。1010形变织构与残余应力板材冲压时可能导致变形不均匀，出现“制耳”现象；在某些场合也可被利用，如提高硅钢片的磁性能。变形量很大时，各晶粒位向会逐渐沿变形方向趋于一致，形成形变织构；①

形变织构(择优取向)合理利用表面残余压应力(如喷丸、表面滚压)可提高疲劳强度。残余应力可能降低强度、耐蚀性和尺寸稳定性，也可能引起变形；②

残余应力残余应力是指去除外力后残留在金属内部的应力；机械工程材料课程教学演示形变织构会使金属性能表现出明显各向异性；机械工程材料课程教学演示主要来源于材料内部变形不均匀；图3-10冲压件的制耳示意图3-11

冷变形金属在加热时组织和性能变化示意图教学提示：

回复阶段以消除残余应力和改善稳定性为主，但不能完全消除加工硬化。11残余应力显著降低，物理和化学性能基本恢复；显微组织尺寸变化不明显，位错密度未显著降低，力学性能变化较小。11回复阶段冷塑性变形后的金属在加热初期，原子仅能进行短距离扩散；空位向表面、晶界或位错处迁移，晶格畸变减轻；利用回复可进行低温去应力退火，在保留较高强度的同时降低残余应力；黄铜深冲件、冷拔钢丝弹簧等常采用去应力退火稳定尺寸和形状。机械工程材料课程教学演示的基本概念工程应用机械工程材料课程教学演示图3-13再结晶温度与冷变形度的关系图3-12再结晶示意图教学提示：

再结晶是消除冷变形强化、恢复塑性的重要途径。12T

再≈(0.35～0.40)T

(热力学温度)最低再结晶温度(纯金属)常近似为继续升高温度后，变形晶粒内开始形成新的无畸变等轴晶粒并长大；再结晶使被拉长、压扁和破碎的晶粒转变为均匀细小的等轴晶；12再结晶再结晶后强度、硬度明显下降，塑性、韧性显著提高；机械工程材料课程教学演示定义与特点再结晶不改变晶格类型，因此不是相变过程。机械工程材料课程教学演示13再结晶温度及其影响因素生产中退火温度通常选在最低再结晶温度以上适当范围，以缩短周期并保证塑性恢复。金属纯度越高，再结晶温度越低；少量杂质和合金元素会提高再结晶温度；加热速度提高会使实际再结晶温度升高；延长保温时间则有利于在较低温度下完成再结晶。教学提示：预先变形度、纯度和加热制度，是控制再结晶行为的三大关键因素。机械工程材料课程教学演示预先变形度越大，冷变形储能越高，再结晶开始温度越低；当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值；主要规律胆工程认识再结晶退火常作为冷加工中的中间退火工序；图3-13再结晶温度与变形度关系曲线机械工程材料课程教学演示1314再结晶后晶粒大小与晶粒长大加热温度越高、保温时间越长，晶粒越容易长大；当变形度处于临界变形度附近时，再结晶后易得到粗大而不均匀的晶粒，生产中应尽量避开。称为二次再结晶。

图3-15

晶粒长大示意图再结晶退火后晶粒大小主要受加热温度、保温时间及退火前变形度影响；再结晶完成后，若继续升温或长时间保温，晶界继续迁移，晶粒逐渐粗化；教

学

提

示

：细小均匀的再结晶晶粒有利于获得较好的综合力学性能。若原始变形不均匀，可能发生局部晶粒异常长大，机械工程材料课程教学演示晶粒长大图3-14再结晶退火时晶粒大小与变形度的关系影响因素机械工程材料课程教学演示14热变形(热加工)冷变形(冷加工)划分依据再结晶温度以上再结晶温度以下变形抗力较小较大组织状态变形强化被回复与再结晶抵消只发生加工硬化表面质量易氧化，尺寸精度较低精度高，表面质量好工艺特点变形量大，连续加工能力强变形量受限，常需中间退火典型工艺热锻、热轧冷轧、冷拔、冷冲压教学提示：

热加工与冷加工的划分标准是再结晶温度，而不是绝对温度高低。15热变形与冷变形机械工程材料课程教学演示15机械工程材料课程教学演示图3-16热加工与冷加工示意图16热变形加工对组织和性能的影响坯料质量的重要手段。

图3-15钢锭在热轧过程中的组织变化热变形可压合铸态金属中的缩松、气孔和微裂纹，提高致密度与力学性能；热变形可碎化铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，使晶粒细化；在热轧、热锻过程中，夹杂物沿变形方向分布，形成具有方向性的锻造流线；教学提示：

热加工既改善内部缺陷，又为后续成形和热处理提供良好组织基础。表3-

2

铸态与锻态性能比较(占位)机械工程材料课程教学演示16热加工后的组织和性能通常优于铸态组织，是改善主要影响可后期插入碳钢铸态与锻态力学性能对比表机械工程材料课程教学演示图3-16不同方法制成的齿轮流线分布示意图教学提示：

合理利用流线，是锻件设计和工艺制定中的重要原则。

17经再结晶后晶粒形状可改变，但夹杂形态与分布仍沿变形方向保留，形成锻造流线(纤维组织、流纹);

流线使材料性能产生方向性：平行流线方向塑性和韧性较高，垂直流线方向较低，强度差异相对较小；17锻造流线及其方向性锻造流线不能靠热处理消除，只能通过再次塑性变形改变其形状和方向。热变形时，塑性夹杂沿主要伸长方向被拉长，脆性夹杂呈碎粒状或链状分布；流线分布应尽量与零件外形轮廊相符合，避免被切断。机械工程材料课程教学演示零件最大正应力方向宜与流线方向平行；最大切应力方向宜与流线方向垂直；锻造流线机械工程材料课程教学演示设计原则1818流线与典型零件设计若采用局部镦粗后再机加工或模锻成形，可使流线沿齿形合理分布，轮齿强度和使用寿命提高；采用锻造成形可使曲轴流线与外轮廓相符，

最大拉应力方向与流线方向更协调，不易断裂。曲轴若由型材直接切削制成，轴肩等危险部位易因流线被切断而开裂；齿轮若由棒料直接切削而成，流线被切断，齿根受力方向与流线不协调，寿命较低；教学提示：零件受力状态与流线方向相匹配，是提高疲劳寿命的重要途径。典型实例分析机械工程材料课程教学演示机械工程材料课程教学演示图3-17曲轴流线分布示意图图3-16齿轮流线分布示意图教学提示：热加工重在改善组织和提高成形能力，冷加工重在精度、表面质量和强化效果。1919热加工与冷加工的综合比较

设备与