[精选PPT]金属及合金的塑性变形7
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第二章 金属材料的塑性变形与性能
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根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力 b）压缩载荷 —压力 c）弯曲载荷 --弯力 d）剪切载荷--剪切力 e）扭转载荷--扭转力
10
2.内力 （1）定义 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在 材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 （2）大小 内力大小与外力相等。 （3）注意 内力和外力不同于作用力和反作用力。
2
§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 （包括：弹性变形和塑性的现象。
c）磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
3
2.常见塑性变形形式 1）轧制 （板材、线材、棒材、型材、管材）
28
2）应用范围 主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、 调质处理后的各种软钢或硬度较低的 材料。 3）优、缺点 优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均 性能；适合对毛坯及半成品测定。 缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料； 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
29
2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义 采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。 2）表示方法
11
3.应力 （1）定义 单位面积上所受到的力。 （2）计算公式 σ= F/ S（ MPa/mm2 ） 式中： σ——应力； F ——外力； S ——横截面面积。
12
二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段： 弹性变形 弹-塑性变形 断裂。 1.特点 弹性变形： 金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。
金属的塑性变形
孪生机制
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。
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。
金属变形特性
思考：为什么会出现屈服现象？
金属变形特性
16
塑性变形过程－－屈服
屈服强度：表示材料对
开始发生微量塑性变形
的抗力，也称为屈服极
限，用σs表示。对具有 屈服现象的材料用屈服
现象发生时对应的应力
表示；对屈服现象不明
显的材料，则以所产生
的塑性应变变0.2%时的
应力值表示。
金属变形特性
17
塑性变形过程－－均匀变形
21
塑性变形过程－－断裂
脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口 常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断 裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平； 脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”， 断口比较平坦。
金属变形特性
沿晶脆性断口 22
➢ 材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。
金属变形特性
10
弹性模量
在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。
式中，σ、τ分别为正应力和 σ
切应力，ε、γ分别为正应变和
切应变；比例系数E称为弹性
模量（杨氏模量），G称为切 σe
变模量，它反映材料对弹性变
形的抗力，代表材料的“刚
度” 。
o
ε
金属变形特性
11
弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。
弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力 的大小。
在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性 应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。
结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结 合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量 之间有很好的对应关系。
金属变形特性
金属及合金的塑性变形
应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下，金属首先发生 弹性变形，应力与应变成正比
关系，遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时， 金属开始发生塑性变形，应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加，金属的加工 硬化效应逐渐显现，应力随之 上升，呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ，金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体（晶粒）组成，晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍，使位错在晶界处塞积，引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形，使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现，未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度和硬度逐渐提高，而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中，位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因，位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望
材料科学基础-第五章_金属及合金的塑性变形
{1120}
｛0001｝
<111> 体心立方结构(bcc)
<110> 面心立方结构(fcc)
密排六方结构(hcp)
三种典型金属结构的滑移系构成
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
为何滑移面和滑移方向是晶体的密排面和密排方向？
d2
d1
d3
晶体晶面间距示意图 晶面上的原子密度越大，晶面间距越大，面与面之间的原子结合力越 弱，滑移时的阻力越小。晶向上的原子密度越大，滑移的阻力越小。
第五章 金属及合金的塑性变形 Chapter 5 Plastic Deformation of Metals and Alloys 主要内容：
金属的变形特性 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂
各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发 生塑性变形，即金属的外形发生了改变。
G 2
结论：
Frank的滑移理论不正确，即滑移不是晶体原子作整体刚性滑动。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
1934年，物理学家泰勒（G.I.Taylor）、波郎依（M.Polanyi）和奥罗
万（E.Orowan）几乎同时提出了晶体中位错的概念，Taylor还将位错与滑 移变形联系了起来，最终圆满解释了晶体滑移的机理。
A是晶体的横截面积， 是滑移面的面积。 A/cos
当F增加，使s = F/A，晶体发生塑性变 形，即开始滑移，则临界分切应力：
τ K σ s cos υ cos λ 或 σ s
τK cos υ cos λ
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
03
02
延性断裂的断口呈纤维状，色泽灰暗，表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂：材料在断裂前几乎没有塑性变 形，断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状，色泽光亮，没 有明显的塑性变形。
05
06
脆性断裂多发生在脆性材料中，如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂：材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下，沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中，晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用， 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域，开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制，推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法，可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ，为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中，可以提高研究效率， 降低实验成本，为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如，Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系，通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加，金属或合金的强度和 硬度提高，但延展性和韧性下降的现象。
《材料工程基础》课件——第五章 金属的塑性加工(第5、6、7节)
脂肪酸皂 石蜡等
3.5.4 拉拔工具
拉拔工具主要包括拉拔模和芯头。此二者的结构、 形状尺寸、表面质量与材质对制品的质量、产量、 成本等具有重要影响。
拉拔模
拉拔模
旋转模
辊式模 普通模（应用最多 ）
弧线模：只用于细线的拉拔
锥形模：管、棒、型材和较粗的 线材拉拔
图 普通拉拔模的基本结构 （a）锥形模 （b）弧线模
空拉时壁厚增加或减少，主要取决于两个因素：
①圆周方向压应力：促使金属沿径向流动，导致管材壁厚增 加
②轴向拉应力：促使金属产生轴向延伸，并导致壁厚减薄。
这两个因素作用的强弱取决于各种变形条件。
③固定短芯头拉拔变形
变形分三部分：
AB C D
AB段：空拉区，主要是减径 变形，壁厚一般有所增加， 又称减径区。应力应变特点 与空拉时一样。 BC段：减壁区，此阶段外径 减小，内径不变，壁厚减薄。 应力应变特点与棒材拉拔时 一样。 CD段：定径区，为弹性变形 区。
②空拉时的应力与变形
应力状态：与圆棒拉拔时类似，即：周向、径向为
压，轴向为拉，但 ，且有
。
径向压应力的数值由管材外表面至内表面逐渐减小， 在内表面上为零。
周向应力由外表面向内逐渐增大。
轴向应力由变形区入口为零逐渐增加，在变形区出
口(模孔出口)处达到最大。
变形
按目的不同有： 减径空拉：目的是减径，主要用于中间道次，一般 认为拉拔后壁厚不变； 整径空拉：目的是精确控制制品的尺寸，减径量不 大（0.5～1），一般在最后道次进行； 定型空拉：目的是控制形状，主要用于异型管材拉 拔，即用于圆截面向异型截面过渡拉拔。
拉拔加工的特点
①拉拔制品的尺寸精度高，表面粗糙度低 ②工具与设备简单，维护方便，一机多用 ③适用于连续高速生产断面尺寸小的长尺产品（Al、
3.5.4 拉拔工具
拉拔工具主要包括拉拔模和芯头。此二者的结构、 形状尺寸、表面质量与材质对制品的质量、产量、 成本等具有重要影响。
拉拔模
拉拔模
旋转模
辊式模 普通模（应用最多 ）
弧线模：只用于细线的拉拔
锥形模：管、棒、型材和较粗的 线材拉拔
图 普通拉拔模的基本结构 （a）锥形模 （b）弧线模
空拉时壁厚增加或减少，主要取决于两个因素：
①圆周方向压应力：促使金属沿径向流动，导致管材壁厚增 加
②轴向拉应力：促使金属产生轴向延伸，并导致壁厚减薄。
这两个因素作用的强弱取决于各种变形条件。
③固定短芯头拉拔变形
变形分三部分：
AB C D
AB段：空拉区，主要是减径 变形，壁厚一般有所增加， 又称减径区。应力应变特点 与空拉时一样。 BC段：减壁区，此阶段外径 减小，内径不变，壁厚减薄。 应力应变特点与棒材拉拔时 一样。 CD段：定径区，为弹性变形 区。
②空拉时的应力与变形
应力状态：与圆棒拉拔时类似，即：周向、径向为
压，轴向为拉，但 ，且有
。
径向压应力的数值由管材外表面至内表面逐渐减小， 在内表面上为零。
周向应力由外表面向内逐渐增大。
轴向应力由变形区入口为零逐渐增加，在变形区出
口(模孔出口)处达到最大。
变形
按目的不同有： 减径空拉：目的是减径，主要用于中间道次，一般 认为拉拔后壁厚不变； 整径空拉：目的是精确控制制品的尺寸，减径量不 大（0.5～1），一般在最后道次进行； 定型空拉：目的是控制形状，主要用于异型管材拉 拔，即用于圆截面向异型截面过渡拉拔。
拉拔加工的特点
①拉拔制品的尺寸精度高，表面粗糙度低 ②工具与设备简单，维护方便，一机多用 ③适用于连续高速生产断面尺寸小的长尺产品（Al、
合金塑性变形
③静电交互作用
电离程度不同的溶质离子与点阵畸变位错区发生
短程的静电交互作用，溶质离子或富集于点阵拉伸
区或富集在点阵压缩区均产生固溶强化。
研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作
用的1/3—1/6，且不受温度影响。
问题：用位错理论分析固溶强化的机理。
• 答：固溶强化是由于溶质原子与位错之间的相互作用引起
德斯带扩展到整个试样截面后，这个平台延伸阶段就结束了。 拉伸曲线上的波动表示形成新吕德斯带的过程。
吕德斯带与滑移带不 同，吕德斯带会导致 薄板在冲压成型时使 表面粗糙不平。
它是由许多晶粒协调变形的结果，即吕德斯带穿 过了试样横截面上的每个晶粒，而其中每个晶粒 内部仍按各自的滑移系进行滑移变形。
屈服现象最初是在低碳钢中发现的，进一步研究发现，
• 由于位错的存在，位错线周围产生弹性应力场，系统能量升
高。 • 原子尺寸较大的溶质原子易于存在于滑移面下方；尺寸较小 的易于存在于滑移面上方。其结果是位错线周围的弹性应变 能降低并在位错线周围形成“柯氏气团”。 • 如果在这种情况下推动位错运动，或者首先挣脱气团的束缚， 或者拖着气团一起前进，无论如何都要作更多的功，降低了 位错的移动性，从而强化了材料。
刚开始时晶体中的位错密度较低，或虽有大量位错，但 都被钉扎住，此时位错的平均运动速度必须较高，才能保证
晶体的变形。
位错变形速度的增加将意味着所需的外力也将增加，这
就是上屈服点产生的原因。
当塑性变形开始后，位错大量增殖，位错密度迅速增加， 此时必将导致位错运动速度的下降，也就意味着所需外力下 降，这就是下屈服点产生的原因。
两种理论并不是互相排斥的而是互相补充的，
两者结合起来可更好的解释低碳钢的屈服现象。
金属及合金的塑性变形
04
亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
孪生与滑移变形比较
孪生：均匀切变。滑移：塑性变形是不均勺的。 孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比，相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一。滑移：变形时，滑移距离则是原于间距的整倍数。 孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并且孪晶面与未变形部分对称。滑移时，晶体位向并不发生变化。 孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。 孪生临界分切应力值大，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。 滑移系少的密排六方金属，常以孪生方式变形。
σ—ε形式与材料塑性有关
有机玻璃：硬而脆 纤维增强热固塑料： 尼龙：硬而韧 聚四氟乙烯：软而韧
退火低碳钢 正火中碳钢 高碳钢
三 弹性模量与刚度
σ=E·ε；τ=G·γ；----弹性模量
意义：
拉伸曲线上，斜率；
弹性变形难易；
组织不敏感：取决于原子间结合力
材料种类；晶格常数；原子间距
刚度
构件刚度：A·E ——弹性变形难易
φ ＝45°时: 取向因子获最大值1/2 取向因子大——软取向 φ 或λ＝90°时: 取向因子为0 ， τ＝0， 取向因子小——硬取向
cosλ· cos φ＝cos(90°－φ)· cos φ
与τK对应的σ即为σs σs的影响因素： 与τk有关； 与外力取向有关: σs＝ τK/(cosλ· cos φ)
第二相塑性优于基体，则：↑δ而↓σ； 硬脆相： 分布合理，则 → 阻碍位错 → ↑σ 不合理 ，则→ 不能塑变 → 应力集中 → 开裂 →↓δ、ak甚至σ
单击此处添加大标题内容
亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
孪生与滑移变形比较
孪生：均匀切变。滑移：塑性变形是不均勺的。 孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比，相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一。滑移：变形时，滑移距离则是原于间距的整倍数。 孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并且孪晶面与未变形部分对称。滑移时，晶体位向并不发生变化。 孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。 孪生临界分切应力值大，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。 滑移系少的密排六方金属，常以孪生方式变形。
σ—ε形式与材料塑性有关
有机玻璃：硬而脆 纤维增强热固塑料： 尼龙：硬而韧 聚四氟乙烯：软而韧
退火低碳钢 正火中碳钢 高碳钢
三 弹性模量与刚度
σ=E·ε；τ=G·γ；----弹性模量
意义：
拉伸曲线上，斜率；
弹性变形难易；
组织不敏感：取决于原子间结合力
材料种类；晶格常数；原子间距
刚度
构件刚度：A·E ——弹性变形难易
φ ＝45°时: 取向因子获最大值1/2 取向因子大——软取向 φ 或λ＝90°时: 取向因子为0 ， τ＝0， 取向因子小——硬取向
cosλ· cos φ＝cos(90°－φ)· cos φ
与τK对应的σ即为σs σs的影响因素： 与τk有关； 与外力取向有关: σs＝ τK/(cosλ· cos φ)
第二相塑性优于基体，则：↑δ而↓σ； 硬脆相： 分布合理，则 → 阻碍位错 → ↑σ 不合理 ，则→ 不能塑变 → 应力集中 → 开裂 →↓δ、ak甚至σ
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金属及合金的塑性变形与断裂
晶粒。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
塑性变形对金属组织的影响
晶粒拉长，纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）
变形10% 100×
变形80% 纤维组织
100×
变形40% 100×
工业纯铁 不同变形度 的显微组织
2.位错的增殖
位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf
3.位错的交割与塞积
位错在障碍物前的塞积
位错：AB 、CD （固定不动）
mn⊥b2
位错
当两条位错线交割时，每条位错线上都可能出 现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加
了位错长度，是位错能量升高，是变形所需的
总能量升高； 另外，当割阶垂直于滑移面时， 此割阶有阻止位错运动的作用，会使晶体进一 步滑移的抗力增加，这是加工硬化的主要原因。
量和分布有关。第二相
可以是纯金属、固溶体
或化合物，工业合金中
第二相多数是化合物。
+钛合金(固溶体第二相)
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细， 分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性 略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而 阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错 的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果，如下图所示，使 溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定， 此即称为柯氏(cotrell)气团。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用。 为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体 合金的塑性变形抗力要高于纯金属。
第5章_金属及合金的形变(5-6-7)
第五章金属及合金的形变（第五、六、七节）第五章金属及合金的形变U第一节应力与应变U第二节弹性形变U第三节范性形变的表象U第四节单晶体的滑移ª第五节孪生及扭折ª第六节多晶体的范性形变ª第七节范性形变后金属的结构、组织和性能第五节孪生及扭折滑移是形变的主要形式，孪生及扭折也是形变的不同形式。
一、孪生孪生━晶体受力后，以产生孪晶的方式而进行的切变过程，称为孪生。
孪晶━以共格界面相联结，晶体学取向成镜面对称关系的这样一对晶体（或晶粒）的合称。
孪生前后晶体的形变晶体受到切应力后，沿着一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在一个区域内发生连续的顺序的切变。
滑移≠孪生滑移时晶体两部分相对滑移面的(整体) 切变量是原子间距的整数倍。
孪生时各晶面相对于孪生面的切变量与该晶面和孪生面的距离成正比，是原子间距的分数值。
第五节孪生及扭折孪生也是通过位错运动来实现的。
产生孪生的位错的柏氏矢量必须小于一个原子间距━部分位错。
每层原子都有一个不相等的部分位错。
逐层横扫、形成孪晶。
孪生比滑移困难：n晶体学条件必须满足孪生后取向关系，只能沿确定的晶面和晶向进行切变；o孪生所需切应力往往比滑移大许多倍。
孪生核心大多产生于晶体内的局部高应力、高应变区，即在滑移已进行到相当程度、并受到严重阻碍的区域。
对于一些滑移系较多，而孪生与滑移的临界分切应力又相差很大的晶体来说，要使晶体不发生滑移而进行孪生，是相当困难的。
Z HCP金属(Mg、Zn) 是最常见出现孪晶的。
六方晶系的滑移系很少，滑移困难，容易出现孪晶。
FCC 金属很少进行孪生，只有很少金属(Cu、Ag)在极低温度下滑移很困难时才发生孪生。
BCC 金属(αFe)在室温时，只有在冲击载荷下，才进行孪生。
第五节孪生及扭折二、扭折扭折是在滑移受阻、孪生也不利的条件下，晶体所作的不均匀局部塑性变形来适应外力的作用，是位错汇集引起协调性的形变。
和孪生不同，扭折区晶体的取向发生了不对称的变化，扭折带大多是由折曲(ABCD)和弯曲（左右两侧）两部分组成。
金属的塑性课件
塑性图是选择合理的金属塑性加工方法和制订冷加工 和热加工工艺规程的重要依据，是生产中不可缺少的基本 资料之一。
试验温度／℃
图为W18Cr4V高速钢的塑性图。该钢种在800～1200℃的温度范围内具 有很好的塑性。塑性加工(如轧制)前钢锭加热时的最高温度为1230℃， 超过此温度，钢可能产生裂纹或轴向断裂；变形终了温度不应低于900℃
晶界的作用：
✓ 1. 阻碍作用 拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界
附近，晶界附近位错塞积。位错塞积，材料强度提高。 ✓ 2. 协调作用
晶界正是起着相邻晶粒的变形的作用。由于协调变形的要求，在晶界 处变形必须连续，也就是说两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同。
✓ 3．促进作用 在高温在变形时，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒内滑移，相邻两个晶粒 还会沿着晶界发生相对滑移，此称为晶界滑动。晶界滑动了也造成晶体 宏观塑性变形，但变形量远远小于滑移和孪生引起的塑性变形。
讨论：
(1) 若硬脆相呈连续分布在塑性相(基体)晶界上，则经少量变 形后会发生沿晶脆断。脆性相越多，网状越连续，塑性越 差。如过共析钢中二次Fe3C呈网状分布于铁素体晶界上。
(2) 若硬脆相呈层片状分布在基体相中，由于变形主要集中在 基体相中，且位错移动被限制在很短距离内，增加了继续 变形的阻力，使其强度提高。如钢中的片状P由片状α和片 状Fe3C相间组成。
✓ 4．起裂作用 一方面，由于晶界阻碍滑移，此处由于位错塞积而引起应力集中，
另一方面，材料中的杂质和第二相往往优先分布于晶界，使晶界变脆。 这样一来，在变形过程中裂纹往往起源于晶界。此外，由于晶界处缺陷 多，原子处于能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，晶界往往优 先被腐蚀形成微裂纹。
试验温度／℃
图为W18Cr4V高速钢的塑性图。该钢种在800～1200℃的温度范围内具 有很好的塑性。塑性加工(如轧制)前钢锭加热时的最高温度为1230℃， 超过此温度，钢可能产生裂纹或轴向断裂；变形终了温度不应低于900℃
晶界的作用：
✓ 1. 阻碍作用 拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界
附近，晶界附近位错塞积。位错塞积，材料强度提高。 ✓ 2. 协调作用
晶界正是起着相邻晶粒的变形的作用。由于协调变形的要求，在晶界 处变形必须连续，也就是说两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同。
✓ 3．促进作用 在高温在变形时，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒内滑移，相邻两个晶粒 还会沿着晶界发生相对滑移，此称为晶界滑动。晶界滑动了也造成晶体 宏观塑性变形，但变形量远远小于滑移和孪生引起的塑性变形。
讨论：
(1) 若硬脆相呈连续分布在塑性相(基体)晶界上，则经少量变 形后会发生沿晶脆断。脆性相越多，网状越连续，塑性越 差。如过共析钢中二次Fe3C呈网状分布于铁素体晶界上。
(2) 若硬脆相呈层片状分布在基体相中，由于变形主要集中在 基体相中，且位错移动被限制在很短距离内，增加了继续 变形的阻力，使其强度提高。如钢中的片状P由片状α和片 状Fe3C相间组成。
✓ 4．起裂作用 一方面，由于晶界阻碍滑移，此处由于位错塞积而引起应力集中，
另一方面，材料中的杂质和第二相往往优先分布于晶界，使晶界变脆。 这样一来，在变形过程中裂纹往往起源于晶界。此外，由于晶界处缺陷 多，原子处于能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，晶界往往优 先被腐蚀形成微裂纹。
材料的变形课件
将再结晶完成后的金属继续加热到某一温度或是保温更长的时间， 会有少数晶粒会突然长大，迅速吞并相邻晶粒，直径可达几厘 米，最后使金属的晶粒变得非常粗大，这一现象称为晶粒的异 常长大或二次再结晶。
《材料的变形》PPT课件
四、金属的热加工
在工业生产中，钢材和许多零件的毛坯都是在加热至高温后 经压力加工而制成的。
B
D
滑移面A C (a)
B
D
滑移面A C (b)
B
D
AC 滑移面
(c)
B
D
AC (d)
B
D
AC (e)
F-R位错源
《材料的变形》PPT课件
B
D
AC (f)
二、多晶体的塑性变形与强化
实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体。多晶体由许 多位向不同的单晶组成，因此其塑性变形过程也更为复杂。
多晶体塑性变形的特点
冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加 以消除。如果钢在再结晶温度以上进行加工，塑性变形引起的加 工硬化便可以立即被再结晶过程所消除。因此，在再结晶温度以 上的加工称为热加工。反之，在再结晶温度以下的加工称为冷加 工。
金属在高温下强度降低而塑性提高，所以热加工的主要优点 是容易变形，且变形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也较容 易加工。但由于金属在表面要发生氧化，所以热加工比冷加工产 品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工适合于厚度 较小，而且尺寸精度和粗糙度要求较高的场合。厚度较大和变形 量较大的工件则需要进行热加工。在热加工工程中，金属内部同 时发生着加工硬化和再结晶软化，这种再结晶过程和加工硬化同 时进行的过程称为动态再结晶。
《材料的变形》PPT课件
孪生区域 A C EG
《材料的变形》PPT课件
四、金属的热加工
在工业生产中，钢材和许多零件的毛坯都是在加热至高温后 经压力加工而制成的。
B
D
滑移面A C (a)
B
D
滑移面A C (b)
B
D
AC 滑移面
(c)
B
D
AC (d)
B
D
AC (e)
F-R位错源
《材料的变形》PPT课件
B
D
AC (f)
二、多晶体的塑性变形与强化
实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体。多晶体由许 多位向不同的单晶组成，因此其塑性变形过程也更为复杂。
多晶体塑性变形的特点
冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加 以消除。如果钢在再结晶温度以上进行加工，塑性变形引起的加 工硬化便可以立即被再结晶过程所消除。因此，在再结晶温度以 上的加工称为热加工。反之，在再结晶温度以下的加工称为冷加 工。
金属在高温下强度降低而塑性提高，所以热加工的主要优点 是容易变形，且变形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也较容 易加工。但由于金属在表面要发生氧化，所以热加工比冷加工产 品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工适合于厚度 较小，而且尺寸精度和粗糙度要求较高的场合。厚度较大和变形 量较大的工件则需要进行热加工。在热加工工程中，金属内部同 时发生着加工硬化和再结晶软化，这种再结晶过程和加工硬化同 时进行的过程称为动态再结晶。
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孪生区域 A C EG
金属塑性加工原理：第七章 滑移线场理论简介
正交对数螺线
正交圆摆线
等半径圆弧
3.滑移线场的建立
特殊滑移线场
直线滑移线场：由两族正交的直线构成的滑移线场。
简单滑移线场：一组为直线，另一组为曲线的滑滑移线场。
金属塑性加工中，许多平面应 变问题的滑移线场是由三角均 匀场和简单扇形场组合而成的， 称为简单滑移线场问题，如平 冲头压入半无限体、平冲头压 入、某些特定挤压比下的挤压、 剪切乃至切削加工。
1、亨盖应力方程（沿线特性）
亨盖应力方程给出了滑移线场内质点平均应力 的变化与滑移线转角 ω 的关系式。
m 2k 沿线 m 2k 沿线
, 在同一条滑移线上为常数
ma mb 2k(a b )
正号用于 线，负号用于 线
ma mb 2k(a b )
重要推论：
若滑移线场已经确定，且已知一条滑移线上任一点 的平均应力，则可确定该滑移线上各点的应力状态
第二节 滑移线与滑移线场的基本概念
塑性区内每点的应力状态可用平均应力 m 和最大切应力 K 表示，每点的切应力都是成双存在、互等且互相垂直的。
将塑性区内每点的最大切应力方向连接起来，得到两族相 互正交的曲线，称为滑移线，滑移线所遍及的整个塑性区构成 的场，称为滑移线场。
第一主方向顺时针转 / 4
第七章 滑移线场理论简介
主要内容
塑性平面应变状态下的应力莫尔圆与物理 平面
滑移线与滑移线场的基本概念 滑移线场的应力场理论 滑移线场在塑性成形中应用举列
重点：滑移线的基本概念；亨盖（H.Hencky)应 力方程、亨盖（H.Hencky)第一定理；应力边界条件； 常见的滑移线场；光滑平面冲头压入半无限体问题， 平面变形挤压问题。
滑移线场的建立
滑移线场的建立