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1、第三章,金属材料的塑性变形,?,3.1,单晶体和多晶体的塑性变形,?,3.2,金属的形变强化,?,3.3,塑性变形金属在加热时,组织和性能的变化,?,3.4,塑性加工性能及其指标,1,3.1,单晶体和多晶体的塑性变形,3.1.1,单晶体的塑性变形,3.1.2,多晶体金属塑性变形的特点,2,3,P,?,?,?,P,?,P,P,?,?,?,?,P,：,载荷,?,：正应力,?,：切应力,单晶体受力后，外力在任何晶面,上都可分解为,正应力,?,（垂直晶,面）,和,切应力,?,（平行晶面）,。,正应力只能引起弹性变形,当超过,原子间结合力时，晶体断裂。,只有在切应力的作用下金属晶体,才能产生塑性变形。,
2、外,力,在,晶,面,上,的,分,解,切,应,力,作,用,下,的,变,形,锌,单,晶,的,拉,伸,照,片,塑性变形的,实质,是：在应力的作,用下，材料内部原子相邻关系已,经发生改变，故外力去除后，,原,子到了另一平衡位置,，物体将留,下永久变形。,3.1.1,单晶体的,塑性变形,4,滑移,是指当应力超过材料的弹性极限后，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。在应力去除后，,位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹,塑性变形的形式,：,滑移和孪生,金属常以,滑移,方式发生塑性变形,(1),滑移,5,1),滑移只能在切应力的,作用下发生。,1,、滑移变形的特点,6,2),
3、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。,因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。,7,沿其发生滑移的晶面叫做,滑移面；,沿其发生滑移的晶向叫做,滑移方向；,它们通常是晶体中的密排面和密排方向。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个,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,对塑性的贡献比滑移面更大。,8,FCC,6,金属的塑性：,fcc,bcc,chp,9,哪个滑移系先滑移？,当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量,?,c,（分切应力）大于等于一定的临,界值（,临界切应力，决定于原子间结合力）,，才可进行。,?
4、,?,?,cos,cos,?,?,?,A,F,c,取向因子,最先达到,?,c,的滑移系先开始滑移,滑移时,10,3),滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整,数倍。,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,。,铜拉伸试样表面滑移带,11,4),滑移的同时伴随着晶体的转动。,转动的原因：晶体滑移后,使正应力分量和切应力,分量组成了力偶,.,12,韧性断口,13,把滑移设想为刚性整体滑动,滑移面上每一个原子都同时移,到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有,原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大,3-4,个,数量级。,滑移是通过滑
5、移面上位错的运动来实现的。,2,、滑移的机理,14,刃位错的运动,滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密,度增大,晶体通过位错运动产生滑移时，只需要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,。,15,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，发生在滑移系较少,或滑移受限制情况下。,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,。,(2,）,孪生,16,孪生的结果使,孪生面,两侧的晶体呈镜面对称。,孪生示意图,17,孪生使晶格位向发生改变；,所需
6、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（滑移,是原子间距的整数倍）。,与滑移相比：,密排六方晶格金属,：滑移系少，常以孪生方式变形。,体心立方晶格金属,：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。,面心立方晶格金属,：一般不发生孪生变形。,18,单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。,多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。,在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上,的分切应力不同，只有一些,达到临界切应,力,的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的,相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或,相邻晶体的,转动,，从而使原来启动的滑移,系偏离最大切应力方向，
7、而停止滑移。另,一些原来不能启动的滑移系开动，进而使,整个晶体的塑性变形协调发展。,软,位,向,硬,位,向,晶粒所处的位向为易滑移的位向称为,“软位向”,反之谓“硬位向”。先发,生于软位向晶粒，然后到硬位向。,（,1,）不均匀的塑性变形,3.1.2,多晶体金属塑性变形的特点,19,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。,（,2,）晶粒位向差阻碍滑移,20,当位错运动到晶界附近时，,受到晶
8、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，从而使金属的变,形抗力提高。,（,3,）晶界的影响,21,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al,合金晶,界的位错塞积,22,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，另外，一定的变形量由更多晶粒分散,承担，不会造成局部的应力集中，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,也较好。,晶粒大小对塑性变形的影响,3.2,金属的形变强化,3.2.1,形变强化现象,3.2.2,塑性变形对组织及力学性
9、能影响,3.2.3,塑性变形产生的残余应力,23,金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化,，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其,塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称,为,加工硬化,或,冷作硬化,。,3.2.1,形变强化现象,利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上,应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用,热处理强化的合金，这种方法格外重要。,冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电,阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面,质量好，但塑性下降，进一步加工困难。,24,加工硬化（形变强化,强化材料的手段之一）,加工硬化的原因,塑
10、性变形,位错密度增加，相互缠结,(,亚晶界,),，运动阻力加大,变形抗力,金属在冷变形时，强度、硬度,，塑性、韧性,。,25,26,3.2.2,塑性变形对组织及力学性能影响,（,1,）对组织结构的影响,1,）组织纤维化,（晶粒变形）：,随着塑性变形量增大，原来的,等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材,料产生各向异性。,27,2,）亚晶粒的增多,：,变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错产生，,由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差,异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。,3,产生织构,：,金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽
11、管每个晶,粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量,(70%,以,上,),的一定方向的变形之后,由于晶粒的,转动,造成晶粒取向趋于一致，,形成了,“择优取向,”，即某一晶面,（晶向）在某个方向出现的几率明,显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做,变形织构,，,它使金属材料表现出明显的,各向异性,。,28,由于晶粒的转动，当,塑性变形达到一定程,度时，会使绝大部分,晶粒的某一位向与变,形方向趋于一致，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
12、率。,板织构,丝织构,形变织构示意图,各向异性导致的铜板,“制耳”,有,无,29,1,）加工硬化,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性,下降的现象称,加工硬化,。,（,2,）对力学性能的影响,30,1,）随变形量增加,位错密度增加,；,变形,20%,纯铁中的位错,未变形纯铁,产生加工硬化的原因,31,位错密度与强度关系,由于位错之间的交互作用,(,堆积、缠结,),，使变形抗力增加，塑,性降，强度、硬度升高,.,32,2,）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。,?,加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未,变形部分
13、开始变形。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，对于不能热,处理强化的金属和合金尤为重要。,3.2.3,塑性变形产生的残余应力,由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束，,各晶粒的变形先后不一致，有些晶粒的变形较大，,有些变形较小，在同一晶粒内变形也不一致，因而,造成多晶体变形的不均匀性。晶粒内部和晶粒之间,会存在不同的内应力，变形结束后残留在晶粒内部,或晶粒之间形成残余应力。,33,残余应力分为,:,1),宏观残余应力即第一类残余应力，是由于金属材,料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的残,余应力；,2),微观残余应力即第二类残余应力，是各晶
14、粒或亚,晶粒之间变形不均匀，在各晶粒或亚晶粒间产生的,残余应力；,3),晶格畸变残余应力即第三类残余应力，是金属在,塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷，使晶体,中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生,的残余应力。,34,残余应力的危害主要有：,1,）降低工件的承载能力,2,）使工件尺寸及形状发生变化,3,）降低工件的耐腐蚀性。,消除残余应力的方法：去应力退火。,35,3.3.1,回复,3.3.2,再结晶,3.3.3,晶粒长大,3.3.4,冷变形和热变形,3.3.5,金属纤维组织及其应用,3.3,塑性变形金属在加热时,组织和性能的变化,36,37,金属塑性变形后，出现,晶粒拉长,，,位错
15、增多,，,内应力升高,等现象，他们,会引起材料,体系能量提高,，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾,向。,在加热过程中，形变了的材料会发生,回复、再结晶,和,晶粒长大,三个过程，,如右图所示,。,回复、再结晶和晶粒的长大，他们,都是减少或消除结构缺陷的过程。,相应,地,材料的,结构和性能,也发生对应变化,。,加热促使转变进行,38,（,1,）回复概念,经冷加工的材料在较低的温度保温，,这时材料发生,点缺,陷消失,，,位错重排，应力下降,的过程为回复,。,利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保,留了加工硬化效果的方法为,去应力退火,（,2,）回复引起材料组织和性能变化,?,宏
16、观应力（第一类应力）基本消除，,但微观应力（第二、第三类）仍然残,存。,?,力学性质，如强度、硬度（略下降）,和塑性（略升高）没有明显变化。,3.3.1,回复,39,当变形金属被加热到较高温度时，,由于原子活动能力增大，晶粒的,形状开始发生变化，,在亚晶界或,晶界处,形成了新的结晶核心，并,不断以等轴晶形式生长，取代被,拉长及破碎的旧晶粒，这一过程,称为,再结晶,。,这种冷变形组织在加热时重新彻,底改组的过程称,再结晶,。,铁素体变形,80%,670,加热,650,加热,3.3.2,再结晶,40,再结晶也是一个晶核形成和长大的,过程，但不是相变过程，再结晶前,后新旧晶粒的,晶格类型,和,成分,
17、完全,相同。,核心出现在位错聚集的地方，,原子能量最高，最不稳定。它只是,一个形态上的变化。新晶粒中缺陷,减少，内应力消失了,。,冷变形奥氏体不锈钢,加热时的再结晶形核,SEM-,再结晶晶粒在原,变形组织晶界上形核,TEM-,再结晶晶粒形核,于高密度位错基体上,41,由于,再结晶,后组织的复,原，因而金属的强度、,硬度下降，塑性、韧性,提高，加工硬化消失。,冷变形黄铜组织性能随温度的变化,冷变形,(,变形量为,38%),黄铜,580o,C,保温,15,分后的的再结晶组织,42,再结晶温度,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，,在一个温度范围内连续进行的过程，,发生再结晶的,最低温度,称
18、再结晶温度,。,580o,C,保温,3,秒后的组织,580o,C,保温,4,秒后的组织,580o,C,保温,8,秒后的组织,冷变形,(,变形量为,38%),黄铜的再结,晶,43,T,再,与,的关系,金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度,达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低,再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度,与其熔点之间的近似关系,:,T,再,0.4T,熔,其中,T,再,、,T,熔,为绝对温度,.,如,Fe,：,T,再,=(1538+273),0.4,273=451,影响再结晶温度的因素,1,）金属的预先变形程度,44,金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素，,起阻碍
19、扩散和晶界迁移作用，,使再结晶温度显著,提高。,2,）金属的纯度,45,3,）再结晶加热速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较,高,温度发生；,延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降,低,。,生产中把消除加工硬化的热处理称为,再结晶退火,。再,结晶退火温度比再结晶温度高,100200,。,黄铜,580o,C,保温,8,秒后的组织,黄铜,580o,C,保温,15,分后的组织,46,再结晶完成后，若继续,升高,温度或延长保温时间，将发,生晶粒长大，,这是一个自发,的过程。,黄,铜,再,结,晶,后,晶,粒,的,长,大,580o,C,保温,8,秒后的组织,580,o,C,保温,15,分后的
20、组织,700,o,C,保温,10,分后的组织,3.3.3,晶粒长大,47,1,长大驱动力,再结晶完成后，金属获得均,匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因,为,长大有利于减少界面,，降低界面能。,这种,自由能的降低即为晶粒长大的驱,动力,。,2,正常长大和非正常长大,?,正常长大,：再结晶晶粒均匀长大。,方式：相互兼并，组织均匀。,?,非正常长大：,一些晶粒迅速长大，,并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。,晶粒的长大是通过,晶界迁移,进行的，是,大晶粒吞并小晶粒,的过程。,48,加热温度越高，保温时,间越长，金属的晶粒越,粗大，加热温度的影响,尤为显著。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,1,）加热温度和
21、保温时间,影响因素,49,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,2,）预先变形量,当变形量达到,210%,时,，只有部分晶粒变,形，变形极不均匀，,再结晶晶粒大小相差,悬殊，易互相吞并和,长大，再结晶后晶粒,特别粗大，这个变形,量称,临界变形量,。,预先变形量的影响，实质是变形均匀程度的影响。,当变形量很小时,，晶格畸变小，不足以引起再结晶。,50,当超过临界变形量后,，随变形程度增加，变形越来越,均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细,而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。,对某些金属，当变形,量相当大,(,?,90%),时，,再结晶后晶粒又重新,出现粗化现象，一般,认为这与形成,织
22、构,有,关。,3.3.4,冷变形和热变形,?,在再结晶温度以下的变形叫冷变形。冷变形后金属,产生形变强化。,?,在再结晶温度以上的变形叫热变形。热变形后金属,具有再结晶组织，而无形变强化。,?,金属塑性加工最原始的坯料是铸锭，其内部组织很,不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属,夹杂物等缺陷。铸锭经热塑性加工后，获得细化的,再结晶组织，气孔、缩松压合在一起，金属更加致,密，力学性能有很大提高。,51,3.3.5,金属纤维组织及其应用,铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿,晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，,呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。,金属
23、的回复和再结晶示意图,52,纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金,属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属,在纵向,(,平行纤维方向,),上塑性和韧性提鬲，而在横,向,(,垂直纤维方向,),上塑性和韧性降低。纤维组织的,明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，,纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比,(y),来表示变形程度。,拔长时的锻造比为,y,拔,=A,。,A,镦粗时的锻造比为,y,镦,=H,。,H,式中：,H,。,、,A,。,分别为坯料变形前的高度和横,截面积；,H,、,A,分别为坯料变形后的高度和横截面积。,53,纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加,以消除。只有经
24、过锻压使金属变形，才能改变其方,向和形状。因此，为了获得具有最好力学性能的零,件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产,生的最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力,方向与纤维方向垂直。并使纤维分布与零件的轮廓,相符合，尽量使纤维组织不被切断。,例如，当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，,螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受,力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能,力较弱,(,图,3,7a),。当采用同样棒料经局部镦粗方法,制造螺钉时,(,图,3,7b),，则纤维不被切断，连贯性好,纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,54,图,3-7,不同工艺方法对纤维组织形状的影响,55
25、,3.4,塑性加工性能及其指标,3.4.1,塑性加工性能及其指标,3.4.2,塑性加工性能的影响因素,56,?,金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加,工获得优质零件的难易程度。塑性加工性能常用金,属的塑性和变形抗力来综合衡量。,?,金属的塑性指金属材料在外力作用下发生永久性变,形而又不破坏其完整性的能力。常用截面收缩率、,延伸率和冲击韧度等指标表示。变形抗力指变形过,程中金属抵抗外力的能力。,3.4.1,塑性加工性能及其指标,57,(1),金属的本质,1),化学成分的影响,不同化学成分的金属其可锻性不同。一般情况下，纯金,属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；,钢中含有形成
26、碳化物的元素,(,如铬、钼、钨、钒等,),时，其,可锻性显著下降。,2),金属组织的影响,金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金,属及固溶体,(,如奥氏体,),的可锻性好，而碳化物,(,如渗碳体,),的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而,又均匀的组织的可锻性好。,3.4.2,塑性加工性能的影响因素,58,(2),加工条件,1),变形温度的影响,提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的,有效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效,利用等均有极大的影响。,金属在加热中，随温度的升高、金属原子的,运动能力增强,(,热能增加，处于极为活泼的状态中,),，,很容易进行滑移，因而塑
27、性提高，变形抗力降低，,可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。但温,度过高，对钢而言，必将产生过热、过烧、脱碳,和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，所以应该,严格控制锻造温度。,锻造温度范围系指始锻温度,(,开始锻造的温度,),和终锻温度,(,停止锻造的温度,),间的温度区间。,59,锻造温度范,围的确定以合金,状态图为依据。,碳钢的锻造温度,范围如图,3,8,所,示，其始锻温度,比,AE,线低,200,左右，终锻温度,为,800,左右。终,锻温度过低，金,属的可锻性急剧,变差，使加工难,于进行，若强行,锻造，将导致锻,件破裂报废。,图,3-8,碳钢的锻造温度范围,60,2),变形速度的影响,变
28、形速度即单位时间的变形程度。它对可锻,性的影响是矛盾的，一方面随着变形速度的增大，,回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金,属则表现出塑性下降、变形抗力增大,(,图,3,9,中。,点以左,),，可锻性变差。另一方面，金属在变形过,程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热,能,(,称为热效应现象,),，改善着变形条件。变形速度,越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、,变形抗力下降,(,图,3,9,中,d,点以右,),，可锻性变得更,好。但这种热效应现象除在高速锤等设备的锻造,中较明显外，一般压力加工的变形过程中，因变,形速度低，不易出现。,61,图,3-9,变形速度对塑性及变形抗力的影
29、响,1,变形抗力影响；,2,塑性变化曲线,62,3),应力状态的影响,金属在经受不同方法变形时，所产生的应力性质,(,压,应力或拉应力,),和大小是不同的。例如，挤压变形时为三,向受压状态。而拉拔时则为两向受压、一向受拉的状态。,图,3,-,10,挤,压,时,金,属,应,力,状,态,63,图,3-11,拉拔时金属应力状态,64,实践证明，三个方向的应力中，压应力的数目越多，,则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越,差。同号应力状态下引起的变形抗力大,于异号应力状态下的变形抗力。拉应力使金属原子间,距增大，尤其当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时，,在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，,甚至达到破坏报废的程度。压应力使金属内部原子间距离,减小，不易使缺陷扩展，故金属的塑性会增高。但压应力,使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力亦随之增大。,综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决,于变形条件。在压力加工过程中，应力求创造最有利的变,形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最,少，变形进行得充分，达到加工目的。,65,
