1、.1 第三章第三章 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 第一節第一節 單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形1 1、滑移：、滑移： 晶體中一部分相對于另一部分沿一定晶體中一部分相對于另一部分沿一定 的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整體切向滑移。作整體切向滑移。.2塑性變形的滑移帶和滑移線實驗觀察塑性變形的滑移帶和滑移線實驗觀察滑移帶滑移帶滑移線滑移線1.1.外力作用的塑變，是原子平面間發生相對切向滑動。外力作用的塑變，是原子平面間發生相對切向滑動。2.2.變形只在少數晶面間發生切向滑動，即金屬塑變相當變

2、形只在少數晶面間發生切向滑動，即金屬塑變相當不均勻不均勻.3依靠晶體整體滑移的塑性變形模型依靠晶體整體滑移的塑性變形模型塑性變形依靠晶體整體滑移非常困難，因為塑性變形依靠晶體整體滑移非常困難，因為其需要滑移面兩側晶體的原子間鍵合幾乎全其需要滑移面兩側晶體的原子間鍵合幾乎全部同時斷開。部同時斷開。滑移面滑移面.4刃型位錯運動使晶體滑移刃型位錯運動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型位錯運動使塑性變形容易位錯運動使塑性變形容易.5螺型位錯運動使晶體滑移螺型位錯運動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型.6混合型位錯運動使晶體滑移混合型位錯運動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變

3、形的模型.7晶體的滑移塑性變形位錯機制晶體的滑移塑性變形位錯機制晶體的滑移塑性變形晶體的滑移塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形滑移面（面間結合力最小的晶面）滑移面（面間結合力最小的晶面）.8實驗觀察結論實驗觀察結論：（1 1）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向 變形）引起。變形）引起。（2 2）微觀滑移發生在晶體中確定的晶面（滑移面）微觀滑移發生在晶體中確定的晶面（滑移面） 和確定的晶向（滑移方向）上（合稱為滑移和確定的晶向（滑移方向）上

4、（合稱為滑移 系）系）。滑移面滑移面（密排面）（密排面）滑移面上的滑滑移面上的滑移方向（密排移方向（密排晶向）晶向）.9滑移塑性變形的特征滑移塑性變形的特征: :（1 1）滑移是）滑移是位錯的連續運動位錯的連續運動所致。所致。（2 2）存在滑移臨界分）存在滑移臨界分切應力切應力( (其大小影響材料屈其大小影響材料屈 服強度服強度),),不同晶體結構臨界分切應力不同。不同晶體結構臨界分切應力不同。（3 3）原子移動的距離是）原子移動的距離是晶格常數的整數倍晶格常數的整數倍，滑移，滑移 后仍保持晶體結構的完整性。后仍保持晶體結構的完整性。（3 3）滑移發生在晶體的）滑移發生在晶體的密排晶面密排晶面

5、和和密排晶向密排晶向上。上。（4 4）不同的晶體結構常具有不同的滑移系（面心）不同的晶體結構常具有不同的滑移系（面心 和體心：和體心：1212個；密排六方：個；密排六方：3 3個），滑移系個），滑移系 越多，越易塑性變形，塑性越好。越多，越易塑性變形，塑性越好。.10密排六方結構密排六方結構滑移系示意圖滑移系示意圖面心立方結構面心立方結構滑移系示意圖滑移系示意圖研究結論研究結論：阻礙位錯運動將提高材料屈服強度：阻礙位錯運動將提高材料屈服強度。體心立方結構體心立方結構滑移系示意圖滑移系示意圖.112 2、孿生孿生：晶體中一部分相對于：晶體中一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿生）另一部分沿一定的

6、晶面（孿生）和晶向（孿生方向）和晶向（孿生方向） 作多層均勻切向移動作多層均勻切向移動。 孿晶孿晶鏡面對稱鏡面對稱.12二、多晶體塑性變形特點二、多晶體塑性變形特點1 1、晶粒取向的影響、晶粒取向的影響 使微觀塑性變形不均勻和更復雜。使微觀塑性變形不均勻和更復雜。 F FF F晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻（1 1）取向不同，滑移所需）取向不同，滑移所需分分不同：硬取向，軟取向不同：硬取向，軟取向（2 2）各晶粒都滿足）各晶粒都滿足臨界臨界后，每晶粒各自沿自己滑移系后，每晶粒各自沿自己滑移系滑移，又要保持金屬結構的連續性。滑移，又要保持金屬結構的連續性。相互協調相互協調 相同外力

7、，多晶體比單晶體塑變量小相同外力，多晶體比單晶體塑變量小.132 2、晶界的影響、晶界的影響（1 1）阻礙位錯滑移）阻礙位錯滑移 故細化晶粒故細化晶粒提高強度提高強度：s s =0 0 + kd + kd-1/2-1/2。晶界晶界滑移面滑移面位錯位錯純鐵純鐵（2 2）使微觀塑性變形）使微觀塑性變形更為均勻，推遲斷裂發更為均勻，推遲斷裂發生，生， 改善材料塑性、改善材料塑性、韌性。韌性。 原因：原因： 在一定在一定作用下，當總的變形量一定時，晶作用下，當總的變形量一定時，晶粒細，粒細，位錯可在更多的晶粒中運動位錯可在更多的晶粒中運動塑變更均勻塑變更均勻不易應力集中不易應力集中強度，強度，塑韌性塑

8、韌性.14第二節第二節 金屬的形變強化金屬的形變強化一、形變強化（加工硬化）一、形變強化（加工硬化）1 1、冷變形（冷加工）后晶體內部組織的變化、冷變形（冷加工）后晶體內部組織的變化（1 1）晶粒碎化，點缺陷、位錯密度增大晶粒碎化，點缺陷、位錯密度增大。內部。內部 能量增大（儲存了部分形變能）。能量增大（儲存了部分形變能）。變形金屬中位錯胞變形金屬中位錯胞位錯密集區位錯密集區.15（2 2）變形量很大時，晶粒拉長，出現）變形量很大時，晶粒拉長，出現纖維組織纖維組織， 晶粒轉動形成晶粒轉動形成織構織構（擇優取向）（擇優取向），產生各向，產生各向異性異性。等軸晶等軸晶沿變形方向沿變形方向晶粒拉長晶

9、粒拉長 變形前變形前 變形后變形后 .16塑性變形量很大時會使各個晶粒塑性變形量很大時會使各個晶粒的取向基本一致而產生的取向基本一致而產生“織構織構”并造成各向異性。并造成各向異性。織構：晶粒空間取向趨于一致的組織狀態。織構：晶粒空間取向趨于一致的組織狀態。.172 2、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化 產生形變強化，電阻率上升，耐蝕性下降。產生形變強化，電阻率上升，耐蝕性下降。 形變強化形變強化：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強 度不斷提高，塑性不斷下降的現象度不斷提高，塑性不斷下降的現象。原因：位錯纏結，阻礙位錯運動。原因

10、：位錯纏結，阻礙位錯運動。sbHBHB塑性變形量塑性變形量塑性變形對塑性變形對30號號鋼力學性能的影鋼力學性能的影響響性性能能指指標標.183 3、形變后的殘余應力（分三類殘余應力）。、形變后的殘余應力（分三類殘余應力）。 （1 1）宏觀殘余應力宏觀殘余應力（第一類殘余應力）（第一類殘余應力） 因材料各部分之間塑性變形不均而產生。因材料各部分之間塑性變形不均而產生。心部變形大心部變形大摩擦力使表摩擦力使表層變形小層變形小拔絲模具拔絲模具金屬材料金屬材料拉拔力拉拔力金屬拔絲示意圖金屬拔絲示意圖金屬拔絲變形后殘余應力金屬拔絲變形后殘余應力金屬彎曲變形后殘余應力金屬彎曲變形后殘余應力.19（2 2）

11、微觀殘余應力微觀殘余應力（第二類殘余應力）（第二類殘余應力） 因晶粒之間塑性變形不均而產生。因晶粒之間塑性變形不均而產生。（3 3）晶格畸變殘余應力晶格畸變殘余應力（第三類殘余應力）（第三類殘余應力） 因晶粒內部位錯等造成晶格畸變而產生。因晶粒內部位錯等造成晶格畸變而產生。晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻產生第二類殘余應力產生第二類殘余應力變形金屬晶粒中位錯胞變形金屬晶粒中位錯胞產生第三類殘余應力產生第三類殘余應力高應力區高應力區.20l 殘余應力危害：減低工件承載能力；使工件殘余應力危害：減低工件承載能力；使工件 尺寸、形狀變化；降低工件耐蝕性。尺寸、形狀變化；降低工件耐蝕性。殘

12、余拉應力殘余拉應力拉應力拉應力拉應力拉應力表層殘余壓應力表層殘余壓應力拉應力拉應力拉應力拉應力殘余拉應力與外加應力疊加殘余拉應力與外加應力疊加殘余壓應力抵消部分外加應力殘余壓應力抵消部分外加應力ll殘余應力利用：表面壓應力提高疲勞強度。殘余應力利用：表面壓應力提高疲勞強度。.21第三節第三節 冷變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬在加熱時的變化 一、一、 回復、再結晶與晶粒長大回復、再結晶與晶粒長大冷變形金屬在加熱時經歷三個變化階段：冷變形金屬在加熱時經歷三個變化階段：加熱時組織變化：加熱時組織變化：回復回復晶粒長大晶粒長大再結晶再結晶升高加熱溫度或延長保溫時間升高加熱溫度或延長保溫時間.22加熱

13、時金屬性能變化：加熱時金屬性能變化：回復回復再結晶再結晶晶粒長大晶粒長大溫度溫度性能及其他指標性能及其他指標.231 1、回復、回復l加熱溫度加熱溫度：T T回回= =（0.250.250.30.3）T T熔熔（K K）l組織、性能變化組織、性能變化：點缺陷密度減少：離位原子與空位復合點缺陷密度減少：離位原子與空位復合位錯呈較規則排列：高密度位錯短程運動位錯呈較規則排列：高密度位錯短程運動殘余應力明顯下降殘余應力明顯下降: :引起引起強、硬略有下降。強、硬略有下降。電阻率下降。電阻率下降。l回復驅動力回復驅動力：冷變形時儲存的能量：冷變形時儲存的能量應用應用：去應力退火：去應力退火.242 2

14、、再結晶再結晶l再結晶再結晶：高溫加熱冷變形金屬（再結晶退火），：高溫加熱冷變形金屬（再結晶退火）， 使其形成無畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶使其形成無畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶 粒，各種性能恢復到冷變形前狀態的過程。粒，各種性能恢復到冷變形前狀態的過程。l組織、性能變化組織、性能變化：位錯密度明顯降低，變形晶粒：位錯密度明顯降低，變形晶粒 變為等軸晶粒，各種性能恢復到冷變形前狀態變為等軸晶粒，各種性能恢復到冷變形前狀態。l最低再結晶溫度最低再結晶溫度：能發生再結晶的最低加熱溫度：能發生再結晶的最低加熱溫度 經驗公式：經驗公式：T T再再=0.4 T=0.4 T熔熔（K K）l再結晶驅動力

15、再結晶驅動力：冷變形儲存能：冷變形儲存能 應用應用：再結晶退火：再結晶退火.253 3、再結晶后晶粒的長大、再結晶后晶粒的長大再結晶結束后繼續保溫，晶粒將進一步長大。再結晶結束后繼續保溫，晶粒將進一步長大。晶粒長大驅動力晶粒長大驅動力：晶界總面積減少導致的晶界：晶界總面積減少導致的晶界 能下降。能下降。.26二、冷變形（加工）與熱變形（加工）二、冷變形（加工）與熱變形（加工）冷變形冷變形：在：在再結晶溫度以下再結晶溫度以下進行的塑性變形。進行的塑性變形。冷變形特點：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、冷變形特點：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、 精度高。精度高。 熱變形熱變形：在：在再結晶溫度以上

16、再結晶溫度以上進行的塑性變形。進行的塑性變形。熱變形特點：熱變形特點：（1 1）變形過程伴隨有形變強化和回復與再結晶帶）變形過程伴隨有形變強化和回復與再結晶帶 來的材料軟化。來的材料軟化。（2 2）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用 越強。越強。（3 3）熱變形產生纖維組織）熱變形產生纖維組織“流線流線”。變形量越大，。變形量越大， 纖維化越明顯。纖維化越明顯。.27變形前組織變形前組織 變形后組織變形后組織 流流線線流線：塑性變形時，金屬中流線：塑性變形時，金屬中夾雜物、第二相等夾雜物、第二相等沿沿 變形方向分布排列。變形方向分布排列。低碳鋼熱加工

17、后的流線低碳鋼熱加工后的流線.28三、熱變形纖維組織的應用三、熱變形纖維組織的應用l “流線流線”使材料具有各向異性：使材料具有各向異性：平行于流線方向抗平行于流線方向抗拉強度高、塑性好拉強度高、塑性好垂直于流線方向抗垂直于流線方向抗剪強度高、塑性差剪強度高、塑性差.29l 應使應使“流線流線”合理分布：合理分布： 使零件承受的最大使零件承受的最大正正應力應力平行平行于于纖維方向纖維方向； 使零件承受的最大使零件承受的最大切切應力應力垂直垂直于于纖維方向纖維方向。用用軋軋材材切切削削用用鍛鍛造造加加工工金屬掛鉤中流線金屬掛鉤中流線.30第四節第四節 塑性加工性能及其影響因素塑性加工性能及其影響

18、因素一、塑性加工性能及其指標一、塑性加工性能及其指標塑性加工：通過使材料塑性變形而獲得具有一定塑性加工：通過使材料塑性變形而獲得具有一定 形狀、尺寸和質量的零件的加工方法。形狀、尺寸和質量的零件的加工方法。塑性加工性能：金屬材料通過塑性加工獲得優質塑性加工性能：金屬材料通過塑性加工獲得優質 零件的難易程度。零件的難易程度。塑性加工性能指標：塑性加工性能指標：塑性塑性、變形抗力變形抗力。 塑性越好、變形抗力越小，則塑性加工性能越好。塑性越好、變形抗力越小，則塑性加工性能越好。.31二、塑性加工性能影響因素二、塑性加工性能影響因素1 1、材料本質（內在因素）、材料本質（內在因素）（1 1）化學成分）化學成分（2 2）微觀組織）