第6章 金属材料的塑性变形
金属材料的塑性变形行为及其动力学机理
金属材料的塑性变形行为及其动力学机理金属材料是人类历史上最重要的材料之一，其广泛应用于工业和日常生活中。
金属材料的主要特点是良好的导电性、导热性和机械性能，如强度、韧性、延展性等。
其中，金属材料的塑性变形行为及其动力学机理是研究金属材料力学性质的重要方面。
一、塑性变形行为的概念与表现形式金属材料在受到外部力的作用下，会出现形变现象，这种形变称为塑性变形。
塑性变形是金属材料力学性质的重要表现形式，它是由原子、离子或分子的有序结构在力的作用下发生的有序形变过程。
塑性变形的表现形式可分为弹塑性和纯塑性两类。
弹塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出一定的弹性变形和一定的塑性变形，弹性变形在外力消失时能够恢复原状。
纯塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出完全的塑性变形，一旦停止外力作用，塑性变形就不可逆转。
二、金属材料塑性变形的动力学机理金属材料塑性变形的动力学机理主要包括滑移和剪切。
滑移是指晶格内部原子、离子或分子在外部应力作用下，在一定的晶格面和方向上沿晶格平面错开，使得整个晶体沿应力方向发生了塑性形变。
可以把滑移想象成晶格平面的滑动，其中滑动较容易发生的是(111)面和(100)面。
滑移不仅适用于单晶材料，也适用于多晶和多晶固溶体材料。
剪切是指在晶体中沿着一个晶面剪切另一个晶面而引起塑性形变。
剪切主要涉及到晶界和变形区的相互作用，其中晶界可以作为剪切面。
剪切的能量消耗要比滑移大得多，但是它对温度敏感性比滑移小，容易引起大规模位错滞后和晶界移动。
在金属材料中，滑移和剪切是相互竞争的，它们的作用对金属的塑性变形和强度产生了重要影响。
三、金属材料塑性变形的调节和增强方法金属材料塑性变形的调节和增强主要包括合金化、微结构控制和纳米加工等方法。
合金化是一种有效的方法，可以通过合理选择合金元素来控制晶体结构和化学成分，从而调控金属材料的塑性变形。
例如，添加易形变的合金元素可以促进位错堆积，增加位错密度和位错强度，从而提高金属材料的塑性变形。
6 金属塑性变形与流动问题
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。
6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
金属学
为简单，考虑λ=90° 为简单，考虑λ=90°-φ，即滑移 λ=90 面法线、滑移方向、外力轴在同一 平面上，则： cosλcosφ=cos（90°-φ）cosφ cosλcosφ=(1/2)sin2φ φ=45°，（cosλcosφ） =1/2， φ=45°，（cosλcosφ）max=1/2， cosλcosφ τ最大。这样的滑移系启动时所需 最大。 外力最小，最易滑移。 外力最小，最易滑移。
（2）对有多组滑移பைடு நூலகம்的晶体：多个滑移系滑移。 ）对有多组滑移面的晶体：
5、多系滑移 多系滑移： 多系滑移：在两个或更多个滑移系上同时或交替 进行的滑移。 进行的滑移。 出现在： 出现在：外力轴和几个滑移系构成的取向因子相 同（称等效滑移系），分切应力同时达到临界值。 多个等效滑移系各自作独立的滑移。 滑移线：呈交叉、曲折形状。 滑移线：
3、滑移所需的临界分切应力 滑移面的面积=A/cosφ 外力在滑移方向上的分力为Fcosλ，
外力在滑移面上沿滑移方向的分切应 力：
式中：F/A为正应力； cosλcosφ为取向因子(Schmidt）。 式中： 看出： 看出：外力和截面一定，作用于滑移系上的分切应力只与晶体 的受力方位（λ、φ）有关。当某一滑移系的取向因子大时，作 用在该滑移系的分切应力也大。
2、滑移的晶体学特征（滑移系） 滑移的晶体学特征（
滑移面：能够发生滑移的晶面（ 滑移面：能够发生滑移的晶面（原子密度最大或次大的晶 面）。 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（ 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（原子密度最 大的方向）。 大的方向）。 原因： 原因： 原子面密度最大，其面间距大，原子面间结合力小。位错 滑移所需加的临界切应力小，位错易发生移动； 原子密度最大的方向， 原子列间距大，原子列间 结合力小。
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
材料科学基础第六章
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24
• 6.2.1.4 滑移时晶体的转动：晶体被拉伸而 产生滑移时，由于拉力共线的影响，晶面 位向会发生改变, 结果使滑移面和滑移方向 逐渐趋于平行于拉力轴线；而压缩时，晶 面改变的
• 结果使滑
• 移面逐渐
• 趋于与压
• 力轴线垂
• 直。
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• 滑移面和滑移方向的改变必然导致斯密特 因子m的改变。
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• 面心立方金属的滑移系为{111}<110>，4个{111} 面构成一个八面体。当拉力轴为[001]时，
• (1) 对所有{111}面， cosφ=02+02+12/(12+12+12·02+02+12)=1/3 φ=54.7º，
• (2) λ角对[101]，[101] • [011]，[011]也都为45º， • (3) 锥体底面上的两个 • <110>方向与[001]垂 • 直。
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• 因此，八面体上有8个滑移系具有相同的取 向因子，当τ=τk时可以同时开动。但由于这 些滑移系有不同位向的滑移面和滑移方向 构成，滑移时有交互作用，产生交割和反 应，使滑移变得困难，产生较强的加工硬 化。
• 当两个以上的滑移
• 面沿同一方向滑移
• 便形成交滑移。
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• 发生交滑移时， • 晶体表面会出现 • 曲折或波纹状的 • 滑移带。 • 最容易发生交滑 • 移的是体心立方 • 金属，滑移面为 • {110}，{112}和{123}，滑移方向总是<111>。 • 因滑移面不受限制，所以交滑移必是纯螺形位错，
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
金属材料与热处理第六章答案
1 滑移与孪生的区别及它们在塑性变形过程中的作用。
答：滑移与孪生的区别：（1）滑移是晶体两部分发生相对滑动，不改变晶体位向，孪生是晶体一部分相对另一部分发生均匀切变，发生位向的改变，孪生面两侧原子呈镜面对称。
（2）滑移面上的原子移动的距离是原子间距的整数倍，而孪生方向移动的原子不是原子间距的整数倍。
（3）滑移是个缓慢的过程，孪生产生速度极快。
（4）滑移是在晶体内各晶粒内部产生不均匀，而孪生在整个孪生区内部都是均匀的切变。
作用：晶体产生塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生所需的临界应力要高很多，对塑性变形的贡献比滑移小得多，但孪生改变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。
2面心立方、体心立方、密排六方金属的主要塑性变形方式是什么？温度、变形速度对其有何影响？铝、铁、鎂中哪种金属的塑性最好？哪种最差？答：面心立方、体心立方有较多的滑移系，塑性变形以滑移为主，而密排六方金属对称性低，滑移系少，塑性变形方式主要是孪生。
变形温度越高，滑移越容易，孪生产生的几率越小，反之变形温度越高，滑移越困难，产生孪晶的几率越大。
变形速度越大，滑移常来不及产生足够大的变形，因此导致切应力增大，产生孪晶的几率也增大。
铝为面心立方结构、铁为体心立方结构、镁为密排六方结构，因此铝的塑性最好，镁的塑性最差。
3绘图说明常见fcc、bcc结构金属的滑移系有哪些？这两种晶体结构的密排面、密排方向是哪些？与滑移系之间有何关系？答：FCC晶格：滑移面就是最密排面：｛111｝包括(111), (111), (111), (111);滑移方向就是最密排方向：〈110〉每个滑移面上有三个，如图中箭头所示。
一个滑移面与滑移面上的一个滑移方向构成一个滑移系，因此滑移系数: 4×3=12BCC晶格：滑移面：｛110｝(110), (011), (101), (110), (011), (101)共6个滑移方向：〈111〉，每个滑移面上两个，如图箭头所示。
第六章材料科学基础
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶
两三个晶粒的拉伸试验表明：晶界处 的变形能力差，呈竹节状
2)晶界对材料的强化作用机理
晶界对材料的强化作用是通过晶界对位错 的阻塞作用实现的。塑性变形是通过位错在滑 移面上的滑移产生的，晶界可以阻止位错的滑 移，因此位错在晶界处形成阻塞，位错处阻塞 位错的数量越多，对位错源形成位错的反作用 力越大，当增大的某一数值，位错源停止形成 新的位错，因此滑移面停止进行，要使相邻晶 粒发生滑移须增大外应力，以启动其位错源动 作。这就是晶界的强化作用。
滑移方向 〈110〉 〈110〉
〈111〉
〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1123〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1010〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉
3.位错滑移时受到的点阵阻力
由于原子排列的周 期性，位错在滑移过程 中，位错中心的能量将 发生周期性变化，当位 错从位置1移动到位置2 时需要越过一个势垒， 即阻力，其大小如右图 所示。
切应力
2.晶体结构引起的加工硬化曲线的差异
6.1.2多晶体的塑性变形
通常使用的材料多为多晶材料，多晶材料变形 有以下特点： ①每个晶粒的变形行为方式与其单晶相同； ②每个晶粒的变形受其周围晶粒的影响；主要涉及 到晶粒之间的方位及取向关系； ③整个材料体的变形是通过各晶粒变形相互配合与 协调实现的。 因此多晶材料的屈服强度明显高于同类材料的 单晶体；并且晶粒越细，强度越高。
0 10 20 40 60 80 276 497 566 593 607 662
抗拉强度 （Mpa）
456 518 580 656 704 792
延伸率 断面收缩率 （% ） （% ）
34 20 17 16 14 7 70 65 63 60 54 26
材料科学基础-第6章塑性变形1
7
7
6.1.1 单晶体的塑性变形
晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。 例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系 同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金
属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大， 必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑 性要比铝、铜等面心立方金属差。
图6－6 拉伸时晶体发生转动的示意图
14
14
6.1.1 单晶体的塑性变形
5．多系滑移与交滑移 多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同， 分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个 或多个滑移系同时进行。 交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面 沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。
4
4
图6－2 滑移带形成示意图
5
5
2．滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
表6－1
三种常见金属晶体结构的滑移系
6
6
6.1.1 单晶体的塑性变形
滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方 向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的 距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小， 故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要 移动的间距小，阻力也小。 一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间 取向。 晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越 好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。
11
11
图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
金属学及热处理课后习题答案解析第六章
⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。
答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。
当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。
cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。
当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。
答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。
1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。
在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。
2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。
3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。
第六章 金属材料性能与塑性变形
？？？
减震
恒力碟簧支吊架
第二节 弹性变形
1.2.5 滞弹性
（1）突然加载OA，产生瞬时应 变Oa ,而后产生附加应变Ah （2）快速卸载Be，产生瞬时应 变He 而后产生附加应变eO
滞弹性
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附 加弹性应变的现象。
产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。
P 载 荷 (N)
b
e p Pp s
(MPa) k
Pk
0
lk b （低碳钢的拉伸力-伸长曲线）
l
lu
l伸长 0 (mm)
p
b
k
u
（低碳钢的应力-应变曲线）
k
(%)
低碳钢的应力-应变曲线 (M Pa) b k
a
a′
0a段 aa ′段 a ′b段
弹性变形 阶段 塑性变形 阶段
但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变 形机理取代弹性变形
第二节 弹性变形
1.2.2 胡克定律
(一) 简单应力状态的胡克定律 1．单向拉伸
y
y
2．剪切和扭转
x z y
E
y
E
（1-1）
G
E G 3．E、G的关系 2(1 )
断口特征
第一节 应力－应变曲线
1.1.1 脆性材料的拉伸性能
在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
材料完全脆性的－ 曲线
弹性变形阶段 应力-应变成正比
E G
金属材料的塑性变形
金属材料的塑性变形-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One11.3 金属材料的塑性变形1.3.1 屈服强度及其影响因素1. 屈服标准工程上常用的屈服标准有三种：(1)比例极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。
(2)弹性极限试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
国际上通常以σel表示。
应力超过σel时即认为材料开始屈服。
(3)屈服强度以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。
2. 影响屈服强度的因素影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。
如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。
从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。
沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。
在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。
影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。
随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。
应力状态的影响也很重要。
虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。
我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。
3.屈服强度的工程意义传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σ/n，ys安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。
需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。
第六章金属塑性成形工艺理论基础
3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好， 一般不需机械加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机 械化和自动化。
5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。
6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用 高，只适用于大批量生产。
坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅 助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形 不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保 证，所用设备与工具通用性强。
自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产 大型锻件的唯一方法。
1) 自由锻设备
空气锤 它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适
用于小型锻件；65~750Kg
挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯 料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得 具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。
图6-3 挤压
挤压的优点：
1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙 度。 2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。 3）提高零件的力学性能。 4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。
3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不 平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平 整端面、校直弯曲。
3）自由锻的特点
优点：
1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。
实例：
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(如图示 )。
华中科技大学工程材料学课件第06章 金属材料的塑性变形
(a) 锻造曲轴
(b) 切削加工曲轴
工程材料学
强化金属的基本原理和方法
一、基本原理
提高塑性变形抗力的过程称为材料的强化。强化的方 法就是设法增大位错运动的阻力。
二、主要方法
1. 细晶强化：晶界阻碍位错运动。同时提高塑性、韧性。 2. 固溶强化：溶质原子使晶格畸变，阻碍位错运动。 3. 弥散强化：在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位 错运动。有时称为沉淀强化。 4. 加工硬化：冷加工变形增大位错密度，位错阻碍位错运动。 也称位错强化。 金属材料的合金化与热处理综合运用了上述强化手段， 有效地强化金属。
四、晶粒长大 1.长大动力
晶界的界面所有能长大晶粒都处在大致相同的环境， 长大后的晶粒大小分布统计结果相同，所以把这种晶粒的均 匀长大称为正常长大。长大方式以大吃小的兼并方式进行。 晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大。
3.晶粒的非正常长大
工程材料学
第四节 金属的热塑性变形
三、再结晶
特点
(1)再结晶过程不是相变。变化前后晶粒成分相同， 晶体结构并未发生变化，属于同一个相。 (2)再结晶在一定温度范围内完成。它没有确定的转 变温度，再结晶是在温度达到一定程度后，原子 活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排，温 度愈高，完成愈快，没有固定温度，但有一温度 下限，这个温度称为再结晶开始温度。
F cos cos A
称为施密特定律。 coscos称为取向因子。 超过临界切应力的滑移系，可以滑移。 滑移的同时还会发生转动。
工程材料学
第二节 单晶体金属的塑性变形
三、滑移的本质
2. 滑移的本质是位错的运动 刚性滑移所需的临界切应力值太大，不可能发生。实际金 属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级。见书上表6-2。
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其中：
m cos cos( 90 ) 1 sin 2
2
故当φ=45°时m有最大值1/2。
m称为Schmit因子（取向因子）
工程材料学
4 临界分切应力定律（Schmit定律）
实验证明 晶体的取向不同，虽然试 样开始屈服时（即开始滑移 时）的屈服强度变化很大， 但是计算出的分切应力总是 一个定值，这个值称为临界 分切应力，这个规律叫临界 分切应力定律。 临界分切应力是真正表示 晶体屈服实质的一个物理量， 它不随试样的取向而变化， 只决定于晶体内部的实际状 况。
工程材料学
脆性断裂的三个阶段
一般认为脆性断裂的发生分为三个 阶段： A) 塑性变形使得位错沿滑移面运 动时在障碍物处聚集； B) 在位错受阻处形成切应力，并 产生微裂纹； C) 应力使微裂纹进一步扩展，储 存的应变能也可帮助裂纹扩展。 低温及高应变速率有利于脆性断裂 。同样三轴应力状态如在缺口处有 利于脆性断裂的发生，突然发生， 危害大。
密排面
•密排面之间较易 发生滑移； •密排原子方向也 是容易发生滑移的 方向
非密排面
密排面与非密排面原子滑移过程的比较
工程材料学
晶体中的滑移系比较
1、FCC中的滑移系： 滑移面：{111}，滑移方向：<110> 4 X 3 = 12 (滑移系)
2、BCC中的滑移系： 滑移面：{110}，滑移方向：<111> 滑移系 = 6 X 2 = 12(个) 3、HCP中的滑移系： 滑移面： (0001), 滑移方向： [1210] [2110] [1120] 滑移系：= 1 X 3 = 3
工晶体的塑性变形
工程材料学
• 其特征是： • 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍， • 滑移后滑移面两侧的晶体位向保持不变， • 滑移的结果使晶体产生台阶。
工程材料学
1、单晶体的滑移
铜单晶塑性变形后表面的 滑移带
单晶体塑性变形时滑移带的形成过程
工程材料学
2、晶体中的孪生：
•为什么理论值与实际值会有如此大的差别呢？
工程材料学
1930年代，英 国物理学家 Tayler 研究证明： ●滑移是通过位错运动进 行的。 ●滑移时又会产生大量新 的位错，即位错增殖。
工程材料学
滑移的实质是位错的运动
工程材料学
刃型位错运动
螺型位错运动
工程材料学
在这张照片 中,“菱型”为 位错在样品中 的位置. 放大 倍数为750. 材 料为LiF
工程材料学
再结晶过程中显微组织的变化
1。回复阶段：在再结晶温度（T再一般大于 0.4Tm ）以下的温度。 只发生晶格内部的变化，变形晶粒外形不变， 加工硬化保留，但内应力下降。 应用：去应力退火，用于去除冷塑性变形后的 残留应力。 2。再结晶阶段：在再结晶温度（T再）以上的 温度。 逐渐形成与原始变形晶粒晶格相同的等轴晶粒 ，加工硬化、内应力完全消除。 应用：再结晶退火，用于冷压力加工中的中间 退火。 3。晶粒长大阶段：再结晶完成后继续加热。 晶粒不均匀异常长大，使力学性能恶化，应当 避免。
工程材料学
2
对力学性能的影响
（1）、加工硬化： 金属与合金受到外力发生塑性变形后，其硬度、强度增加的现象 成为加工硬化。 原因：塑性变形使位错密度增大，晶粒碎 化，晶格严重畸变，位错运动越来越困 难。加工硬化也称位错强化。 应用：●提高金属强度。 ●使冷变形产品得到均匀的变形。
滑移面
晶界
工程材料学
第五节、金属的强化与韧化
1、金属的断裂 1）断裂:
断裂即是物体在应力的作用下， 由一个完整的部分变为两个分离的部 分的过程。 2 ）
韧性断裂与脆性断裂:
“杯状”断裂的形成过程
塑性断裂是指断裂时伴随着一定 量的塑性变形，而且裂纹扩展速度较 慢，而与此相反，脆性断裂是指断裂 前几乎没有发生塑性变形，断裂通常 沿一定的晶体学面扩展，并具有较高 的裂纹扩展速率，断口平齐光亮。
工程材料学
晶粒的异常长大
工程材料学
再结晶后的晶粒尺寸
• 1、预先变形量
• 一般随着变形量的增加，再 结晶后的晶粒尺寸不断减小
• 2、退火温度和时间
• 其他条件相同时，退火 温度高、保温时间长， 所得到的晶粒尺寸愈大 。再结晶退火一般均采 用保温 2小时
工程材料学
第四节 金属热塑性变形
金属热加工的作用 1。热加工的概念 ●在再结晶温度（T再）以下的加工变形称为冷加工，冷 加工会产生加工硬化和内应力。 ●在再结晶温度（T再）以上的加工变形称为热加工，热 加工时再结晶同时发生，形成等轴晶粒，加工硬化和 内应力会同时消除。
塑性变形对力学性能的影响：
问题：没有老虎钳，如何剪断一根铁丝？基本原理是什么？
工程材料学
• ⑵ 产生残余应力
• 第一类残余应力：金属内部与表面，宏观残余应力 • 第二类残余应力：晶粒之间，微观残余应力 • 第三类残余应力：晶格畸变、位错密度增加，晶格畸变内应力
• 因变形不均匀，残留内应力，易变形开裂，且耐蚀性下降。 • 但残余压应力有利于疲劳强度的提高
1。对组织结构的影响 ⑴显微组织呈现纤维状 晶粒及夹杂物沿变形方向伸长及分布，使纵向力学性 能大于横向。
工程材料学
（2）、晶粒中亚晶粒增多；
因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂的交互作用，位错密度 增加，产生位错缠结，使晶粒碎化成更小的亚晶粒。
a
b
位错缠结
工程材料学
（3）、产生形变织构
工程材料学
2、孪生
孪生变形是晶体特定晶面（孪晶面） 的原子沿一定方向（孪生方向）协同 位移（称为切变）的结果，但是不同 的层原子移动的距离也不同。 一般是滑移系少，如Mg,Zn合金是HCP 结构，或体心立方金属低温变形易产 生孪生变形。 晶体孪生示意图
滑移与孪生后表 面形貌的差别
工程材料学
3、滑移系
滑移系 晶体中一个滑移的晶面与其上的一个可发生晶体滑移的方向合称为一 个滑移系。
工程材料学
第三节
变形后金属的加热变化
一、塑性变形后金属的状态 塑性变形后金属加工硬化且有内应力残留，处于不稳定状态。加热 促使原子运动，使以下转变得以进行。 二、塑性变形后金属加热时的组织性能变化 按加热温度的不同，可分为三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大
回复阶段： 显微组织不变，点缺陷减少， 电阻率降低，畸变程度降低， 内应力明显减少。 金属强度、硬度略有降低
工程材料学
Outline
1 2
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的加热变化 金属热塑性变形 金属的强化与韧化
3
4
5
金属变形的基本形式
三阶段：I、弹性变形、II、塑形变形、III、断裂
第一节 单晶体的塑性变形
塑性变形的基本方式方式:滑移和孪生 一、滑移
1。在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部 分发生滑动位移的现象。 ●此晶面称滑移面，此晶向称滑移方向，通常是晶体中原子排列 最紧密的晶面和晶向。 ●在滑移面及滑移方向上的切应力达到一定大小（临界值），滑 移就开始进行。
工程材料学
部分FCC、BCC及HCP晶体的滑移系
晶体结构 FCC：Cu, Al, Pb, Au, Ag, -Fe BCC: -Fe, W, Mo, -黄铜 -Fe,Mo,W,Na -Fe, K HCP: Cd, Zn, Mg, Ti, Be 滑移面 {111} {110} {211} {321} [0001] 滑移方向 <110> <111> <111> <111> <1120> 滑移系数量 4X3=12 6X2=12 12X1=12 24X1=24 1X3=3
多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积 也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。
为了达到这种协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发生运动，即以滑 移方式产生塑性变形效果，需要临近晶粒作出相应的变形。
晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种 协调，要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身晶粒除 了变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统同时动作才行。 所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍作用，增加了滑移要求的外力。
工程材料学
二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能
• 细晶强化 • 1。晶粒越细，则晶界越多，位错运动更困难，强度就 越高。
工程材料学
• Hall-Petch公式： σs =σ0 + Kd
–1/2
• 2。晶粒越细，变形分散，应力集中小， 裂纹不易产生和发 展，塑性和韧性就越 好。
工程材料学
三、塑性变形对金属组织性能的影响
工程材料学
再结晶过程中显微组织的变化
1、再结晶温度： T = 0.4Tm
工程材料学
再结晶过程中显微组织的变化
冷加工(35%变形)后晶粒
580C加热3秒钟后出现非常细小的晶粒
工程材料学
再结晶过程中显微组织的变化
580C加热4秒后,部分变形区域的 晶体被再结晶晶粒取代
580C加热8秒后,再结晶晶粒全部 取代了变形晶粒
第五章 金属材料的塑性变形
引子
• 例：3.5mm的16Mn合金钢板，经冷轧压延为 1.2mm厚时，其硬度和强度分别由HB150和 σb > 510MN/m2, 提高到HB270和σb > 510MN/m2。 • 但是，如果继续进行压延变形，一方面需要 更大的压力，另一方面则有可能将其压裂。 金属变形后为什么强度提高？有什么办法使其恢 复变形能力？ • 例：晶体的实际强度与理论强度相差103-104 ，为什么？
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第二节 多晶体金属的塑性变形
• 一、多晶体塑性变形的特点 多晶体受外力作用时，各晶粒的滑移系 上均受到分切应力的作用，但 1。各晶粒的滑移系所受分切应力的大小 不一，达到临界值的先后不一，故变形 不均匀。 2。因晶界及晶粒取向的影响，变形更困 难。