材料的力学行为与变形
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温度－冲击功关系
10
3. 承受交变载荷作用时的力学性能
疲劳断裂：裂纹形成和扩展过程。机
械零件失效中80%属于疲劳断裂性质。
料对循称环基循数环1疲07劳； 极超限高R强-1(度σ钢-1)和：许钢多铁聚材
合物材料循环基数108 。
影响疲劳强度的因素：循环应力特
性、温度、材料成分和组织、表面状态、 残余应力。
图3—1（b）示的FCC中：影线所示的晶面为（111）、晶向为[1T0 〕 。它们分别为ＦＣＣ的滑移面和滑移方向，且〔1T0〕晶向就位于（111） 晶面上，故可构成一滑移系。
在图3—1（c）所示BCC中：影线所示晶面（111）、晶向 [10T]，它们 均属非滑移面、非滑移方向．
图3－1（d）示BCC中：影线所示的晶面（1T0）、晶向[1T1]，它们分 别为BCC的滑移面和滑移方向，但〔1T1〕晶向不在（1T0）晶面上，故仍不 能构成滑移系．
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2
本章学习要求
1 ．熟悉金属塑性变形（以滑移为主）的特点及其
２．了解塑性变形对金属组织与性能的影响，重点 掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义； ３.掌握有关再结晶的概念，明确再结晶温度及再结 晶退火温度的确定； ４．比较并总结强化金属材料的四种基本方式—— 细晶强化、固溶强化、弥散强化与加工硬化。
位错绕过机制
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33
弥散强化（或沉辑ppt
察电 镜 观
34
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21
4. 孪生变形简介（单晶体）
图3-10 孪生变形示意图
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22
[例题3-1] 在例图3-1所示的晶面、晶向中，请指出哪些是滑移面、哪
些是滑移方向？并就图中情况判断能否构成滑移系，同时应简述其理由？
(1)分析 如图所示，求解本题首先应明确两点，一是晶体的滑移通常发生在哪
些晶面和晶向上；二是具备什么条件才能构成滑移系？ 晶体的滑移通常总是沿着原子密度最大的晶面（滑移面）及其上原子密度最大
学习方法提示：材料的力学行为应着重理解各性能指标的物理意义，
聚合物和无机材料的塑变特点仅作一般了解。而对于金属塑性变形的特点 与实质可结合相关视频加深理解，特别是位错运动；对于冷、热塑性变形 对金属组织、性能影响应结合金工实习等加深理解，从中深刻体会有关加 工硬化与回复、再结晶等概念的含义及实际应用（结合习题）。
3.1.1 材料常用的力学性能指标
1. 承受静载作用时的力学性能
R(σ)
（a）低碳钢的R(σ)－ε曲线图
（b）低碳钢拉伸曲线
图3－1 低碳钢的R(σ)－ε曲线及拉伸试样
弹性模量E：表征材料对弹性变形的抗力。如锻模、镗杆。
强度：表征材料对塑性变形和断裂的抗力。ReL（σs），Rm（σb）， ReL/Rm
①切应力；②滑移面、滑移方向；③滑移系；
④滑移带线；⑤晶体位向；⑥滑移量；⑦伴有晶体转动。
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13
①只有在切应力作用下，才能产生塑性变形
图3－1 单晶体试样拉伸变形示意图
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14
②滑移总是沿着滑移面及其上的滑移方向进行
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15
③滑移系数目
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16
④ 滑移带、滑移线 ⑤晶体位向
（σs/ σb）。
塑性：δ，ψ。硬度：HBW，HRC、 HRB、HRA、HRR、HRL、
HRM，HV。
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9
2. 承受冲击载荷作用时的力学性能
冲击吸收功AK（冲击 韧度ak）：对材料内部结
构缺陷、显微组织变化很敏 感。
韧脆转变温度Tk：
bcc晶格的金属或以其为主 的低、中强度结构钢，Tk比 较明显且较高； fcc晶格的金属或高强度钢 基本没有这种温度效应。
两相晶粒尺寸相近、变形性能相近时：σb=Vασα+Vβσβ 两相性能相差很大时：
① 硬、脆的第二相，呈网状分布在晶界（如Fe3CⅡ） ② 硬、脆的第二相呈片层状，分布在塑、韧性相基体中（如P
片状） ③ 硬、脆第二相呈颗粒状，分布在塑性相基体中：
粗粒状分布（如P球即球化体,见第4章P105球化退火）;
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3
本章学习重点与方法提示
材料在外力作用下会发生变形，这种变形通常包括弹性变形与塑性变形 两种．塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，而且更为重要的是
塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能．因此本章讨 论的重点：金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点，塑性变形对金属
组织、性能的影响（特别是加工硬化）以及回复与再结晶的有关概念．
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4
3 塑性变形与再结晶
3.1 材料的力学行为与塑性变形
3.1.1 材料常用的力学性能指标 3.1.2 金属的塑性变形
3.2 冷变形加工对金属组织与性能的影响 3.3 冷变形加工金属在加热时组织与性能
的变化 3.4 金属的热变形加工
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5
3.0 概述
材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都 要受到外力的作用。材料受力后要发生变形，外力较小时产生 弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发 生断裂。材料经变形后，不仅其外形和尺寸发生变化，还会使 其内部组织和有关性能发生变化，使之处于自由能较高的状态。 这种状态是不稳定的，经变形后的材料在重新加热时会发生回 复再结晶现象。因此，研究材料的变形规律及其微观机制，分 析了解各种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形材料 在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分 重要的理论和实际意义。
3 材料的力学行为，
塑性变形与再结晶
Material’s Mechanical Behaviour , Plastic Deformation
Recrystallization
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1
请带着以下问题学习本章内容：
1. 材料在外力作用下的力学性能指标有哪些？ 它们各在什么场合下使 用？
2. 纯金属塑性变形的基本方式以及滑移的特点是什么？多晶体的塑性 变形特点又如何呢？
的晶向（滑移方向）进行；一个滑够面和此面上的一个滑移方向就组成了一个滑移 系。明确了这两条，就很容易判断图示晶面、晶向是否是滑移面、滑移方向。
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23
（2） 解答 在图3－1（a）示的FCC中：影线所示晶面为（101）、晶
向［110］。虽然 ［110］为FCC的滑移方向，但它不在（101）晶面上，而 （101）亦不是FCC的滑移面，所以不能构成滑移系。
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包
括力学性能、物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包
括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为
变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形; 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
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8
金属晶粒越细小，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同取向的晶粒
数目也越多，其塑性变形的抗力（即强度、硬度）就越高。 细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性也好。因为晶粒越细，
在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样变形量下，变形分散在更多晶粒 内进行，同时每个晶粒内的变形也比较均匀，而不会产生应力过分集中现 象。同时，因此时晶界的影响较大，晶粒内部与晶界附近的变形量差减小， 晶粒的变形也会比较均匀，所以减少了应力集中，推迟了裂纹的形成与扩 展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形。
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28
＃6. 合金的塑性变形
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
奥氏体 珠光体
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29
＃6. 合金的塑性变形
（1）单项固溶体合金 •何谓固溶强化？ •固溶强化的原
因是什麽？（如3－15图所示）
（2）多相合金的塑性变形特点（以两相合金为例）
3. 塑性变形对金属组织与性能的影响是什么？请分析加工硬化（形变 强化）的定义、产生原因及在生产中的应用。
4. 变形金属在重新加热时其组织与性能发生了哪些变化，为什么会产 生这些变化？
5. 再结晶与结晶、重结晶的根本区别在何处？再结晶与再结晶退火温 度是如何确定的呢？
6. 冷、热变形加工的本质区别是什么？
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6
3.1 材料的力学行为与塑性变形
3.1.1 材料常用的力学性能回顾
1. 承受静载作用时的力学性能 2. 承受冲击载荷作用时的力学性能 3. 承受交变载荷作用时的力学性能 4. 断裂韧度的概念 5. 有关材料耐磨性的概念
3.1.2 金属的塑性变形
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7
3.1.1 材料常用的力学性能回顾
疲 劳 曲 线
交变载荷示意图
疲劳断口
编辑ppt
11
4. 材料“断裂韧度”的概念
材料断裂韧度KⅠC ：
反映材料有裂纹存在时， 抵抗脆性断裂的能力。 它是材料本身的特性， 与裂纹的形状、大小无 关。
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12
3.1.2 金属的塑性变形
1. 金属塑性变形的基本方式
滑移
孪生
2. 单晶体滑移变形的特点（7点）
⑥ 滑移量一般是原子间距的整数倍
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17
⑦滑移时，伴有晶体的转动
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18
3.单晶体塑性变形（滑移）的微观机制
（1）刚性滑移理论
（2）临界分切应力理论与实测值比较
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19
3. 单晶体塑性变形（滑移）的微观机制
（3）位错运动机制
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20
位错的运动犹如蠕虫的爬行
多脚虫的爬行
弥散分布(弥散强化,见下页图).
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30
(1) 固溶强化
图3－15 溶质原子在位错附近的分布
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返回
31
（2）多相合金的塑性变形特点
P+CmⅡ 第二相呈硬脆的连续网状
珠光体 返
硬脆的第二相呈层片状
回
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32
（2）多相合金的塑性变形特点
硬脆第二相呈微细的点状 弥散强化
位错切过机制
（3）归纳 此例是第一章与本章知识的有机结合，同时也是落脚点。
因此，滑移面、滑移方向以及滑移系应联系起来综合考虑。
（4）请思考 立方晶系中，[110]与（110），[111]与（111）的关系
如何？
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24
5. 多晶体的塑性变形
（1） 晶界和晶粒方位的影响
编辑ppt
25
（2）晶粒大小对金属力学性能的影响
由于细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好，所以断裂时需消耗较 大的功，即冲击韧度（韧性）也较好。
因此细化晶粒是金属的一种非常重要的强韧化手段。
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26
（2） 晶粒大小对金属力学性能的影响
细晶
强化
右图所示 为晶粒大 小对金属 冲击韧度 的影响 →
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27
（3） 多晶体的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的 是滑移系与外力夹角等于或 接近于45°的晶粒。当塞积 位错前端的应力达到一定程 度，加上相邻晶粒的转动， 使相邻晶粒中原来处于不利 位向滑移系上的位错开动， 从而使滑移由一批晶粒传递 到另一批晶粒，当有大量晶 粒发生滑移后，金属便显示 出明显的塑性变形。
滑产生塑性变形作用下才能产生塑性变形图图331单晶体试样拉伸变形示意图单晶体试样面及其上的及其上的滑移方向滑界分切应力理论与实测值比较临界分切应力理如蠕虫的爬行请指出哪些是滑移面哪些是滑移方向
温度－冲击功关系
10
3. 承受交变载荷作用时的力学性能
疲劳断裂：裂纹形成和扩展过程。机
械零件失效中80%属于疲劳断裂性质。
料对循称环基循数环1疲07劳； 极超限高R强-1(度σ钢-1)和：许钢多铁聚材
合物材料循环基数108 。
影响疲劳强度的因素：循环应力特
性、温度、材料成分和组织、表面状态、 残余应力。
图3—1（b）示的FCC中：影线所示的晶面为（111）、晶向为[1T0 〕 。它们分别为ＦＣＣ的滑移面和滑移方向，且〔1T0〕晶向就位于（111） 晶面上，故可构成一滑移系。
在图3—1（c）所示BCC中：影线所示晶面（111）、晶向 [10T]，它们 均属非滑移面、非滑移方向．
图3－1（d）示BCC中：影线所示的晶面（1T0）、晶向[1T1]，它们分 别为BCC的滑移面和滑移方向，但〔1T1〕晶向不在（1T0）晶面上，故仍不 能构成滑移系．
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本章学习要求
1 ．熟悉金属塑性变形（以滑移为主）的特点及其
２．了解塑性变形对金属组织与性能的影响，重点 掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义； ３.掌握有关再结晶的概念，明确再结晶温度及再结 晶退火温度的确定； ４．比较并总结强化金属材料的四种基本方式—— 细晶强化、固溶强化、弥散强化与加工硬化。
位错绕过机制
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33
弥散强化（或沉辑ppt
察电 镜 观
34
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4. 孪生变形简介（单晶体）
图3-10 孪生变形示意图
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22
[例题3-1] 在例图3-1所示的晶面、晶向中，请指出哪些是滑移面、哪
些是滑移方向？并就图中情况判断能否构成滑移系，同时应简述其理由？
(1)分析 如图所示，求解本题首先应明确两点，一是晶体的滑移通常发生在哪
些晶面和晶向上；二是具备什么条件才能构成滑移系？ 晶体的滑移通常总是沿着原子密度最大的晶面（滑移面）及其上原子密度最大
学习方法提示：材料的力学行为应着重理解各性能指标的物理意义，
聚合物和无机材料的塑变特点仅作一般了解。而对于金属塑性变形的特点 与实质可结合相关视频加深理解，特别是位错运动；对于冷、热塑性变形 对金属组织、性能影响应结合金工实习等加深理解，从中深刻体会有关加 工硬化与回复、再结晶等概念的含义及实际应用（结合习题）。
3.1.1 材料常用的力学性能指标
1. 承受静载作用时的力学性能
R(σ)
（a）低碳钢的R(σ)－ε曲线图
（b）低碳钢拉伸曲线
图3－1 低碳钢的R(σ)－ε曲线及拉伸试样
弹性模量E：表征材料对弹性变形的抗力。如锻模、镗杆。
强度：表征材料对塑性变形和断裂的抗力。ReL（σs），Rm（σb）， ReL/Rm
①切应力；②滑移面、滑移方向；③滑移系；
④滑移带线；⑤晶体位向；⑥滑移量；⑦伴有晶体转动。
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13
①只有在切应力作用下，才能产生塑性变形
图3－1 单晶体试样拉伸变形示意图
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14
②滑移总是沿着滑移面及其上的滑移方向进行
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15
③滑移系数目
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16
④ 滑移带、滑移线 ⑤晶体位向
（σs/ σb）。
塑性：δ，ψ。硬度：HBW，HRC、 HRB、HRA、HRR、HRL、
HRM，HV。
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9
2. 承受冲击载荷作用时的力学性能
冲击吸收功AK（冲击 韧度ak）：对材料内部结
构缺陷、显微组织变化很敏 感。
韧脆转变温度Tk：
bcc晶格的金属或以其为主 的低、中强度结构钢，Tk比 较明显且较高； fcc晶格的金属或高强度钢 基本没有这种温度效应。
两相晶粒尺寸相近、变形性能相近时：σb=Vασα+Vβσβ 两相性能相差很大时：
① 硬、脆的第二相，呈网状分布在晶界（如Fe3CⅡ） ② 硬、脆的第二相呈片层状，分布在塑、韧性相基体中（如P
片状） ③ 硬、脆第二相呈颗粒状，分布在塑性相基体中：
粗粒状分布（如P球即球化体,见第4章P105球化退火）;
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本章学习重点与方法提示
材料在外力作用下会发生变形，这种变形通常包括弹性变形与塑性变形 两种．塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，而且更为重要的是
塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能．因此本章讨 论的重点：金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点，塑性变形对金属
组织、性能的影响（特别是加工硬化）以及回复与再结晶的有关概念．
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3 塑性变形与再结晶
3.1 材料的力学行为与塑性变形
3.1.1 材料常用的力学性能指标 3.1.2 金属的塑性变形
3.2 冷变形加工对金属组织与性能的影响 3.3 冷变形加工金属在加热时组织与性能
的变化 3.4 金属的热变形加工
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5
3.0 概述
材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都 要受到外力的作用。材料受力后要发生变形，外力较小时产生 弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发 生断裂。材料经变形后，不仅其外形和尺寸发生变化，还会使 其内部组织和有关性能发生变化，使之处于自由能较高的状态。 这种状态是不稳定的，经变形后的材料在重新加热时会发生回 复再结晶现象。因此，研究材料的变形规律及其微观机制，分 析了解各种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形材料 在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分 重要的理论和实际意义。
3 材料的力学行为，
塑性变形与再结晶
Material’s Mechanical Behaviour , Plastic Deformation
Recrystallization
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请带着以下问题学习本章内容：
1. 材料在外力作用下的力学性能指标有哪些？ 它们各在什么场合下使 用？
2. 纯金属塑性变形的基本方式以及滑移的特点是什么？多晶体的塑性 变形特点又如何呢？
的晶向（滑移方向）进行；一个滑够面和此面上的一个滑移方向就组成了一个滑移 系。明确了这两条，就很容易判断图示晶面、晶向是否是滑移面、滑移方向。
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23
（2） 解答 在图3－1（a）示的FCC中：影线所示晶面为（101）、晶
向［110］。虽然 ［110］为FCC的滑移方向，但它不在（101）晶面上，而 （101）亦不是FCC的滑移面，所以不能构成滑移系。
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包
括力学性能、物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包
括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为
变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形; 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
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8
金属晶粒越细小，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同取向的晶粒
数目也越多，其塑性变形的抗力（即强度、硬度）就越高。 细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性也好。因为晶粒越细，
在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样变形量下，变形分散在更多晶粒 内进行，同时每个晶粒内的变形也比较均匀，而不会产生应力过分集中现 象。同时，因此时晶界的影响较大，晶粒内部与晶界附近的变形量差减小， 晶粒的变形也会比较均匀，所以减少了应力集中，推迟了裂纹的形成与扩 展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形。
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＃6. 合金的塑性变形
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
奥氏体 珠光体
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＃6. 合金的塑性变形
（1）单项固溶体合金 •何谓固溶强化？ •固溶强化的原
因是什麽？（如3－15图所示）
（2）多相合金的塑性变形特点（以两相合金为例）
3. 塑性变形对金属组织与性能的影响是什么？请分析加工硬化（形变 强化）的定义、产生原因及在生产中的应用。
4. 变形金属在重新加热时其组织与性能发生了哪些变化，为什么会产 生这些变化？
5. 再结晶与结晶、重结晶的根本区别在何处？再结晶与再结晶退火温 度是如何确定的呢？
6. 冷、热变形加工的本质区别是什么？
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3.1 材料的力学行为与塑性变形
3.1.1 材料常用的力学性能回顾
1. 承受静载作用时的力学性能 2. 承受冲击载荷作用时的力学性能 3. 承受交变载荷作用时的力学性能 4. 断裂韧度的概念 5. 有关材料耐磨性的概念
3.1.2 金属的塑性变形
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3.1.1 材料常用的力学性能回顾
疲 劳 曲 线
交变载荷示意图
疲劳断口
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11
4. 材料“断裂韧度”的概念
材料断裂韧度KⅠC ：
反映材料有裂纹存在时， 抵抗脆性断裂的能力。 它是材料本身的特性， 与裂纹的形状、大小无 关。
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3.1.2 金属的塑性变形
1. 金属塑性变形的基本方式
滑移
孪生
2. 单晶体滑移变形的特点（7点）
⑥ 滑移量一般是原子间距的整数倍
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⑦滑移时，伴有晶体的转动
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3.单晶体塑性变形（滑移）的微观机制
（1）刚性滑移理论
（2）临界分切应力理论与实测值比较
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3. 单晶体塑性变形（滑移）的微观机制
（3）位错运动机制
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位错的运动犹如蠕虫的爬行
多脚虫的爬行
弥散分布(弥散强化,见下页图).
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30
(1) 固溶强化
图3－15 溶质原子在位错附近的分布
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31
（2）多相合金的塑性变形特点
P+CmⅡ 第二相呈硬脆的连续网状
珠光体 返
硬脆的第二相呈层片状
回
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32
（2）多相合金的塑性变形特点
硬脆第二相呈微细的点状 弥散强化
位错切过机制
（3）归纳 此例是第一章与本章知识的有机结合，同时也是落脚点。
因此，滑移面、滑移方向以及滑移系应联系起来综合考虑。
（4）请思考 立方晶系中，[110]与（110），[111]与（111）的关系
如何？
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5. 多晶体的塑性变形
（1） 晶界和晶粒方位的影响
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25
（2）晶粒大小对金属力学性能的影响
由于细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好，所以断裂时需消耗较 大的功，即冲击韧度（韧性）也较好。
因此细化晶粒是金属的一种非常重要的强韧化手段。
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（2） 晶粒大小对金属力学性能的影响
细晶
强化
右图所示 为晶粒大 小对金属 冲击韧度 的影响 →
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（3） 多晶体的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的 是滑移系与外力夹角等于或 接近于45°的晶粒。当塞积 位错前端的应力达到一定程 度，加上相邻晶粒的转动， 使相邻晶粒中原来处于不利 位向滑移系上的位错开动， 从而使滑移由一批晶粒传递 到另一批晶粒，当有大量晶 粒发生滑移后，金属便显示 出明显的塑性变形。
滑产生塑性变形作用下才能产生塑性变形图图331单晶体试样拉伸变形示意图单晶体试样面及其上的及其上的滑移方向滑界分切应力理论与实测值比较临界分切应力理如蠕虫的爬行请指出哪些是滑移面哪些是滑移方向