第三章金属材料塑性变形 工程材料
金属材料的塑性
塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。
金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。
金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。
一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。
塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。
此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。
因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。
字串2编辑本段金属材料的硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。
它是金属材料的重要性能指标之一。
一般硬度越高，耐磨性越好。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
1.布氏硬度（HB）以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
2.洛氏硬度（HR）当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。
它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。
根据试验材料硬度的不同，分三种不同的甓壤幢硎荆?HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。
土木工程材料(第3章 金属材料)
B上 B
A B下
σS
）强化阶段（Ⅳ） 颈缩阶段。每个阶 段都各有其特点。
δ
ε=ΔL/ L
图2.1 低碳钢受拉时应力应变曲线图
– 图2.1中的 B上点是这一阶段的最高点，称为 屈服上限（σ s上）； B下点相应的应力称为 屈服下限（σs下），又称屈服点或屈服强度 ，用σs表示。
– 伸长率δ
l1 l0 100%
d
d。
d+2.1d。
α
（a）
（a）试件安装
P
d
(b)
（b）弯曲90°
P
(c)
（c）弯曲180°
(d)
（d）弯曲至两面重合
钢材冷弯试验
第三节 钢的化学成分对钢材性能的影响
①碳（C）：
– 当含碳量小于 0.8% 的碳素钢，随着含碳量的 增加，钢的抗拉强度（σb）和硬度（HB）增加 ，而塑性和韧性则相应降低。
l0
– 伸长率δ是衡量钢材塑性的一个指标，它 的数值愈大，表示钢材塑性愈好。
– 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验 标距取l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别 以δ10和δ5表示。对同一钢材δ5大于δ10。
2．冲击韧性
– 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破 坏的能力。是以试样缺口处单位横截面 所吸收的功（J/cm2）来表示，即冲击韧 性值，其符号为αk。
有色金属是除黑色金属以外的其他 金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及
建筑工程上用的钢材包括各类钢结 构用的型钢（如圆钢、角钢、槽钢和工 字钢等）、钢板和钢筋混凝土用钢筋、 钢丝等。
钢材强度高、品质均匀，具有一定 的弹性和塑性变形能力，能够承受冲击 、振动等荷载作用；钢材的加工性能良 好，可以进行各种机械加工，可以通过 切割、铆接或焊接等方式的连接，进行 现场装配。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可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
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
金属材料的晶体缺陷与塑性变形
金属材料的晶体缺陷与塑性变形金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料之一，它们具有出色的强度、导电性和耐腐蚀性能。
然而，这些材料中经常会出现各种各样的晶体缺陷，比如空位、过垫、位错等。
这些缺陷对于材料的力学性能和物理性质会产生深远影响，尤其是对于金属材料的塑性变形来说，晶体缺陷更是至关重要的因素。
1. 晶体缺陷的分类晶体缺陷是指晶体中由于各种因素导致的结构上的缺陷或变异。
从不同角度来进行分类，晶体缺陷可以分为以下类型：1.1 点缺陷点缺陷是指晶体中的空位、过垫和杂质原子等点状缺陷。
其中空位是最常见的一种点缺陷，其可以影响晶体的热力学性质，例如分子扩散、热导率和蒸发等。
1.2 线缺陷线缺陷是指晶体中的位错和螺旋线等。
位错是晶体中空间中某些原子排列错误的位置，随着应力的作用，位错可以在晶体中移动，导致晶体的塑性变形。
螺旋线则是由于晶体的外在形状而形成的缺陷，对于晶体的磁学性能有一定的影响。
1.3 面缺陷面缺陷是指而晶体中的晶粒边界和晶体表面等面状缺陷。
晶粒边界是不同晶粒之间的界面，晶体形成时会存在不同的晶粒之间的排列错误，从而形成晶粒边界。
晶粒边界有利于调整晶体中不同晶粒的方向和结构，从而达到材料强度和硬度之间的平衡。
2. 晶体缺陷与塑性变形晶体缺陷在材料的机械性能中起着至关重要的作用，其中最重要的是晶体缺陷与塑性变形之间的关系。
塑性变形是指材料结构的变形过程中一个结构单元从一种能量状态变为另一种，通常是由于位错的滑移或形成使受力部分发生塑性变形。
塑性变形取决于材料的塑性机制，即材料中塑性形变所依赖的机制，和材料的内部结构。
晶体缺陷会影响材料内部的塑性机制和材料的内在结构，从而影响材料的强度、韧性和延展性等力学性质。
2.1 种类与数量晶体缺陷的种类和数量是影响材料塑性变形的关键因素。
通常情况下，材料中的晶体缺陷越多越多样化，材料的塑性变形就越容易发生。
例如，在晶体中形成许多杂质原子可以增加位错的丰度，从而使材料的塑性发生改变。
金属材料成型_3.6超塑性成型
5）超塑性无模拉拔成形
利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工 的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载 荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化 的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。
TWO
2
超塑性成型工艺特点
1)金属塑性大为提高,过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形 的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。
图3-36 飞机上采用的部分SPF、SPF/DB构件
FOUR
4
超塑性成型重点企业
Luxfer 的集团公司 Superform USA 及其附属公司 Superform Aluminium 是全球最大的铝、镁和钛超塑成型零件供 应商，主要为航空航天、汽车、卡车、铁路、医疗系统和建筑行 业提供零件。Airstair 是一种内置于小型飞机门内的四级楼梯，需 要制造有23 个焊接部件的铝组件。但 Superform USA 使用 PA M - S TA M P 对 该 组 件 进 行 了 整 体 设 计 ， 实 现 了 更 轻 量 、 刚 性 和 低成本的解决方案。
图3-35 径向辅助压力拉深原理示意
4）超塑性挤压成形
将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒 温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工 艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形， 故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形， 省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。
近年来，我国新机研制及改进机型中，前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和 腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对型号对金属防热结构的 需求，航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究，成功 制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。
3-1 金属的塑性变形
18
四、纤维组织
材料在压力加工中产生塑性 材料在压力加工中产生塑性 压力加工 变形时， 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 变形， 拉长，呈纤维形状。 拉长，呈纤维形状。这种结构叫 纤维组织。 纤维组织。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 是变形后所形成的带有方向性的晶粒
后 退
12
二、多晶体的塑性变形
多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 是多个位向不同变形总和 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。
特点： 特点：
变形过程复杂。 变形过程复杂。 变形抗力比单晶体大的多。 变形抗力比单晶体大的多。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。
5
3.挤压 3.挤压
金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形， 金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形，从 挤压模内被挤出模孔而变形 而获得所需制件的加工方法。 而获得所需制件的加工方法。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 方向相同 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反 方向相反。 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。
22
2) 金属组织的影响
纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 可锻性好 金属化合物是硬脆的组成相， 金属化合物是硬脆的组成相，组织中的金属化合 是硬脆的组成相 物越多，可锻性越差。 物越多，可锻性越差。 比如纯铁、纯铜、纯铝、具有单相铁素 比如纯铁、纯铜、纯铝、 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性， 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性，但 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。
工程材料(金属材料)课后习题答案
工程材料参考答案第1章机械工程对材料性能的要求思考题与习题P201.3、机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？p4工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。
有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。
在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。
1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。
在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其它相关性能来决定。
机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。
在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要由材料的强度及其它力学性能所决定。
在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。
1.5常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？p17机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？硬度试验有以下优点：●试验设备简单，操作迅速方便；●试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；●硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；●材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；●硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。
工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
36
再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。
第三章 金属材料的塑性变形
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
3.3 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的 变化 金属经塑性变形后，组织结构和性能发生 很大的变化。如果对变形后的金属进行加热， 金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加 热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再 结晶和晶粒长大过程。
一、回复 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复 过程。 产生回复的温度T回复为： T回复=(0.25～0.3)T熔点 式中T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度 (K)。 由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是 晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复 合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变 形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强 度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大 大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应 力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。
金属材料的超塑性变形与加工
金属材料的超塑性变形与加工随着科技的不断进步，各个领域的技术不断更新，超塑性加工技术也日渐成熟。
超塑性加工技术是指在高温高应变速下，金属材料在不断延展滑动的条件下，形状发生变化的加工技术。
这种技术具有很高的应用价值和前景。
因此，超塑性变形加工技术得到了广泛的研究和应用。
一、金属材料超塑性变形的原因超塑性变形的成因主要有两种：一种是位错穿过晶界，另一种是晶界滑动引起。
不论是哪种原因，超塑性变形都是发生在晶内，晶界和多孔区域的塑性变形相对较小。
超塑性变形是因为金属结晶体的两个晶界之间的相对位移被强化所引起的。
相对位移是通过位错密度的增加或位错的单向移动来实现的。
二、金属材料超塑性变形的特点超塑性变形具有以下特点：1. 材料可塑性大：材料在高温下具有很强的塑性，异方性和轻微的杂质是影响超塑性的重要因素。
2. 形变速率低：通常，超塑性的形变速率很低，为10^-4-10^-10/s。
因此，金属在超塑性变形过程中几乎没有损失，从而保证了零件的质量。
3. 形变率大：在超塑性变形时，材料的形变率可以大于1，这可以有效降低工件的应力和容易形成大曲率。
4. 可以分段成型：材料可以分段成型，形状复杂的零件也可以制造。
总之，由于超塑性变形与传统冷态变形不同，该技术可以制造很多传统工艺无法制造的零件。
因此，超塑性变形加工技术越来越受到重视。
三、超塑性变形加工技术的方法超塑性变形微观机制的研究以及利用超塑性变形来加工高性能零件的需求使得超塑性变形加工技术不断发展。
1. 等温拉伸法：与传统拉伸工艺不同，等温拉伸工艺会在高温下进行拉伸。
这样可以有效地降低材料的应力和提高材料的塑性。
该工艺常用于生产高要求的零件，如飞机机翼等。
2. 自由氧气加工法：自由氧气加工法是一种非常有效的超塑性变形加工技术，它可以生产出一些形状复杂的零件，如各种管道、异型薄壁壳体等，特别是大钢板的加工。
3. 液态拉伸法：在铝镁合金材料等超塑性金属材料中，液态拉伸法被广泛应用。
金属塑性变形理论习题集x
《金属塑性变形理论》习题集张贵杰编河北联合大学金属材料与加工工程系2013年10月前言《金属塑性变形理论》是关于金属塑性加工学科的基础理论课，也是“金属材料工程”专业大学本科生的主干课程，同时也是报考材料科学与工程专业方向硕士研究生的必考科目。
《金属塑性变形理论》总学时为72，内容上分为两部分，即“金属塑性加工力学”（40学时）和“塑性加工金属学”（32学时）。
为使学生能够学好本课，以奠定扎实的理论基础，提高分析问题和解决问题的能力，编者集20余年的教学经验特编制本习题集，一方面作为学生在学习本课程时的辅导材料，供课下消化课堂内容时使用，另一方面也可供任课教师在授课时参考，此外对报考研究生的学生还具有指导复习的作用。
本“习题集”在编写时，充分考虑了学科内容的系统性、学生学习的连贯性以及与教材顺序的一致性。
该“习题集”中具有前后关联的一个个题目，带有由浅入深的启发性，能够引导学生将所学的知识不断深化。
教师也可根据教学进程从中选题，作为课外作业指导学生进行练习。
所有这些都会有助于学生理解和消化课堂上所学习的内容，从而提高课下的学习效率。
编者2013年10月第一部分 金属塑性加工力学第一章 应力状态分析1． 金属塑性加工中的外力有哪几种？其意义如何？2． 为什么应力分量的表达需用双下标？每个下标都表示何物理意义？ 3． 已知应力状态如图1-1所示，写出应力分量，并以张量形式表示。
4． 已知应力状态的六个分量7-=x σ，4-=xy τ，0=y σ，4=yz τ，8-=zx τ，15-=z σ(MPa)，画出应力状态图，写出应力张量。
5． 作出单向拉伸、单向压缩、三向等值压缩、平面应力、平面应变、纯剪切应力状态的应力Mehr 圆。
6． 已知应力状态如图1-2所示，当斜面法线方向与三个坐标轴夹角余弦31===n m l 时，求该斜面上的全应力S 、全应力在坐标轴上的分量x S 、y S 、z S 及斜面上的法线应力n σ和切应力n τ。
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。
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。
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2、冷变形（冷加工）后晶体性能的变化 产生形变强化，电阻率上升，耐蚀性下降。
形变强化：随塑性变形量的增大，晶体材料的强 度不断提高，塑性不断下降的现象。
原因：位错缠结，阻碍位错运动。
性
σb
能
σs
指
标
δ
HB
塑性变形量
塑性变形对30号 钢力学性能的影 响
3、形变后的残余应力（分三类残余应力）。 （1）宏观残余应力（第一类残余应力）
因材料各部分之间塑性变形不均而产生。
金属材料
摩擦力使表 层变形小
心部变形大
拉拔力
拔丝模具
金属拔丝示意图
金属拔丝变形后残余应力 金属弯曲变形后残余应力
（2）微观残余应力（第二类残余应力） 因晶粒之间塑性变形不均而产生。
（3）晶格畸变残余应力（第三类残余应力） 因晶粒内部位错等造成晶格畸变而产生。
晶粒之间塑性变形不均匀 产生第二类残余应力
回复
再结晶 晶粒长大
升高加热温度或延长保温时间
加热时金属性能变化：
回复
再结晶 晶粒长大
性 能 及 其 他 指 标
温度
1、回复 l加热温度：T回=（0.25～0.3）T熔（K） l组织、性能变化： ①点缺陷密度减少：离位原子与空位复合 ②位错呈较规则排列：高密度位错短程运动 ③残余应力明显下降:①②引起 ④强、硬略有下降。 ⑤电阻率下降。 l回复驱动力：冷变形时储存的能量 应用：去应力退火
和体心：12个；密排六方：3个），滑移系 越多，越易塑性变形，塑性越好。
面心立方结构 滑移系示意图
体心立方结构 滑移系示意图
密排六方结构 滑移系示意图
研究结论：阻碍位错运动将提高材料屈服强度。
2、孪生：晶体中一部分相对于
另一部分沿一定的晶面（孪生）
和晶向（孪生方向）
作多
层均匀切向移动。
τ
τ
镜面对称
平行于流线方向抗 拉强度高、塑性好
垂直于流线方向抗 剪强度高、塑性差
l 应使“流线”合理分布：
使零件承受的最大正应力平行于纤维方向；
使零件承受的最大切应力垂直于纤维方向。
用 轧 材 切 削 用 锻 造 加 工
金属挂钩中流线
第四节 塑性加工性能及其影响因素
一、塑性加工性能及其指标
塑性加工：通过使材料塑性变形而获得具有一定 形状、尺寸和质量的零件的加工方法。
τ
τ
孪晶
二、多晶体塑性变形特点 1、晶粒取向的影响
使微观塑性变形不均匀和更复杂。
F
F
晶粒之间塑性变形不均匀
（1）取向不同，滑移所需分τ不同：硬取向，软取向
（2）各晶粒都满足τ 临界后，每晶粒各自沿自己滑移系 滑移，又要保持金属结构的连续性。－－相互协调
相同外力，多晶体比单晶体塑变量小
2、晶界的影响
滑移塑性变形的特征: （1）滑移是位错的连续运动所致。 （2）存在滑移临界分切应力(其大小影响材料屈
服强度),不同晶体结构临界分切应力不同。 （3）原子移动的距离是晶格常数的整数倍，滑移
后仍保持晶体结构的完整性。 （3）滑移发生在晶体的密排晶面和密排晶向上。 （4）不同的晶体结构常具有不同的滑移系（面心
工程材料基础
（3）
第三章 金属材料的塑性变形
第一节 单晶体和多晶体的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1、滑移： 晶体中一部分相对于另一部分沿一定
的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整体切向滑移。
塑性变形的滑移带和滑移线实验观察
滑移带 滑移线
1.外力作用的塑变，是原子平面间发生相对切向滑动。 2.变形只在少数晶面间发生切向滑动，即金属塑变相当 不均匀
（1）阻碍位错滑移
故细化晶粒提高强度： бs =б0 + kd-1/2。
（2）使微观塑性变形 更为均匀，推迟断裂发 生， 改善材料塑性、韧 性。
位错 滑移面 晶界
纯铁
原因： 在一定τ作用下，当总的变形量一定时，晶 粒细，位错可在更多的晶粒中运动→塑变更均匀→ 不易应力集中→↑强度，↑塑化） 1、冷变形（冷加工）后晶体内部组织的变化 （1）晶粒碎化，点缺陷、位错密度增大。内部
间
晶体的滑移塑性变形
结 合
力
最
小
的
晶
面
未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形
）
晶体的滑移塑性变形位错机制
实验观察结论： （1）通常晶体宏观塑性变形由微观滑移（切向
变形）引起。 （2）微观滑移发生在晶体中确定的晶面（滑移面）
和确定的晶向（滑移方向）上（合称为滑移 系）。
滑移面 （密排面）
滑移面上的滑 移方向（密排 晶向）
2、再结晶 l再结晶：高温加热冷变形金属（再结晶退火），
使其形成无畸变等轴晶粒并完全替代原变形晶 粒，各种性能恢复到冷变形前状态的过程。 l组织、性能变化：位错密度明显降低，变形晶粒 变为等轴晶粒，各种性能恢复到冷变形前状态。
l最低再结晶温度：能发生再结晶的最低加热温度 经验公式：T再=0.4 T熔（K）
注意，温度过高，材料氧化、脱碳严重，并可出 现过热（晶粒粗大）和过烧（局部熔化）。
（2）变形速度
塑性
变形抗力
、
抗
塑性
力
变形速度
• 变形速度较高时，回复、再结晶不及进行，不 能克服形变强化，金属变形抗力增大，塑性下降。 • 变形速度很高时，热效应促进回复、再结晶， 金属变形抗力下降，塑性提高。
（3）应力状态 金属变形时，三个主应力中压应力数目越
多，则金属表现出的塑性越好。 金属变形时，同号应力状态下的变形抗力大
于异号应力状态下的变形抗力。
挤压金属变形时应力状态 拉拔金属变形时应力状态
来的材料软化。 （2）热变形温度越高、变形速率越低，软化作用
越强。 （3）热变形产生纤维组织“流线”。变形量越大，
纤维化越明显。
流线：塑性变形时，金属中夹杂物、第二相等沿 变形方向分布排列。
流 线
变形前组织 变形后组织
低碳钢热加工后的流线
三、热变形纤维组织的应用 l “流线”使材料具有各向异性：
塑性加工性能：金属材料通过塑性加工获得优质 零件的难易程度。
塑性加工性能指标：塑性、变形抗力。 塑性越好、变形抗力越小，则塑性加工性能越好。
二、塑性加工性能影响因素
1、材料本质（内在因素） （1）化学成分 （2）微观组织
2、加工条件（外在因素）
（1）变形温度：温度高，变形抗力小，塑性好， 塑性加工性能好。
依靠晶体整体滑移的塑性变形模型
滑移面
塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为 其需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎全 部同时断开。
刃型位错运动使晶体滑移 引起塑性变形的模型
位错运动使塑性变形容易
螺型位错运动使晶体滑移 引起塑性变形的模型
混合型位错运动使晶体滑移 引起塑性变形的模型
滑
移
面
（
面
未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形
能量增大（储存了部分形变能）。
位错密集区
变形金属中位错胞
（2）变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织， 晶粒转动形成织构（择优取向），产生各向异
性。
等轴晶
沿变形方向 晶粒拉长
变形前 变形后
织构：晶粒空间取向趋于一致的组织状态。
塑性变形量很大时会使各个晶粒 的取向基本一致而产生“织构” 并造成各向异性。
高 应 力 区
变形金属晶粒中位错胞 产生第三类残余应力
l 残余应力危害：减低工件承载能力；使工件 尺寸、形状变化；降低工件耐蚀性。
拉应力
残余拉应力 残余拉应力与外加应力叠加
拉应力
ll残余应力利用：表面压应力提高疲劳强度。
拉应力
表层残余压应力 残余压应力抵消部分外加应力
拉应力
第三节 冷变形金属在加热时的变化 一、 回复、再结晶与晶粒长大 冷变形金属在加热时经历三个变化阶段： 加热时组织变化：
l再结晶驱动力：冷变形储存能 应用：再结晶退火
3、再结晶后晶粒的长大 再结晶结束后继续保温，晶粒将进一步长大。 晶粒长大驱动力：晶界总面积减少导致的晶界
能下降。
二、冷变形（加工）与热变形（加工）
冷变形：在再结晶温度以下进行的塑性变形。 冷变形特点：变形抗力高，变形获得的金属硬度、
精度高。 热变形：在再结晶温度以上进行的塑性变形。 热变形特点： （1）变形过程伴随有形变强化和回复与再结晶带