1、工程材料及机械制造基础第三章 金属的塑性变形1 晶体的塑性变形2. 塑性变形对金属组织和性能的影响 3 回复与再结晶塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响。 了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。工程材料及机械制造基础第一节 金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为 正应力 和 切应力 。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。工程材料及机械制造基础如拉伸时，滑移面上的外力 P分解为正应力 和切应力 。 工程材料及机械制造基础 正应力 只能引
2、起弹性变形及解理断裂 伸长量 ， O ，变形恢复； 伸长量 ， 原子间结合力时，拉断。正应力 只能使晶体产生弹性变形和断裂，不能使晶体产生塑性变形。 切应力 作用使晶格发生弹性歪扭 c （临界切应力）， 变形量 ， O ，变形恢复； c ，发生滑移，产生永久塑性变形。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。工程材料及机械制造基础 塑性变形有两种形式： 滑移和孪生 。 在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。 （一）滑移1. 滑移与滑移带1)滑移 是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。 产生滑移的最小
3、切应力称 临界切应力 。 工程材料及机械制造基础 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做 滑移面 和 滑移方向 。 通常是晶体中的密排面和密排方向。 工程材料及机械制造基础滑移的结果在晶体表面形成台阶，称 滑移线 ，若干条滑移线组成一个 滑移带 。 滑移带和滑移线示意图 铜 拉伸试样表面滑移带2)滑移带 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。工程材料及机械制造基础三种典型金属晶格的滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比
4、滑移面更大。2.滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个 滑移系 。工程材料及机械制造基础如 FCC和 BCC的滑移系为 12个， HCP为 3个， FCC的滑移方向多于 BCC，金属塑性如 Cu（ FCC） Fe（ BCC）Zn（ HCP）。l因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格 。工程材料及机械制造基础3.滑移时晶面的转动 外力错动 力偶使滑移面转动 滑移面 拉伸轴。 以滑移面的法线为转轴的转动 滑移方向 最大切应力方向。工程材料及机械制造基础4.滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大 3-4个数量级。
5、滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。工程材料及机械制造基础晶体通过位错运动产生滑移时，在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作 位错的易动性。工程材料及机械制造基础 孪生孪生 是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。 发生切变的部分称 孪生带 或 孪晶 ，沿其发生孪生的晶面称 孪生面 ，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 工程材料及机械制造基础与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变 ； 所需切应力比滑移大得多 , 变形速度极快 , 接近声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距 。工程材料及机械制造基础二
6、、多晶体金属的塑性变形 单个晶粒变形与单晶体相似。而多晶体变形比单晶体复杂得多。 晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称 位错的塞积 。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。位错塞积示意图工程材料及机械制造基础2、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。 这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 工程材料及机械制造基础 多晶体金属的塑性变形过程多晶体中首先
7、发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于 45的晶粒。 当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒， 当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带工程材料及机械制造基础 晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因金属 晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多 ，使金属塑性变形的抗力越高。 晶粒大小与金属强度的关系工程材料及机械制造基础 金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因 晶粒越细 ，单位体积内晶粒数目越
8、多， 参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀， 使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加， 金属在断裂前消耗的功也大， 因而其韧性也比较好。工程材料及机械制造基础通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。 锌 单晶和多晶的拉伸曲线工程材料及机械制造基础第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、 塑性变形对组织结构的影响 1.晶粒变形 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其 内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。工程材料及机械制造基础工业纯铁在塑性变形前后的组织变化 5%
9、冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态(c) 变形 80%(b) 变形 40%工程材料及机械制造基础2.形变织构在塑性变形过程中，由于晶粒的转动， 当变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称 织构 或 择优取向 .。 形变织构使金属呈现各向异性 ，在深冲零件时，易产生 “制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率 。板织构丝织构形变织构示意图 各向异性导致的 “制耳 ”变形前 变形后工程材料及机械制造基础二、 冷塑性变形对金属组织性能的影响 1加工硬化（形变硬化）（冷作硬化） 工程材料及机械制造基础随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，
10、塑性、韧性下降的现象称 加工硬化。产生加工硬化的原因是：1）随变形量增加，位错密度增加 ，由于位错之间的交互作用 (堆积、缠结等 )，使变形抗力增加。2）随变形量增加，亚结构细化 。3）随变形量增加 , 空位密度增加。4）几何硬化 ：由晶粒转动引起。工程材料及机械制造基础 由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此， 没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一， 尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要 。2.物理化学性能的变化硅钢片工程材料及机械制造基础3.残余内应力 内应力 是指平衡于金属内部的应力。 是由于金属受
11、力时， 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时，外力所做的功只有 10%转化为内应力残留于金属中。 内应力分为三类：第一类内应力 平衡于表面与心部之间（宏观内应力）。第二类内应力 平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间，（微观内应力） 。工程材料及机械制造基础第三类内应力 是由晶格缺陷引起的畸变应力。 第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。内应力的存在， 使金属耐蚀性下降， 引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂 。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。工程材料及机械制造基础第三节 变形金属在加热时的组织和性能的变化 金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。但 在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间 ， 而加热则使原子扩散能力增加，金属将依次发生 回复、再结晶和晶粒长大 。 工程材料及机械制造基础 回复回复： 是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化。 如 空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并 而使缺陷数量减少等。 由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称 多边形化 。多边形化示意图
