第六章金属材料塑性变形(1)
wwei材料成形技术(塑性)1
二、金属塑性成形的基本生产方式 1、轧制：金属毛坯在两个轧辊之间受压变形而形成各 种产品的成形工艺，图6-1。 2、挤压：金属毛坯在挤压模内受压被挤出模孔而变形 的成形工艺，图6-3。 3、拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形 工艺，图6-5。 4、自由锻：金属毛坯在上下砥铁间受冲击或压力而变 形的成形工艺，图6-7（a）。 5、模锻：金属坯料在既有一定形状的锻模模膛内受击 力或压力而变形的成形工艺，图6-7（b） 。
塑性愈大、变形抗力愈小，材料的可锻性愈好
4、可锻性的影响因素
（1）化学成分 A、碳钢中碳和杂质元素的影响
C、H、P（冷脆）、S （热脆） B、合金元素的影响
塑性降低，变形抗力提高。
（2）内部组织
单相组织（纯金属或者固溶体）比多相组织塑性好。 细晶组织比粗晶组织好； 等轴晶比柱状晶好。 面心立方结构的可锻性最好，体心立方结构次之， 而密排六方结构可锻性最差。
冲击力和压力
锻压是锻造与冲压的总称。
★锻造：在加压设备及工（模）具作用下，使坯料、铸锭产生局 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件 的加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的，
因此也称为金属热变形或热锻。
★锻造特点：1、压密或焊合铸态金属组 织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹。 2、细化晶粒和破碎夹杂物，从而获得一 定的锻造流线组织。因此，与铸态金属 相比，其性能得到了极大的改善。 3、主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯。 如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。 4、高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因，锻件精度 不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约。
2、晶粒和分布在晶界上的非金属夹杂物ห้องสมุดไป่ตู้沿变形方向被拉长， 但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状，而这些夹杂物不能 改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织。 纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向， 用热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。 纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性。
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
6-1 金属单晶的塑性变形
4 晶体塑性变形的其它方式
（1）孪生
孪生：晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面和一 定的晶向切边，切边后两部分呈镜面对称。
（2）扭折
2 滑移的切应力
当晶体受到外力作用时，不论外力的方向、大小和作用 方式如何，均可以将该力分解成垂直于某晶面的正应 力和沿该晶面的切应力。 只有当外力沿着这滑移方向的分切应力达到某一临界值 时，滑移过程才能开始。
2滑移的切应力
假设拉力P作用在横截面积为A 的圆柱形单晶体上。
滑移面的面积大小为A/cosΦ。
1 滑移变形的概念
(3)对于hcp晶体：
滑移面为(0001)晶面，共一个晶面; 滑移方向为<1120>,每个滑移面上有 三个滑移方向 所以共有3个滑移系。
通常情况下，晶体的滑移系越多，可供滑移的位向也越 多，金属的塑形也越好。 所以hcp金属的塑形最差， 又由于fcc金属的滑移方向最多，故fcc的塑形最好。 总之，塑形好坏比较：fcc>bcc>hcp
由上式可知：当τ达到临界值τc时，金属微观上发生 滑移，宏观上开始屈服，即σ=σs。 因此存在关系式τc= σs cosΦcosλ或者 σs= τc/ cosΦcosλ
τc 为临界分切应力，该值取决于结合键特征、结构 类型、纯度和温度等因素。
2 滑移的切应力
由关系式σs= τc/ cosΦcosλ可知：
பைடு நூலகம்
3 滑移和位错的运动
晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。 位错在切应力作用下连续不断运动到晶体表面，从而产 生一个原子间距的滑移变形量； 大量的位错运动到晶体表面即产生滑移带；
P P
除此之外，在晶体内部还会产生新的位错，导致随着滑 移变形量的增加，位错密度不断↗，产生位错强化，
材料科学基础第六章1
• 面心立方金属的的孪晶面为(111)，它与 (110)的交割线为[112]，此方向即为孪晶方 向。
• 以(110)为纸面作图(b)可以看出：晶体变形 后，变形区域作均匀切变，每层(111)都相 对与其相邻晶面沿[112]方向位移了d112/3。 表明孪生时每层晶面的位错是借一个不全 位错的移动造成的，在本例中，b=a[112]/6。
• 应力达到σb后，材料均匀变形结束， σb叫材料的 抗拉强度(tensile strength )，是材料极限承载能 力的标志。
• 4 应力达到σb时，材料开始发生不均匀变形，形 成颈缩。应力随之迅速下降，达到σk时材料短裂。 σk叫条件断裂强度 (rupture strength ) 。
• 断裂后的试样残余变形量Δl=(lk-l0)与原始长 度l0的百分比称为延伸率δ(percentage of elongtation ) ：
• 本章主要讨论金属材料的变形方式和塑性 变形机制，简单介绍陶瓷和高分子材料的 变形特点。
• 6.1 金属的应力-应变曲线 • 6.1.1 工程应力-应变曲线(以低碳钢为例) • 1 当应力低于σe时，应力与应变成正比：
σ=Eε • E称为弹性模量， • 表示材料的刚性。 • 此应力范围内撤 • 去应力则变形完 • 全消失，称为弹 • 性变形。
• τk=σsm 或：σs=τk/m
(6-7)
• m称为取向因子或斯密特(Schmid)因子。
m越大，分切应力越大，越有利于滑移。
• 当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同 一平面且φ=45º时，
• m=cosφcos(90º-φ)=sin2φ/2=0.5。
• 此时m值最大，σs最小，最有利于滑移， 称为软取向；外力与滑移面平行(φ=90º)或 垂直(φ=0)时,σs，晶体不能滑移，此种 取向称为硬取向。
第六章金属的塑性变形和断裂分析
1、单相固溶体的塑性变形：
塑变方式基本上与纯金属多晶体的变形相同， 但：
1.1产生固溶强化：由于溶质原子存在使强度、 硬度增高，塑性、韧性下降的现象；
原因：
①发生晶格畸变；
②形成柯氏气团：溶质原子在位错线附近的偏聚， 如图6－26所示；柯氏气团对位错有钉扎作用， 使位错运动的阻力增大；
a)溶质原子大于溶剂原子的置换固溶体； b)溶质原子小于溶剂原子的置换固溶体； c)间隙固溶体；
④fcc晶体孪生变形的示意过程，如图6－21所示； ⑤孪生时可听到声音； ⑥孪生对总变形量贡献不大；
⑦孪生的特点： 使一部分晶体发生了均匀的切变； 引起了晶体取向的变化； 不会改变晶体的点阵类型； 所需的切应力比滑移大许多倍； 在光学显微镜下观察到的是条带状；
第三节 多晶体的塑性变形
孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的 一对晶体叫做孪晶（双晶），如图6－20所示；
说明： ①孪生是晶体塑变的另一种方式；
②孪生经常发生在：不易产生滑移的金属中、 某些金属滑移困难时、变形速度大时；
③孪生面和孪生方向： 例如：fcc：孪生面｛111｝，孪生方向为
〈112〉； bcc: 孪生面｛112｝，孪生方向为〈111〉
σ S—e
S — e：真应力真应变曲线
σ—ε
颈
σ—ε：工程应力应变曲线
缩
ε
工程应力—应变曲线中“颈缩”现 象掩盖了 “加工硬化”
3、弹性变形： 定义：金属受力发生变形，当外力去除，立即 恢复原状的变形，叫做弹性变形； 实质：利用双原子作用力模型解释： 仅原子间距发生微小的弹性变化，无显微组织 的变化； 特点：①变形是可逆的；
2.1滑移带：
高锰钢中的滑移带，500X
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。
第六章 金属学作业
第六章金属及合金的塑性变形与断裂(一)填空题1、硬位向是指，其含义是。
2、从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是。
3、由于位错的性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。
4、加工硬化现象是指，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力，造成加工硬化的根本原因是。
5、影响多晶体塑性变形的两个主要因素是、。
6、金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强度，塑性。
7、常温下使用的金属材料以晶粒为好，而高温下使用的金属材料以晶粒为好。
8、面心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
9、体心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
10、密排六方结构的金属有个滑移系，它们是。
11、单晶体金属的塑性变形主要是在作用下发生的，常沿着晶体中和发生。
12、金属经冷塑性变形后,其组织和性能会发生变化,如、、等。
13、拉伸变形时，晶体转动的方向是由转到与。
14、晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的倍。
15、内应力是指，它分为、、三种。
(二)判断题1、在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。
（）2、滑移变形不会引起晶体位向的变化。
（）3、因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。
（）4、在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。
（）5、孪生变形所需要的切应力要比滑移变形所需要的切应力小得多。
（）6、金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。
（）7、单晶体主要变形的方式是滑移和孪生。
（）8、细晶粒金属的强度高，塑性也好。
（）9、反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。
（）10、喷丸处理能显著提高材料的疲劳强度。
（）11、晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。
（）12、晶界处滑移的阻力最大。
( )13、滑移变形的同时伴随有晶体的转动，因此，随变形度的增加，不仅晶格位向要发生变化，而且晶格类型也要发生变化。
金属塑性变形
（2） 弥散型两相合金的塑性变形 A、不可变形微粒的强化作用：位错绕过机制
Gb
第二相微粒间距越小，强化效果越好。 B、可变形微粒的强化作用：位错切过机制
• 需要错排能 • 需要反相畴界能 • 需要表面能 • 弹性应力场与位错作用，阻碍其运动 • 位错能量、线张力变化
8、塑性变形对金属组织和性能的影响
0 k 0
2 真应力-真应变曲线
真实应力：瞬时载荷与瞬时 截面积之比。S=P/F 真应变e：de=dl/l 总应变： l dl e de l ln(1 ) l
0
流变曲线： S ke n: 加工硬化指数，n越大， 强化效果越大。
n
3、单晶体的塑性变形
金属塑性变形的方式主要有:滑移和孪生
§6 金属塑性变形
塑性是金属材料的重要特性； 金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通 过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和 力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零 件毛坯或零件。 塑性加工包括锻压、轧制、 挤压、拉拔、冲压 等方法。
金属在承受塑性加工时， 产生塑性变形， 宏观上改变了材料的形状和尺寸；
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小； 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是 通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就 可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使 强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、 加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过 这种机理实现的。
滑移变形的特点： 滑移变形只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力(称滑 移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形 量一定是这个方向上的原子间距整数倍。
材料科学基础-第6章塑性变形1
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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
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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
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图6－2 滑移带形成示意图
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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
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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。
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图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
金属塑性变形机制-讲义
金属塑性成形理论基础（一）金属塑性变形机制参考讲义前言金属塑性加工是利用金属的塑性，在外力的作用下，通过模具(或工具)使简单形状的坯料成形为所需形状和尺寸的工件(或毛坯)的技术。
它也被称之为塑性成形或压力加工。
金属塑性加工方法主要包括锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。
为何采用塑性成形技术？⏹金属经过塑性成形后能改善其组织结构和力学性能。
铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。
因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。
⏹塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。
什么是塑性变形？当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限以后，金属就会产生变形。
当外力停止作用后，金属的变形并不消失。
这种变形称为塑性变形。
（当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。
作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
）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。
塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形有方式和变形条件有关。
材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一材料，在不同的变形条件下，会表现不同的塑性。
塑性是反映金属的变形能力，是金属的一咱重要的加工性能。
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。
金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。
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
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 )。
塑性变形
本章目的： 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质； 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响； 3 揭示加工硬化的本质与意义。
本章重点： （1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。
断 裂
伸
η
长
η
η
塑性变形
弹性歪扭
（滑移）
什么是分切应力：
λ:拉伸轴线与滑移方向夹角
θ:拉伸轴线与滑移面法向夹角
η＝(Fcosλ)/(A/cosθ)
λ
＝F/A ·（cosλ· cos θ)
＝ζcosλ· cos θ
分切应力
取向因子
分切应力的大小与取向因子 直接相关
什么是临界分切应力：
临界分切应力(ηK)： 使滑移系开动的最小分切应力
4 何谓加工硬化？简述其形成，其实质是 什么，如何消除？举例说明加工硬化的 弊与利。
5 试述金属材料经冷塑性变形后，对组织、 性能的影响。
6 什么叫织构？对材料性能有何影响？
7 讨论: 金属材料主要有哪些强化机制？
工件不同部位 —1%；造成变形 ⑵ 第二类内应力——微观内应力
晶粒之间或内部不同区域 —9~10%；应力集中，造成裂纹
⑶ 第三类内应力—点阵畸变(位错、空位) └ 90%；强度↑、塑性↓原因
消除方法： 去应力退火
残余应力的应用： 喷丸处理——提高强度
ζ拉
ζ压 ζS
ζ拉＝ ζs ＋ζ压
3 性能出现方向性 ← 形变织构，>70% 4 其它性能的影响
① 晶体内部存在某类缺陷——位错 ② 塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个 位错原子列作原子间距的完整跳跃，而是 位错中心附近少数原子作远小于原子间距 的弹性偏移实现
第六章塑性变形
第六章塑性变形【教学目的及要求】(1)掌握金属材料塑性变形的基本方式、变形的特征及其微观机制;(2)位错和晶界在单相多晶体和多相多晶体金属的塑性变形中的作用(3)理解固溶强化、应变强化、弥散强化的本质；(4)掌握金属塑性变形后的组织、性能的变化。
(5)了解陶瓷和高分子材料塑性变形的基本特点。
【主要内容】(1)金属的应力—应变曲线(2)单晶体的塑性变形(3)多晶体的塑性变形(4)合金的塑性变形(5)冷变形金属的组织与性能(6)聚合物的变形(7)陶瓷材料的塑性变形【教学重点、难点】重点：(1)单晶体塑性变形的滑移机制、特征以及不同晶体结构的滑移系特征；(2)滑移时临界分切应力的概念及其分析；(3)滑移与孪生的区别；(4)柯氏气团与点缺陷的交互作用；(5)金属冷变形的组织与性能特征。
难点：(1)滑移和孪生的机理、特征等(2)交滑移与多滑移的模型及其形貌特征(3) 柯氏气团与点缺陷的交互作用【教学方式与时间分配】本章以教师课堂讲授为主，结合PPT教学，预计占用6学时。
【思考题】1.拉伸一铜单晶体试样，若其表面平行于（111）面，假设晶体可以在各个滑移系上滑移，画出表面出现的滑移线痕迹，求出滑移线间的角度。
2.铜单晶体拉伸时，若力轴为[001]方向，临界分切应力为0.64MPa，问需要多大的拉伸应力才能使晶体开始塑性变形？3.简要分析加工分析加工硬化、细晶强化、固熔强化及弥散强化在本质上有何异同。
5.什么是滑移、滑移线、滑移带和滑移系？作图表示α-Fe，Al，Mg中的最重要滑移系。
哪种晶体的塑性最好，为什么？6.什么是临界分切应力？影响临界分切应力的主要因素是什么？单晶体的屈服强度与外力方向有关吗？为什么？7.试区别单滑移、多滑移和交滑移，三者滑移线的形貌有何特征，如何解释？8.在显微镜下如何区分滑移线和变形孪晶？9.孪生与滑移主要异同点是什么？为什么在一般条件下进行塑性变形时锌中容易出现孪晶，而纯铁中容易出现滑移带？10.试用位错理论解释低碳钢的屈服，举例说明吕德斯带对工业生产的影响及防止办法。
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第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程
在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，
其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力
作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的
分切应力便不同。施密特因子较大(接近1/2)，分切
应力较大的必将首先发生滑移变形，通常称这种位向
第6章 金属材料的塑性变形
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
一、滑移变形的概念 二、滑移与切应力 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τc是一常数，但 材料的屈服强度σs则随拉力轴相对 于晶体的取向不同而不同，即晶体
材料存在各向异性。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方向处于
或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小
(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它们所受的分切
应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体
金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将
会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过
程。
第六章金属材料塑性变形(1)
方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑
动。
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑移变形的概念
不可恢复；滑移线不均匀
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
滑移过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使 晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置， 晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的 滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台 阶。
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 滑移与晶体结构的关系
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 典型晶格的滑移系
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 二、滑移与切应力
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 二、滑移与切应力
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上
的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切
应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错
从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的
滑移。
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
说明：
对应于位错运动，在滑 移的过程中，只需要位错中 心上面的两列原子（实际为 两个半原子面）向右作微量 的位移，位错中心下面的一 列原子向左作微量的位移， 位错中心便会发生一个原子 间距的右移。由此可见，通 过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的 原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近 的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的 临界切应力便远远小第于六章整金属体材料刚塑性性变形滑(1) 移。
4. 滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程 2.晶粒间位向差阻碍滑移 3 .晶界阻碍位错运动
二、塑性变形对金属的影响 1.对组织结构的影响 2.对力学性能的影响
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
3 .晶界阻碍位错运动
当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生 运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能 直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界 处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位 错运动的阻力较大，难以发生变形，可见晶界的存在可以 提高材料的强度。
第1节 单晶体金属的塑性变形
三、滑移与位错的运动
1. 滑移只能在切应力的作用下发生。 2. 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发
生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最 大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑 移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切 应力最小。 3. 滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方 向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会 在晶体的表面上造成台阶。
第1节 单晶体金属的塑性变形
滑移与晶体结构的关系
滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体 的另一部分发生的相对滑动。
o 滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排 晶面；
o 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向；
o 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以 滑移的方式称为“滑移系”。
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
2.晶粒间位向差阻碍滑移
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。
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原 子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形； 正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形， 但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向 上发生滑移。
第六章金属材料塑性变形(1)