金屬塑性變形的物理基礎第一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二主要內容金屬冷態下的塑性變形

金屬熱態下的塑性變形

金屬的超塑性變形

金屬在塑性加工過程中的塑性行為第二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第一節金屬冷態下的塑性變形基本概念

單晶體多晶體位錯第三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二金屬的晶體結構單晶體：各方向上的原子密度不同－各向異性

多晶體：晶粒方向性互相抵消－各向同性存在著一系列缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷第四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二線缺陷（位錯）線缺陷又稱為位錯。位錯模型最開始是為了解釋材料的強度性質而提出的。材料拉伸實驗時，當應力超過彈性限度而使晶體材料發生塑性形變時，可以在表面上觀察到滑移帶的條紋。第五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移帶與滑移面第六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二如何解釋晶體滑移？第七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二如何解釋晶體滑移？按原子面與原子面之間剛性錯開的模型進行定量解釋時遇到嚴重困難。在該模型中假定滑移面兩側原子間的結合鍵同時破壞，又同時鍵合。由于同時破壞這些原子鍵所需的力很大，致使按照該模型計算出來的理論強度比晶體的實際強度要大100倍到1000倍。第八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二如何解釋晶體滑移？經過大量研究，人們認識到滑移過程并非是原子面之間整體的發生相對位移，而是一部分先發生位移，然后推動晶體中另一部分滑移，循序漸進。第九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二如何解釋晶體滑移？第十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二如何解釋晶體滑移？位錯就是在滑移面上已經滑移及尚未滑移部分的分界線。這樣，晶體的滑移可以看作是位錯運動的結果。當位錯從一端運動到另一端之后，整個晶體錯動了一個原子位置，位錯滑出晶體時，晶體恢復完整，但卻留下了永久形變。由于位錯附近有嚴重原子錯排，以及彈性畸變引起的長程應力場，因此在位錯附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比較容易運動。另一方面又由于運動是逐步進行的，所以，實際剪切應力比理論值要低得多。第十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二位錯S：位錯線長度，V：體積，ρ：位錯密度一般退火金屬：ρ

=106-108/cm2冷變形、淬火金屬：ρ

=1011-1012/cm2

位錯有兩種基本類型，一種叫做刃型位錯，另一種叫做螺型位錯。實際晶體中的位錯往往既不是單純的螺位錯，也不是單純的刃位錯，而是它們的混合形式，故稱之為混合位錯。位錯密度越高，金屬的強度、硬度越高。

第十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

刃型位錯

晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著半原子面的“刃邊”，形成一條間隙較大的“管道”，該“管道”周圍附近的原子偏離平衡位置，造成晶格畸變。刃型位錯包括“管道”及其周圍晶格發生畸變的范圍，通常只有3到5個原子間距寬，而位錯的長度卻有幾百至幾萬個原子間距。第十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

刃型位錯與間隙原子的相互作用刃型位錯會吸引間隙原子和置換原子向位錯區聚集。小的間隙原子（紅色）往往進入位錯管道，置換原子（棕色）則富集在管道周圍。這樣可以降低晶格的畸變能，同時這些間隙原子和置換原子對位錯起了釘扎作用，使位錯難以運動，結果可以使晶體的強度、硬度提高。第十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)第十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二刃型位錯第十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

刃型位錯

第十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

螺型位錯

第十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二螺型位錯第十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二螺型位錯第二十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二混合型位錯（螺型+刃型）

第二十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二位錯的運動單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優先開動時，形成單滑移。多滑移：由于變形時晶體轉動的結果，有兩組或幾組滑移面同時轉到有利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進行，形成“雙滑移”或“多滑移”。交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。第二十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移的表面痕跡單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶。第二十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二位錯源和位錯增殖第二十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).第二十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二一塑性變形機理

1晶內變形晶內變形的主要方式：滑移、孿生第二十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移

滑移:在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產生相對位移,且不破壞晶體內部原子排列規律性的塑變方式。滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。滑移系:一種滑移面及其上的一個滑移方向構成。第二十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移帶

第二十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移面、滑移方向、滑移系第二十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移時的位錯運動

一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯移到晶體表面時，則形成一條滑移線。

第三十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二臨界剪切應力

晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應力稱為臨界剪應力

取向因子

[uvw]isperpendicularto(uvw)第三十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二孿生

孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，此公共晶面就稱為孿晶面。第三十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片第三十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二孿晶第三十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二滑移與孿晶第三十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分數倍；孿生是部分位錯運動的結果；孿晶面兩側晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變。第三十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二孿生的特點（2）孿晶的萌生一般需要較大的應力，但隨后長大所需的應力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應力區形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經常以爆發方式形成，生成速率較快。第三十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二孿生的特點（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產生孿生變形），面心立方晶體中很難發生孿生。（4）孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。第三十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二一塑性變形機理

2晶間變形晶間變形的主要方式：晶粒之間相互滑動和轉動。第三十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二二多晶體的塑性變形第四十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二多晶體的塑性變形的特點各晶粒變形的不同時性位錯在晶界塞積應力集中相鄰晶粒位錯源開動相鄰晶粒變形塑變各晶粒變形的相互協調性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系5個。（保證晶粒形狀的自由變化）第四十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二多晶體的塑性變形的特點晶粒之間和晶粒內部與晶界附近區域之間變形的不均勻性

（1）晶界的特點：原子排列不規則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。第四十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二變形的不均勻性

（3）晶粒大小與性能的關系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化)

s=0+Kd-1/2

原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。

晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中導致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現出高塑性。

b晶粒越細，塑韌性提高細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現高韌性。第四十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二三合金的塑性變形

1單相固溶體的塑性變形（1）固溶體的結構（2）固溶強化

a）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現象。晶格畸變，阻礙位錯運動

b）強化機制柯氏氣團強化第四十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二固溶強化

c）屈服和應變時效現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。預變形和時效的影響：去載后立即加載不出現屈服現象；去載后放置一段時間或200℃加熱后再加載出現屈服。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。上屈服點下屈服點第四十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二固溶強化

d）固溶強化的影響因素

溶質原子含量越多，強化效果越好；溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質原子價電子數差越大，強化效果越好；間隙式溶質原子的強化效果高于置換式溶質原子。第四十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二合金的塑性變形2多相合金的塑性變形

結構：基體＋第二相性能：（1）兩相性能接近：按強度分數相加計算（2）軟基體＋硬第二相

第二相網狀分布于晶界（二次滲碳體）

a結構

兩相呈層片狀分布（珠光體）

第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）第四十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二多相合金的塑性變形性能（2）軟基體＋硬第二相位錯繞過第二相粒子(粒子、位錯環阻礙位錯運動)b彌散強化

位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）第四十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第四十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二四塑性變形對金屬組織和性能的影響

1對組織結構的影響

晶粒拉長

（1）形成纖維組織

雜質呈細帶狀或鏈狀分布第五十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第五十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二H62黃銅擠壓的帶狀組織第五十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二（2）亞結構變形量增大位錯纏結位錯胞（大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低)第五十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二（3）形變織構形變織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶粒呈擇優取向的組織。絲織構：某一晶向趨于與拔絲方向平行（拉拔時類型形成）板織構：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向（軋制時形成）第五十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二（3）形變織構

力學性能:利:深沖板材變形控制；弊:制耳

(各向異性)對性能的影響

物理性能:硅鋼片{100}[100]織構可減少鐵損第五十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二2對力學性能的影響（加工硬化）（1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象。四塑性變形對金屬組織和性能的影響

第五十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二2對力學性能的影響（加工硬化）

強化金屬的重要途徑利提高材料使用安全性（2）利弊材料加工成型的保證弊變形阻力提高，動力消耗增大脆斷危險性提高

第五十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第二節金屬熱態下的塑性變形從金屬學的角度看，在再結晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。在熱塑性變形過程中，回復、再結晶與加工硬化同時發生，加工硬化不斷被回復化再結晶所抵消，而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態。第五十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二一熱塑性變形時的軟化過程

第五十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二冷變形金屬加熱時組織和性能的變化第六十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二二熱塑性變形機理晶內滑移晶內孿生晶界滑移擴散性蠕變擴散性蠕變第六十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二三熱塑性變形對金屬組織性能的影響

改善晶粒組織鍛合內部缺陷破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布形成纖維組織改善偏析鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意

第六十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第三節金屬的超塑性變形超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現象。一超塑性的概念和種類第六十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二超塑性的特點

超塑性變形的一般特點：

1、大伸長率

2、無縮頸

3、低流動應力

4、易成形采用超塑性成形工藝，可獲得形狀復雜和尺寸精確的鍛件，而變形力大大降低。第六十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

超塑性成形實例

TC11鈦合金基于最大m值的超塑性研究試驗方法：最大m值法(原始創新)塑性指標：最大延伸率δ=2300%(世界新記錄)試驗溫度：900℃(最佳溫度)原始組織狀態：細晶，晶粒度5μm(工藝創新)試驗時間：2006.9.30試驗地點：南昌航空大學M棟112室第六十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二超塑性的種類

細晶超塑性

相變超塑性

是指在一定的恒溫下，在應變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所呈現的細晶超塑性。又稱為結構超塑性或恒溫超塑性。

是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復加熱和冷卻，經過一定的循環次數后獲得很大的伸長率。又稱為動態超塑性。第六十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二二細晶超塑性變形力學特征在整個變形過程中，表現出低應力水平、無縮頸的大延伸現象。流動應力（真實應力）對變形速率極其敏感。描述這種特征的方程為——真實應力——決定于試驗條件的材料常數——應變速率——應變速率敏感性指數第六十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二三影響細晶超塑性的主要因素

第六十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二四超塑性變形機理

目前仍處于探討階段，尚無統一的認識。幾種主流的觀點：晶界滑移的觀點擴散蠕變機理的作用動態回復和動態再結晶

一般地認為，超塑性變形機理比常規塑性變形機理更為復雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉動、擴散蠕變、位錯的運動、在特殊情況下還有再結晶等，是幾個機理的綜合作用。第六十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二A-V超塑變形機理

由Ashby和Verrall提出的晶界滑動和擴散蠕變聯合機理，簡稱A-V機理。σσ起始狀態中間狀態終了階段???

該理論認為，在晶界滑移的同時伴隨有擴散蠕變，對晶界滑移起調節作用的不是晶內位錯的運動，而是原子的擴散遷移。第七十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二第四節金屬在塑性加工過程中的塑性行為一金屬的塑性及其指標第七十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二1金屬的塑性

金屬在外力作用下發生不可恢復的變形而保持其完整性不被破壞的性質稱為金屬的塑性。應力-應變曲線碳鋼標準試件第七十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二1金屬的塑性試件在彈性極限范圍內的變形將完全恢復到原來的形狀。第七十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二1金屬的塑性

試件變形達到其彈性極限后，如果繼續加載，將發生不可恢復的變形，稱為塑性變形。第七十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二1金屬的塑性

對超過彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載曲線近似于彈性曲線。第七十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二1金屬的塑性塑性變形

試件完全卸載后，殘留部分不可恢復的變形εP,即塑性變形。第七十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二2金屬的塑性指標

衡量金屬材料塑性好壞的數量指標，稱為塑性指標，一般以材料開始破壞時的塑性變形量來表示。測定塑性指標的實驗方法

拉伸實驗

鐓粗實驗

扭轉實驗第七十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二拉伸試驗電子拉伸試驗機標準試件試件斷口第七十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二拉伸試驗的力學條件與塑性指標拉伸速度一般液壓機的速度范疇鍛錘變形速度的下限可確定以下塑性指標：第七十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

鐓粗試驗第八十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期二

扭轉試驗

材料的塑性指標用試樣破斷前的扭