1、第三章 金属的塑性变形,反挤压,压棱边,轧制板材,镦粗,第三章 金属的塑性变形,塑性变形的概念； 塑性变形的基本类型：滑移和孪生； 金属单晶体和多晶体的塑性变形； 冷塑性变形对金属组织和性能的影响； 冷变形金属在加热时的组织和性能的变化； 金属的热加工和超塑性。,一 塑性变形的概念,首先，复习一下低碳钢的拉伸试验和拉伸曲线,拉伸实验,拉伸曲线,拉伸曲线显示：,屈服点S处，有一水平线段，说明拉力不再增加，但是变形仍在继续，此时若卸载，试样的变形不能完全消失，将保留一部分残余的变形。,这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。,残余的塑性变形为p,B点的总变形为 ，=e+p,恢复的弹性变形为e,塑性变形
2、的基本概念,塑性变形：材料在外力作用下，发生不能恢复原 状的变形称为塑性变形； 塑 性：材料在外力作用下，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。 塑性表征参数：伸长率和断面收缩率。,塑性加工包括锻造、轧制、 挤压、拉拔、冲压等方法。,金属铸锭通过塑性加工，可以获得不同形状、尺寸 和力学性能的型材、板材或线材，以及零件毛坯或零件。,型材,奥迪A8 设计师：奥迪 发布时间：1994年 材料：铝合金,研究塑性变形的意义,为了改进材料的加工工艺,为了发挥材料的性能潜力,为了提高产品质量,了解金属塑性变形过程中组织变化的实质和变化规律,塑性变形是强化金属的重要手段之一。 （简称形变强化）,晶面: 在晶格中
3、由一系列原子所构成的平面称为晶面。,晶向: 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。,二 塑性变形的基本类型,滑移 和 孪生,实质：原子相对移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。 单晶体的变形有“滑移”和“孪生”等方式，重点研究滑移。,三、金属单晶体的塑性变形,当外加应力大于金属的屈服点时，金属发生塑性变形。,1 滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）发生相对滑动的过程。（如图所示） 由图可知： 外力P在一定的晶面上分解为两种应力，一为平行于该晶面的切应力，另一为垂直于该晶面的正应力，如图（a）所示； 只能引起晶格的弹性伸长
4、，（由cc，aa） ，或进一步把晶体拉断，如图（b）所示； 可使晶格发生弹性扭曲后，进一步造成滑移，如图（c）所示； 通过大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细，如图（d）所示,总 结：,滑移只能在切应力的作用下发生； 晶体在滑移的同时，由于正应力组成的力偶的作用，会推动晶体转动，力图使滑移面转向与外力方向平行。 一些概念 、滑移面：发生滑移的晶面，叫做滑移面； 、滑移方向：晶体在滑移面上发生滑移的晶向；、滑移系：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。 它表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可采取的空间位向，滑移系越多，该金属的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑移面的作用。,几
5、种常见金属晶格的滑移面和滑移方向 书P22表3-1。,滑移带和滑移线 滑移线表现为塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶。,滑移的观察,一般说来：滑移面总是原子最密排面，滑移方向也总是原子最密排方向。原因：在最密排面上，原子的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以最密排面之间的原子间的结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易滑移；同理，滑移方向也总是原子最密排方向。如图3-6所示。,滑移的位错机制： 问题：实际金属晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？ 回答：位错的运动使滑移进行；,位错运动造成滑移的示意图,滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通过位错的运动来
6、实现的。 在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移。 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。,位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现。,金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的； 滑移又是通过位错的移动实现的。 所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。 金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。,孪生的基本概念,
7、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)发生切变的变形过程称孪生。 发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。 孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。 孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。 孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。 体心立方晶格金属（如铁）在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等, 则比较容易发生孪生。,2、多晶体的塑性变形 多晶体金属的塑性变形本质与单晶体是一致的，每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行 多晶体与单晶体相比有两点不同相邻的晶粒位向不同；各晶粒之间存在晶界；,双晶粒拉伸“竹节”现象说明：金属的
8、晶界比晶粒本身具有更高的变形抗力；,2.1晶界和晶粒方位的影响,晶界阻碍位错的运动,晶界,材料变形抗力,强度,晶粒越细,细晶强化（晶界强化）：用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法。,晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变形的取向多； 晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂前可以承受较大的形变量； 晶粒细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传播；所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好的综合机械性能；,细晶强化原因,多晶粒中晶粒位向不同，当任一晶粒滑移时，都将受到周围不同位向的晶粒阻碍，从而使变形抗力增大，多晶体的变形抗力总高于单晶体。,2.2多晶体的塑性变形
9、过程,软取向的晶粒先滑移,晶界处位错塞积,产生应力集中,相邻晶粒滑移,2.3 多晶体的塑性变形特点,2.3.1 各晶粒变形的不同时性逐批进行。由塑性变形过程可以看出,2.3.2 晶粒之间要相互协调变形变形抗力比单晶体高fcc、bcc的滑移系多，各个晶粒变形协调性好，所以它们的多晶体金属表现出良好的塑性；hcp的滑移系少，所以塑性差；,2.3.3 多晶体变形的不均匀性造成内应力 由于晶界及相邻晶粒位向的影响 有的晶粒变形大，有的晶粒变形小； 一个晶粒内部变形也不均匀，呈现“竹节形”变形，如图所示；,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,经过塑性变形后，金属在组织和性能方面发生了四个方面的变化：
10、,(1) 晶粒沿变形方向被拉长，性能趋于各向异性。,(2) 产生了加工硬化现象。,(3) 晶粒择优取向，形成变形织构。,(4) 多晶体塑性变形后，金属内部存在残余内应力。,2、加工硬化(形变强化)在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降的现象。,2.1 加工硬化的机理 位错密度的增加； 位错之间交互作用；,使位错进一步运动阻力增大,2.2 实际意义： 优点：a、广泛用来提高金属材料的强度；（例如：冷轧钢板）b、有利于金属进行均匀变形；（例如：冷拔钢丝） 缺点：会给金属进一步加工造成困难，为此中间需进行再结晶退火处理。,3、晶粒择优取向，形成变形织构 变形织构
11、的形成，会使各种性能呈现各向异性。 优点：利用它所形成的各向异性； （例如：制造变压器铁芯的硅钢片） 缺点：也是因为它所形成的各向异性；（例如：制耳现象）,4、残余应力 4.1宏观内应力（第一类内应力）：由于金属工件或材料各部分的宏观变形不均匀而引起的，其平衡范围是物体的整个体积； 4.2微观内应力（第二类内应力）：由于各晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个晶粒或几个亚晶粒； 4.3点阵畸变（第三类内应力）：由于塑变使点阵发生畸变，其作用范围在几十至几百纳米范围；有害：导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀；,第三节 冷塑性变形后的金属在加热时的组织和性能的变化,退火：将
12、金属材料加热到某一规定温度，保温一定时间，然后缓慢冷到室温的一种热处理工艺。由回复、再结晶及晶粒长大三个阶段综合组成。,金属塑性变形,强度硬度,塑性韧性,冷变形加工性,退火处理,塑性韧性,强度硬度,1.1 回复加热温度较低时，原子的活动能力较差，显微组织可见变化，仅金属中的一些点缺陷的迁移而引起的某些晶内的变化 。如图所示，可见，回复时，强度、硬度、塑性等变化不大（力学性能变化不大），而会使内应力以及一些物理性能得到改善。这种只消除内应力，而保留强化效果的工艺叫做低温去应力退火（将工件加热到较低温度250300、保温、缓冷的工艺）。（例如：经深冲工艺制成的黄铜弹壳）,1.2 再结晶 （1）加热
13、到较高温度时，原子的活动能力增大，扩 散增强； （2）变形区域的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒 （3）是一个新的晶粒重新生核和成长的过程，但晶格的型式并不发生变化，所以称为再结晶。 （4）再结晶后，金属的强度、硬度降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象消除。如图所示。,再结晶温度（T再）：通常指经大变形度（7080%）的变形后，在规定的时间内能完成再结晶的最低温度， 再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进行的过程。 最低再结晶温度: 纯金属：T再（min）=（0.350.4）T熔； 合金： T再（min）=（0.50.7） T熔；注：温度的单位为K；,再结晶退火：将冷变形的金属加
14、热到再结晶温度以上，发生再结晶，消除加工硬化，称为再结晶退火。再结晶退火的温度经常定为最低再结晶温度以上100200。书P27表3-2。,3%变形后经550退火,6%变形后经550退火,9%变形后经550退火,12%变形后经550退火,15%变形后经550退火,冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）,1.3 晶粒长大：再结晶完成以后，随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会相互吞并而长大，这一现象称为晶粒长大。如图3-15所示；,1.4 再结晶后的晶粒大小,变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。但这并不意味着与变形前完全一样，中心问题是再结晶后的晶粒大小，
15、所以，就必须了解决定再结晶退火后晶粒度的因素有哪些？, 加热温度的影响再结晶时，加热温度越高，原子的活动能力越强，越有利于晶界的迁移，所以，退火后晶粒越粗大；同时，在加热温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。如图所示。, 变形度的影响：变形均匀程度的影响； 如图所示： 当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变形度小，畸变能小，不足以引起再结晶） 当变形度在2%10%时，再结晶后的晶粒特别粗大。将此范围的变形度称为“临界变形度”，生产上应尽量避免在此范围内变形。 当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，变形便越趋于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶粒就越细小均匀。 当变形度大于90%以上时，某
16、些金属还会出现晶粒的异常长大。,再结晶全图：变形度和退火温度对再结晶后晶粒度的影响；,第四节 金属的热加工,1、热加工与冷加工的区别： 热加工：再结晶温度以上的加工过程； 冷加工：再结晶温度以下的加工过程； 2、热加工对金属组织与性能的影响： 2.1改善铸锭组织： 2.2纤维组织： 性能上呈现各向异性；,2.3带状组织： 复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布的组织；,容器钢板的带状组织,第五节 超塑性 超塑性：某些合金在特定的条件下，其延伸率可达1001000%，所需的变形应力却较小，这种现象叫做超塑性。 1.微细晶粒超塑性： 2.相变超塑性：,本章小结： 1.金属单晶体
17、塑性变形的本质： 滑移、滑移的晶体学知识、滑移的位错机制； 2.多晶体塑性变形的特点细晶强化： 3.塑性变形后组织与性能的变化加工硬化； 4.回复与再结晶；去应力退火和再结晶退火；,作业,3-1 3-4 3-5 3-9,思考题： 1.名词解释：滑移、滑移系、加工硬化、回复、再结晶、临界变形度； 2.金属的塑性变形有哪几种方式？在什么条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？ 3.铜晶体在受力时发生滑移，其滑移面和滑移方向分别为( )个和（）个。,4、说明下列现象产生的原因？ （1）滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向？ （2） 实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比理论计算的数值小
18、；（3）Zn、-Fe、Cu的塑性不同；（4）晶界处滑移的阻力最大；,5、为什么细晶粒强度高，塑性、韧性也好？ 6、多晶体塑性变形的特点？在多晶体中，哪些晶粒最先滑移？ 7、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？,8.指出下列名词的主要区别： 弹性变形与塑性变形 热加工与冷加工 9.金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒，为什么？,10.用冷拔紫铜管通过冷弯的方法制造机器上的输油管，为了避免开裂，弯前应进行什么热处理？11.在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一端时间再进行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？12.用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温回火后，其弹力要比未经回火的好，这是为什么？13.在冷拔钢丝时，如果总的变形量很大，则中间需穿插几次退火工序，这是为什么？中间退火温度应选多高？,
