1、2022-4-3中原工學院11.3 1.3 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形2022-4-3中原工學院22022-4-3中原工學院3n fcc、bcc和hcp三類金屬材料都能以孿生方式產生塑性變形，但fcc金屬只在很低的溫度下才能產生孿生變形。bcc金屬在沖擊載荷或低溫下也常發生孿生變形。hcp金屬及其合金滑移系少，并且在c軸方向沒有滑移矢量，因而更易產生孿生變形。 孿生變形也是沿特定晶面和特定晶向進行的。 2022-4-3中原工學院4n多晶體金屬中，每一晶粒滑移變形的規律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形具有如下一些特點。 1.各晶粒變形的

2、不同時性和不均勻性 2.各晶粒變形的相互協調性 2022-4-3中原工學院5n外力不增加，或者下降，試樣繼續伸長的現象。n非均勻塑性變形n呂德斯帶布滿試樣時，屈服結束，進入均勻塑性變形階段。n鋼板冷沖壓之前進行預先冷變形（12），防止褶皺。2022-4-3中原工學院6n材料的塑性應變速率與材料中的可動位錯密度，位錯運動速度和位錯柏氏矢量的關系為n在有明顯屈服點的材料中(含有微量間隙溶質原子的體心立方金屬，如Fe、Mo，Nb、Ta等),由于溶質原子對位錯的釘扎作用，可動位錯密度較小，在塑性變形開始時，可動位錯必須以較高速度運動，才能適應試驗機夾頭運動（ 一定 ） 的要求。 2022-4-3中原工

3、學院7n但位錯運動速度決定于其所受外力的大小，即 為作用于滑移面上的切應力； 為位錯以單位速度運動時所需的切應力；m為位錯運動速率的應力敏感性指數，表明位錯速度對切應力大小的依賴程度。 2022-4-3中原工學院8 因此，欲提高位錯運動速度，就需要較高的應力。塑性變形一旦開始，位錯便大量增殖，使位錯密度迅速增加，從而使 相應降低和所需應力下降。 這就是屈服開始時觀察到的上屈服點及屈服降落。 n鋸齒的產生：位錯相互作用，使可動位錯密度下降開動下降開動2022-4-3中原工學院9n位錯速度的應力敏感性m也是一個重要因素，m值越小，為使位錯運動速度變化所需的應力變化越大，屈服現象就越明顯，反之亦然。

4、如體心立方金屬，m100，因此，前者屈服現象明顯。 2022-4-3中原工學院10 屈服標準屈服標準 S定義定義: 材料開始塑性變形的應力材料開始塑性變形的應力。 根據使用場合不同，工程上常用的屈服標準有三種： (1)比例極限： 應力-應變曲線上符合線性關系的最高應力，國際上常采用p表示，超過p時即認為材料開始屈服。 SP 規定規定非比例伸長應力，規定殘余伸長應力 屈服強度屈服強度S2022-4-3中原工學院11(2)彈性極限： 試樣加載后再卸載，以不出現殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力。以e表示（ 0.01）。應力超過e時即認為材料開始屈服。 eP (3)屈服強度： 通常

5、以規定發生一定的殘留變形為標準，如常以0.2%殘留變形的應力作為屈服強度，符號為0.2。(注意與規定彈性極限的區別，屈服點明顯與不明顯的區別)2022-4-3中原工學院12影響屈服強度的內在因素（5條） 從位錯理論來看，無論是內在因素還是外在因素，之所以影響屈服強度，都和它們阻礙位錯運動的情況有關。（1）金屬本性及晶格類型：合金中的位錯主要分布于基體相內，位錯運動阻力首先來自于基體相。 臨界切應力和彈性模量G有關,G值越高其臨界切應力越大。過渡族金屬Fe、Ni等，G較高，其臨界切應力也高，因而屈服強度也高。 2022-4-3中原工學院13 臨界切應力還與晶體類型有關。金屬滑移方向的原子間距b(

6、柏氏矢量)越大，臨界切應力越大。如面心立方金屬Cu、Al和六方金屬Mg、Zn等b小，而體心立方金屬Fe、Cr等b大，因此，Fe、Cr等的屈服強度都較Cu、Al、Zn、Mg高。以Fe為基的鋼的屈服強度也比奧氏體鋼的屈服強度高。 2022-4-3中原工學院14 根據多晶體的塑性變形滑移機構，位錯運動時需要克服晶界的阻力，因而晶粒大小會影響屈服強度。位錯在基體金屬中的運動阻力或叫摩擦阻力，主要決定于晶體結構（彈性模量和b）和位錯密度決定于晶體結構的常數晶粒直徑此乃著名的霍爾派奇公式（2）晶粒大小細晶強化2022-4-3中原工學院15 應該指出，bcc金屬的ks較fcc和hcp金屬的ks高，所以bcc

7、金屬的細晶強化效果最好，而fcc和hcp晶系的金屬則較差。 用細化晶粒來提高金屬屈服強度的方法叫做細晶強化，它不僅可以提高強度，而且還可提高塑性和韌性，所以它是金屬強韌化的一種好辦法。 亞結構作用和晶界相同，上式也適合。2022-4-3中原工學院16 把異類元素原子溶入基體金屬得到固溶合金，可以有效地提高屈服強度。這樣的強化方法叫做固溶強化。 固溶強化的效果決定于溶質原子的性質、濃度以及與溶劑原子的直徑差等。 間隙固溶體強化效果大；置換固溶體強化效果較差。 圖中是不同合金元素對鐵素體鋼強化效果。可以看出其強化效果都隨濃度提高而增加，間隙固溶強化效果最高。(3)固溶強化2022-4-3中原工學院

8、17(4)第二相的影響 工業合金，特別是高強度合金，在基體上大都分布有第二相。它們一般是些硬而脆的物質，如金屬間化合物和金屬碳化物。在合金中，雖然第二相的比例不大，但因它們是以微小顆粒分布于基體上，卻顯著地影響屈服強度（彌散強化 ）。這些第二相組織可用粉末冶金法獲得，但一般多用合金化和熱處理方法獲得（如時效強化）。2022-4-3中原工學院18(5)形變強化 金屬預先塑性變形可以提高屈服強度，塑性變形量越大，屈服強度提高幅度也越大。這種因塑性變形而提高屈服強度的現象叫做形變強化或加工硬化。 在金屬塑性變形階段，變形曲線上升可以說明金屬的形變強化現象。 形變強化的本質也是位錯密度增大（位錯增殖）

9、和位錯運動受阻（位錯反應和位錯交割）的結果。 2022-4-3中原工學院19 時效強化和細晶強化是工業合金中提高材料屈服強度的最常用的手段。 在這幾種強化機制中，只有細晶強化既能提高強度又能增加塑性。另外幾種機制在提高材料強度的同時，也降低了塑性。2022-4-3中原工學院20影響屈服強度的外在因素n影響屈服強度的外在因素有：溫度、應變速率、應力狀態。n隨著溫度的降低與應變速率的增高，材料的屈服強度升高，尤其是體心立方金屬對溫度和應變速率特別敏感，這導致了鋼的低溫脆性和沖擊脆性。n應力狀態的影響也很重要，切應力分量越大的應力狀態，越有利于塑性變形，屈服強度越低，扭轉比拉伸屈服強度低，拉伸比彎曲

10、屈服強度低，壓縮時更低，三向壓縮最低。n通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。 2022-4-3中原工學院21S的工程意義 在傳統的強度設計方法中，對塑性材料，以屈服強度為標準，規定許用應力=s/n，安全系數n一般取2或更大；對脆性材料，以抗拉強度為標準，規定許用應力=b/n，安全系數n一般取6。 需要注意的是，按照傳統的強度設計方法，必然會導致片面追求材料的高屈服強度，但是隨著材料屈服強度的提高，材料的曲強比增加，材料的脆斷危險性增加了。（用斷裂韌性設計更全面）2022-4-3中原工學院22 屈服強度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的其他某些力學性能和工藝性能的大致度

11、量。例如材料屈服強度增高，對應力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強度是材料性能中不可缺少的重要指標。2022-4-3中原工學院23n1. 真實應力真實應力-應變曲線應變曲線n 由下圖可以看出， 工程應力應變曲線往往不能真實反映或度量變形過程中真正的應變和應力。 n拉伸時工程應變 總大于真應變， 工程應力小于 真應力。2022-4-3中原工學院24 真應力真應力- -應變關系應變關系: : 從試樣開始屈服到發生頸縮，這一段應變范圍中真應力和真應變的關系，可用Hollomon 關系式描述 S S= =K Kn n n 加工硬化指數或應變硬化指數 K 強

12、度硬化指數 S 真應力 真應變。 2022-4-3中原工學院25 理想的彈性體和理想的塑性體限定了一般材料加工硬化指數n的變化范圍，理想彈性體n=1為一45度斜線，理想塑性體n=0為一水平直線，n=1/2的為一拋物線。 金屬材料的n值一般為0.10.52022-4-3中原工學院26加工硬化的實際意義加工硬化的實際意義 形變強化是金屬的一個重要性能，在生產中具有十分重要的實際意義。1形變強化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。機件在使用過程中，某些薄弱部位因偶然過載會產生局部塑性變形，如果此時金屬沒有形變強化能力去限制塑性變形繼續發展，則變形會一直流變下去，而且因變形使截面積減小

13、，過載應力越來越高，最后會導致頸縮，而產生韌性斷裂。但是，由于金屬有形變強化性能，它會盡量阻止塑變繼續發展，使過載部位的塑性變形只能發展至一定程度即停止下來，保證了機件的安全使用。2022-4-3中原工學院27n金屬在塑變時，由于應力和材料性能的不均勻性，截面上各點的塑變起始時間和大小各不一樣，如果沒有形變強化性能，則先變形的部位就會流變下去，造成嚴重的不均勻塑變，從而不能獲得合格的冷變形金屬制品。但是，由于金屬有形變強化能力，哪里先變形它就在那里阻止變形繼續發展，并將變形推移至別的部位去，這樣變形和強化交替重復(即變形和強化的聯合)就構成了均勻塑性變形，從而獲得了合格的冷變形加工金屬制品。2

14、形變強化可使金屬塑變均勻進行，保證冷變形工藝的順利實現。2022-4-3中原工學院283形變強化可提高金屬強度，和合金化、熱處形變強化可提高金屬強度，和合金化、熱處理一樣，也是強化金屬的重要工藝手段。理一樣，也是強化金屬的重要工藝手段。 這種方法可以單獨使用，也可以和其它強化方法聯合這種方法可以單獨使用，也可以和其它強化方法聯合使用，對多種金屬進行強化，尤其是對于那些不能熱處理使用，對多種金屬進行強化，尤其是對于那些不能熱處理強化的金屬材料，這種方法就成了最重要的強化手段。如強化的金屬材料，這種方法就成了最重要的強化手段。如18-8奧氏體不銹鋼，變形前強度不高奧氏體不銹鋼，變形前強度不高，0.

15、2=20公斤力公斤力毫米，毫米，b=60公斤力毫米。但是經公斤力毫米。但是經40軋制后，軋制后，0.2=80100公斤力毫米，提高公斤力毫米，提高34倍，倍，b =120公公斤力毫米，提高一倍。斤力毫米，提高一倍。高碳鋼絲經過鉛浴等溫處理后拉高碳鋼絲經過鉛浴等溫處理后拉拔，可以達到拔，可以達到2000MPa以上。但是，形變強化方法只能使以上。但是，形變強化方法只能使強度提高，強度提高，而塑性損失了很多而塑性損失了很多。 生產上常用的噴丸和表面滾壓屬于金屬表面形變強化，生產上常用的噴丸和表面滾壓屬于金屬表面形變強化，除了造成有利的表面殘余壓應力外，也強化了表面材料，除了造成有利的表面殘余壓應力外

16、，也強化了表面材料，因而可以有效地提高疲勞抗力。因而可以有效地提高疲勞抗力。2022-4-3中原工學院294形變強化還可降低塑性改善低碳鋼的切削加工性能。 低碳鋼因塑性好，切削時易產生粘刀現象，表面加工質量差，此時可利用冷變形降低塑性，使切屑容易脆離，改善切削加工性能。 2022-4-3中原工學院30應力-應變曲線上的應力達到最大值時即開始出現頸縮。在頸縮前變形沿整個試樣長度是均勻的，因為材料應變硬化使試樣承載能力增加，可以補償因試樣截面減小使其承載力的下降。在B點之后，由于應變硬化跟不上塑性變形的發展，使變形集中于試樣局部區域產生縮頸。 B點是最大力點，也是局部塑性變形開始點，亦稱拉伸失穩點

17、或塑性失穩點。2022-4-3中原工學院31 出現頸縮時正是相當于負荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應有dF=0 F=AS dF=d(SA)=AdS+SdA=0 即 -dA/A=dS/S 根據塑性變形時體積不變條件，即dV=0 V=LA LdA+AdL=0 dL/L=-dA/A=d 故 dS/d=S 這就是出現頸縮的條件，即當加工硬化速率等于該處的真應力時就開始頸縮。 2022-4-3中原工學院32 依據頸縮條件，倘若已有真應力-應變曲線，并作出相應的應變硬化速率和應變的關系，這兩個曲線的交點即表示在該應變量下將要開始頸縮，在交點的左方dS/dS，硬化作用較強，足以補償因截面之減小所引起的應

18、力升高，而在交點的右方dS/dS，加工硬化的能力已經失去或已十分微弱，導致頸縮發生。dS/d=S2022-4-3中原工學院33n在縮頸點(拉伸失穩點)處Hollomon關系成立 Sb為試樣的真實抗拉強度n可以推導出 n這表明，當金屬材料的應變硬化指數等于最大真實均勻塑性應變量時，縮頸便會產生。 由此可以估計材料的均勻變形能力。由 不可能很大。2022-4-3中原工學院34n縮頸一旦產生，拉伸試樣原來所受的單向應力狀態就被破壞，而在縮頸區出現三向應力狀態，這是由于縮頸區中心部分拉伸變形的徑向收縮受到約束所致。在三向應力狀態下，材料塑性變形比較困難。為了繼續塑性變形，就必須提高軸向應力，因而縮頸處

19、的軸向真實應力高于單向受力下的軸向真實應力，并且隨著頸部進一步變細，真實應力還要不斷增加。2022-4-3中原工學院35n可利用Bridgmen關系式對頸部軸向拉應力進行修正n S頸部軸向真實應力(等于拉伸力除以縮頸部最小橫截面積)；ns修正后的真實應力；nR頸部輪廓線曲率半徑；na頸部最小截面半徑。 2022-4-3中原工學院36抗拉強度抗拉強度n抗拉強度抗拉強度 在材料不產生頸縮時抗拉強度代在材料不產生頸縮時抗拉強度代表斷裂抗力表斷裂抗力n脆性材料脆性材料：設計時，其許用應力以抗拉強度：設計時，其許用應力以抗拉強度為依據。為依據。 n塑性材料：塑性材料：雖然抗拉強度只代表產生最大均勻塑性變

20、形抗力，但它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力。對應于抗拉強度b的外載荷，是試樣所能承受的最大載荷，盡管此后頸縮在不斷發展，實際應力在不斷增加，但外載荷卻是在很快下降的。2022-4-3中原工學院37n易測定，重現性好：易測定，重現性好：作為產品規格說明或質作為產品規格說明或質量控制的標志。量控制的標志。nb b 能和材料的疲勞極限能和材料的疲勞極限-1-1和材料的硬度和材料的硬度H H B B 建立一定關系建立一定關系 對淬火回火鋼：對淬火回火鋼：- -1 1b b b0.345 H B n因此，因此，b b被列為材料常規力學性能的五大被列為材料常規力學性能的五大指標之一指標之一 n五大指標：五大指標：S S，b b，a a K K2022-4-3中原工學