第一节金属塑性成性原理

二）单晶体的塑性变形：
1、塑性变形的实质- 滑移变形.
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为正应 力σ和切应力τ。 1）正应力σ：正应力σ使晶 格被拉长，只能造成晶体弹 性变形及断裂，而不能引起 晶体的塑性变形。
2）切应力τ：
（1）在切应力τ的作用下，金属晶体产生剪切变形， 即晶格歪扭。切应力τ较小时只发生弹性变形。
(1)生产方式：热锻、热轧、热挤压 .
(2)特点：
a）加工硬化和再结晶同时发生； b）冶金缺陷得到改善或消除； c）最终得到细小的等轴晶； d）组织致密，力学性能显著提高 e）变形程度大。
3） 温变形：自学
5 、纤维组织和锻造流线
铸锭组织不均，晶粒粗大，气孔、夹杂，塑性变形后， 晶粒及夹杂沿变形方向被拉长或压扁，呈纤维状及流 线分布。
工业中实际使用的金属大多是多晶体。
1、多晶体的特征： 1）晶粒的形状和大小不等 2）相邻晶粒的位向不同 3）多晶体内存在大量晶界
2、多晶体的塑性变形：
多晶体塑性变形比单晶体复杂得多，包括晶内变形和晶 间变形。
1）晶内变形：多晶体中单个晶粒变形与单晶体相似，
即，滑移变形和双晶变形，但，各晶粒的晶界附近，晶 格排列很不规则，位向各不相同，因而变形阻力大大增 加，晶内变形难以向相邻的晶粒继续扩展。
位错运（移）动引起滑移，位错运（移）动到晶体表 面就实现整个晶体的塑性变形。
刃位错的产生及运动
滑移面上位错的运动类似多脚虫爬行运动
多脚 虫 的 爬 行
还需指出： 晶体滑移不是只发生在一个晶面上，而是在相邻的一组晶面 上同时或先后发生，从而形成明显的滑移带（由很多滑移线 组成）。
滑移线：滑移的结果在晶体表面形成的一个个台阶。 滑移带：由若干条滑移线组成。 滑移系:一个滑移面和其上的一个滑移方向构成。
第一节 金属塑性成形原理
一、 金属塑性变形的实质
一） 晶体及变形： 1、 晶体：物质中的原子按一定规律在三维空间周期重复排列。 1）单晶体：具有一个晶粒的晶体（由一个晶核生长而成的晶体） . 2） 多晶体：大量晶粒组成的晶体。
2、金属晶体变形过程：
1)金属材料在外力作用下，发生弹性变形（暂时变形） ，σ＜σe。 2）弹性塑性变形：（暂时变形）σ＜σs。 3）当外力超过σs后,产生纯塑性变形,永久性变形。 4）外力继续加大，超过σb, 发生断裂。
b)Y＝2～5，纤维组织和锻造流线逐渐形成，各项机械性能继 续提高，但出现方向性（各向异性），横向塑性和韧性的提高 程度明显低于纵向。
c)Y＞5， 组织紧密程度，晶粒细化，均达极限；并出现严重 方向性（各向异性） 。纵向性能不再提高，而横向塑性和韧 性却逐渐下降。
注：出现性能方向性的组织已是纤维组织。
1)回复
金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶
格扭曲。加工硬化部分消除，原子获得能量, 振动加剧，回复正
常排列。
T回＝（0.25～0.3）T熔
（室温＋273）K
T回、T熔分别位金属回复、熔化的绝对温度。
2)再结晶
温度再增加，金属原子获得更多能量，加热到一定温度时,则以 某些碎晶和杂质为核心重新结晶生长成新的晶粒,加工硬化完全 消除。 (1）再结晶过程特点:
（1）晶界对多晶体变形的影响：
多晶体中当位错运动到晶界附 近时，受到晶界的阻碍而堆积 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。
（2）晶粒位向对多晶体变形的影响：
多晶体中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。
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
简单讲，
1）晶粒沿变形最大的方向伸长。 2）晶格晶粒均发生扭曲，产生内应力。 3）晶粒间产生碎晶。
2、性能： １）加工硬化（冷变形强化）：金属经过塑性 变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降 的现象。 是通过冷轧、喷丸等强化金属的理论根据。
原因：随变形量增加, 位错密度增加，使变形抗力增加；产生碎 晶；晶格扭曲，增大滑移阻力。→晶格畸变．
2）晶间变形：晶内变形必然引起晶粒形状的改变， 并从而引起晶间变形。晶间变形包括晶间滑移和晶 界的错动和转动。
结合多晶体的塑性变形过程，解释为什么细化晶粒 既可以提高材料的强度和硬度，又可以提高塑性和 韧性？
晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越 多，滑移系越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内 进行，变形越均匀，在断裂前发生的塑性变形量越 大，塑性越好。而且晶粒越细小，晶界面积越大， 位错障碍越多，金属塑性变形的抗力越大，强度、 硬度越高；同时晶界面积越大，对裂纹扩展的阻碍 作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，韧性就越 好，因此细化晶粒既可以提高材料的强度和硬度， 又可以提高塑性和韧性。
形成和长大的过程， 但不是相变过程，再 结晶前后晶粒的晶格 类型和成分完全相同。
铁素体变形80%
650℃加热
塑性变形的工业纯铁 再结晶后的组织变化
670℃加热
由于再结晶后 组织复原，因而金 属的强度、硬度下 降，塑性、韧性提 高，加工硬化消失。
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 100~200℃。
（3）多晶体中首先开始发生滑移的是滑移系与外力夹 角等于或接近于45°的晶面（切向力最大），依次向 其他角度的晶面发展。
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。
2)热变形（热加工）：在再结晶温度以上进行的变 形。
如 Fe 的熔点1538℃，其再结晶温度为451℃，其在 400℃以下的加工仍为冷加工。而 Pb (熔点为327℃) 的再结晶温度为-33℃，则其在室温下的加工为热加 工。
热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
这是由于晶体内部存在大量的位错缺陷。那么什么是位错 缺陷？
一般情况下，晶体内部存在下面三种缺陷，
（1）点缺陷：晶格空位或间隙原子出---缺一个原子。 （2）线缺陷：就是位错 ---缺一行原子。 （3）面缺陷：晶界或亚晶界（不同位向晶格过渡区域）→多 晶体。
由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态，对于高 位能原子很容易从一个相对平衡位置移到另一个位置 上，并且只在位错中心的少数原子发生移动，所以在 比理论低得多的切应力作用下，原子从一个位置到另 一个位置上，形成位错运（移）动。
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
4、冷变形和热变形: 1)冷变形（冷加工）：在再结晶温度以下进行的 变形。 (1)生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等 (2)特点：
a）位错密度上升—显著加工硬化，强度、硬度 上升，塑性、韧性下降；
b）尺寸精度高、表面质量好； c）变形程度不宜过大，避免破裂。
冷变形后的工件若继续进行冷加工，要进行再结 晶退火，因此金属压力加工主要采用热变形来进 行。
3）纤维组织和锻造流线对金属性能的影响及利用：
（1） 影响：使金属材料的机械性能出现方向性 。
平行纤维方向：塑、韧性↑
垂直纤维方向：塑、韧性↓
（2） 利用：因锻造流线稳定性很高，不能用热处理方法消 除，只有经过锻压使金属变形，才能改变方向和形状。因此， 为提高零件机械性能，尽量做到：
也就是，只有在切应力τ的作用下，金属晶体才能产 生滑移变形,也就是塑性变形。
2、滑移变形的实质 --- 位错运（移）动
1）理论上，应是整体刚性滑移 ---也就是，晶体滑移应是 滑移面上所有原子一起移动的刚性滑移。
如，锌单晶理论计算：σs=350kg/mm2 这样，滑移很困难。 2）但实际上，锌单晶实测：σs=0.1kg/mm2 滑移容易得多。这是为什么？
（2）切应力τ增大到某个晶面的临界切应力时，该晶 面两侧的原子发生相对滑移，即，
在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿着一 定的晶面产生相对滑动，叫滑移。这个晶面—滑移面。
滑移面上的原子移动距离为原子间距的整数倍，并在 新的位置上重新处于比较稳定的状态。
（3）若切应力τ消失，晶格的歪扭（弹性变形）恢复， 但已滑移的原子不能回到变形前的位置上去，即，产 生了塑性变形。
σ
σ
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带
3、孪晶（双晶）变形：在切应力作用下，晶体的一部 分沿一定晶面和晶向相对于另一部分产生一定角度的 切变。所需切应力比滑移大得多。
发生切变的部分称孪生带或孪晶，发生孪生的晶面称 孪晶面。 孪晶的结果：使孪晶面两侧的晶体呈镜面对称，并使 晶格位向发生改变。
三）多晶体的塑性变形
a）原子热振动加剧
b）以某些质点为核心重新结晶
c）加工硬化全部消除
(2)再结晶温度 再结晶不是恒温过程，而是自某一温度开始，在一定温度范围内 连续进行的过程。金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度， 称为再结晶温度。 T再=0.4T熔, T再—金属绝对再结晶温度。
黄 铜
加热温度 ℃
再结晶也是晶核
二、塑性变形对金属的组织和性能的影响
1、组织 1）金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的 晶粒也相应地被拉长或压扁 ； 2）当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊 不清。晶格、晶粒均发生扭曲，产生内应力； 3）塑性变形还使晶粒破碎为产生碎晶。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
（2）同时，变形后晶间杂质（沿晶 界分布的杂质）也沿着变 形方向被拉长或压扁成流线型，呈带状或链状分布。这种按一 定方向分布的晶界杂质称为锻造流线。
变形金属经再结晶后，纤维组织可被再结晶的细小等轴晶粒所 取代，但锻造流线稳定性很高，不能通过再结晶或用其他热处 理方法消除或改变，只有经过继续的塑性变形，也就是锻压使 金属变形，才能改变锻造流线的分布状态，也就是改变其方向 和形状。
e
s e
b k
3、金属弹性变形实质及塑性变形：
1）金属弹性变形实质：在外力作用下→内部应力→原子离开原来 的平衡位置（原子间距改变，金属变形，原子位能增高）；外力消 失→应力消失→原子回到原来位置（变形消失）。这就是弹性变形。
2）塑性变形： 塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。 塑性变形：当外力超过σs后,产生的永久性变形。 塑性变形的实质： 1）单晶体塑性变形：晶粒内部滑移和孪生。 2）多晶体塑性变形：晶间滑移和晶粒转动。
（1）有利：强化金属，形变强化 ．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。
（２）有害：变形抗力↑，继续压力加工困难，对模具不利，设 备吨位↑
２）残余内应力 内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时，内部变 形不均匀而引起的。 金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留 于金属中。
2) 锻造比及纤维组织和锻造流线 （1）锻造比: 在锻造生产中，金属的变形程度。
a）镦粗：横截面积变大：Y镦＝/F＞1
F0—变形前横截面面积， F—变形后横截面面积
（2）锻造比对纤维组织和锻造流线的影响：
a)Y＜2， 组织细化，无论纵向（拔长方向），横向，各项机 械性能均随锻造比显著提高。
变形增加越明显，纤维状及流线分布越明显。
也就是，
热变形后金属组织与性能： a）气孔、缩孔、缩松能锻合，提高致密度。 b）生成再结晶组织，细化晶粒。 c）生成纤维组织和锻造流线，使材料有方向性。
1）什么是纤维组织和锻造流线？
（1）金属发生塑性变形时，金属的晶粒形状沿着变形方向被 拉长或压扁，如变形量很大，将被拉长或压扁成纤维形状。这 种晶粒组织称为纤维组织。
３ 、回复与再结晶：
加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态， 具有自发恢复稳定状态的趋势（但室温不行).
也就是，金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢 复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定 状态可长时间维持。
而加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结 晶和晶粒长大。