《材料成型金属学》教学资料：2 材料的塑形变形
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《材料成型金属学》教学资料：塑加金属学讲稿第二章
▲晶体的塑性变形，是通过平行于一定晶体学平面（即滑移面）的滑移 引起的。
▲滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 ▲塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶状，这些台
阶是由大量位错(Dislocation)滑出晶体所形成的。这些线条称为滑移 线，一系列滑移线聚成一束，组成滑移带．
在300℃ 拉伸的锌单晶体
(X比+应变速率大100倍)
滑移时晶体的转动（Rotation of Crystal)
滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时，晶体的转动
转方滑 动向移
不面 一上 致最 时大 ，分 拉切 伸应 时力 晶与 体滑 的移
▲压缩时晶面的转动：
外
的 分 解
力 在 晶 面
上
切
的 变 形
应 力 作 用
下
锌 单 照晶 片的 拉 伸
临界切应力（Critical Shear Stress):
能够引起滑移系开动的分切应力,决定滑移系能否开动. 沿滑移面滑移方向上的分切应力
横截面A0上的正应力:
P
A0
滑移面A上的全应力:
S P P cos cos
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线． 滑移层(Slip Band)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
滑移带示意图
滑移(Slip):
定义:晶体在外力作用下，其中一部分相对另一部分，沿一定的晶面 和该晶面上的一定晶向产生的平移滑动.
当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移， 大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
S cos cos cos
▲滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 ▲塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶状，这些台
阶是由大量位错(Dislocation)滑出晶体所形成的。这些线条称为滑移 线，一系列滑移线聚成一束，组成滑移带．
在300℃ 拉伸的锌单晶体
(X比+应变速率大100倍)
滑移时晶体的转动（Rotation of Crystal)
滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时，晶体的转动
转方滑 动向移
不面 一上 致最 时大 ，分 拉切 伸应 时力 晶与 体滑 的移
▲压缩时晶面的转动：
外
的 分 解
力 在 晶 面
上
切
的 变 形
应 力 作 用
下
锌 单 照晶 片的 拉 伸
临界切应力（Critical Shear Stress):
能够引起滑移系开动的分切应力,决定滑移系能否开动. 沿滑移面滑移方向上的分切应力
横截面A0上的正应力:
P
A0
滑移面A上的全应力:
S P P cos cos
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线． 滑移层(Slip Band)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
滑移带示意图
滑移(Slip):
定义:晶体在外力作用下，其中一部分相对另一部分，沿一定的晶面 和该晶面上的一定晶向产生的平移滑动.
当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移， 大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
S cos cos cos
《材料成型金属学》教学资料：第3章 金属塑性变形的宏观规律
镦粗直角平行六面 体时的运动学图形
ctgα a b
tgα 1 b [1 (b )4μ]
2a a
其中μ为摩擦系数 ➢ μ=0时， tgα a ， 塑性流动的放射性b 图形； ➢ b=a， μ任意 值， tgα 1 ， 正常运动学图形（分界线与X 轴成45 °）
ε2γxy
εxy
12γzy
12γxz
12γyz
εzz
x a11x a12y a13z
y
a21x
ay 22
az 23
z
ax 31
ay 32
az 33
均匀变形的基本特点
变形前
变形后
1
(平行)平面和直线 (平行)平面和直线
2 二阶曲面(如:球体) 二阶曲面(椭球体)
3
几何相似且位置相似 的单元体
几何相似的单元体
均匀变形条件
• 变形体为各向同性. • 变形体内各点处物理状态相同(温度、变形抗力等). • 接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同. • 整个变形体同时处于工具直接作用下（无外端）. • 接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的
阻力.
实际生产条件
基本应力与附加应力
• 基本应力: ——物体在塑性变形状态中，由外力 作用所引起的应力称为基本应力。 ——完全根据弹性状态所测出的应力。 • 外力去除后弹性变形恢复, 此基本应 力消失。
•附加应力 : 由物体内各部分的不均匀变 形受物体整体性限制而产生 并在物体内相互平衡的应力.
•残余应力 : 塑性变形结束后仍保留在变 形物体内的附加应力。
① 不可能绝对各向同性 ② 物体内各点物理状态不能绝对相同 ③ f≠0 ④ 压下量绝对相等难以做到 ⑤ 除镦粗外，一般都有外端作用
ctgα a b
tgα 1 b [1 (b )4μ]
2a a
其中μ为摩擦系数 ➢ μ=0时， tgα a ， 塑性流动的放射性b 图形； ➢ b=a， μ任意 值， tgα 1 ， 正常运动学图形（分界线与X 轴成45 °）
ε2γxy
εxy
12γzy
12γxz
12γyz
εzz
x a11x a12y a13z
y
a21x
ay 22
az 23
z
ax 31
ay 32
az 33
均匀变形的基本特点
变形前
变形后
1
(平行)平面和直线 (平行)平面和直线
2 二阶曲面(如:球体) 二阶曲面(椭球体)
3
几何相似且位置相似 的单元体
几何相似的单元体
均匀变形条件
• 变形体为各向同性. • 变形体内各点处物理状态相同(温度、变形抗力等). • 接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同. • 整个变形体同时处于工具直接作用下（无外端）. • 接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的
阻力.
实际生产条件
基本应力与附加应力
• 基本应力: ——物体在塑性变形状态中，由外力 作用所引起的应力称为基本应力。 ——完全根据弹性状态所测出的应力。 • 外力去除后弹性变形恢复, 此基本应 力消失。
•附加应力 : 由物体内各部分的不均匀变 形受物体整体性限制而产生 并在物体内相互平衡的应力.
•残余应力 : 塑性变形结束后仍保留在变 形物体内的附加应力。
① 不可能绝对各向同性 ② 物体内各点物理状态不能绝对相同 ③ f≠0 ④ 压下量绝对相等难以做到 ⑤ 除镦粗外，一般都有外端作用
材料成型工艺基础金属塑性成形
材料成型工艺基础：金属塑性成形1. 引言金属塑性成形是制造业中常见的一种材料成型工艺。
通过对金属材料施加力量，使其在一定的温度和应变条件下发生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的制品。
这种成形工艺广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等领域。
本文将介绍金属塑性成形的基本概念、工艺流程以及常见的金属塑性成形方法。
2. 基本概念2.1 金属塑性成形的定义金属塑性成形是指将金属材料通过施加力量，在一定的温度和应变条件下，使其发生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的工艺过程。
2.2 塑性变形的基本概念塑性变形是指材料在一定的应力作用下，在超过其屈服点之后发生的可逆性变形。
在这种变形中，金属材料的原子结构会发生改变，从而改变了材料的形状和尺寸。
3. 工艺流程金属塑性成形的工艺流程主要包括以下几个步骤：3.1 原材料准备在金属塑性成形工艺中，首先需要准备好所需的金属原材料。
原材料的选择需要满足产品的要求，包括材料的强度、韧性、耐蚀性等。
3.2 材料加热在金属塑性成形之前，通常需要将金属材料进行加热。
加热可以使金属材料达到一定的塑性状态，更容易发生塑性变形。
加热的温度和时间需要根据不同的金属材料和成形要求进行调整。
3.3 成型工艺金属塑性成形的成型工艺包括以下几种常见方法：3.3.1 锻造锻造是一种利用压力将金属材料塑性变形成形的方法。
在锻造过程中，金属材料会经过压缩、拉伸、冷却等多个步骤，最终得到所需的形状。
3.3.2 拉伸拉伸是将金属材料放在拉伸机上，通过施加力量使其发生塑性变形的方法。
通过拉伸可以改变金属材料的形状和尺寸。
3.3.3 深冲深冲是将金属材料放在冲压机上，通过模具对材料进行冲压，使其发生塑性变形的方法。
通过调整模具的形状和尺寸，可以得到不同形状和尺寸的制品。
3.4 后处理在金属塑性成形完成之后，通常需要进行一些后处理工艺。
包括去除表面的氧化物、清洗、退火等。
后处理的目的是提高产品的表面质量和性能。
4. 常见的金属塑性成形方法4.1 冷镦成形冷镦成形是一种将金属材料通过冷镦机进行挤压、拉伸、弯曲等操作，使其发生塑性变形的方法。
材料成型基础-金属塑性成型
金属拉伸时的应力—应变曲线（低碳钢）
一、 塑性变形的实质
金属材料是晶体结构，金属受到外力会使金属内部产生应力。 当内应力超过弹性极限，发生伸长或歪扭（应力消失，变形消失）——弹 性变形 当内应力超过屈服极限值，发生滑移（不可逆变形）——塑性变形
金属的变形实际上就是组成金属的晶粒变形，包括晶内变形和 晶间变形。
M
孪生与滑移的区别
• 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整 个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不 均匀的；
• 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数 倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离 是滑移方向原子间距的整数倍；
• 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而 滑移时，滑移面两边晶体位向不变；
正挤
反挤
（3）拉拔：金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。 拉拔是获得金属丝的唯一方法。利用轧制或挤压后的型材为 坯料，可拉制各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型 材。（高精度、小表面粗糙度）
(4) 锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或
压力而产生塑性变形的加工
刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
2）孪生
孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向） 发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变 形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位 向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部 分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的 孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动拉力 实现的，每层镜面与它相邻镜面沿孪生方向移动小于 一个原子间距的距离。
一、 塑性变形的实质
金属材料是晶体结构，金属受到外力会使金属内部产生应力。 当内应力超过弹性极限，发生伸长或歪扭（应力消失，变形消失）——弹 性变形 当内应力超过屈服极限值，发生滑移（不可逆变形）——塑性变形
金属的变形实际上就是组成金属的晶粒变形，包括晶内变形和 晶间变形。
M
孪生与滑移的区别
• 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整 个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不 均匀的；
• 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数 倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离 是滑移方向原子间距的整数倍；
• 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而 滑移时，滑移面两边晶体位向不变；
正挤
反挤
（3）拉拔：金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。 拉拔是获得金属丝的唯一方法。利用轧制或挤压后的型材为 坯料，可拉制各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型 材。（高精度、小表面粗糙度）
(4) 锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或
压力而产生塑性变形的加工
刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
2）孪生
孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向） 发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变 形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位 向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部 分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的 孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动拉力 实现的，每层镜面与它相邻镜面沿孪生方向移动小于 一个原子间距的距离。
金属的塑性变形
晶体受力时处于最软取向的一组滑移系首先启动并转动晶体取向变化可使另一组原处于硬取向的滑移系转动到软取向后启动导致滑移可在两组或多组滑移系中同时或交替进行
第七章
金属的塑性变形
主要参考书： 李超，《金属学原理》第十章 赵刚，《材料成型的物理冶金学基础》 第1～5章
2015-11-7
引言 金属受力 → 变形 = 弹性形变 ＋ 塑性形变 外力撤除 → 弹性形变自动消除＋塑性形变永久残留
G
E 2(1
)
2．微观规律 双原子模型： A, B位置两原子处于平衡状态，原子之间合力f＝0。 有限外力去除后，B可自动回到原平衡位置。故受力与应变之间近似为线性关系。 外力较大使原子位移较大时，无法自动回位，应力应变偏离线性关系，发生塑性变形。 弹性变形行为可反映内部原子结合力: ● 原子结合力越强，E或G越大。 ● 凡是能够提高原子结合力的过程，均可以提高材料的弹性模量。
形态特征： 发生多滑移的晶体表面会出现交叉状滑移线。
6．交滑移 交滑移： 两个或多个滑移面同时或交替启动，沿同一滑移方向进行的滑移。 形态特征： 发生交滑移的晶体表面会出现曲
折或波纹状滑移线。
与多滑移的区别： ♣ 滑移沿同一滑移方向； ♣ 晶体表面滑移线为曲折状； ♣ 只能由螺型位错产生。
四、滑移的位错机制
设m＝cossincos＝coscos，称m为取向因子（Schmid因子）
则：
＝ m
当晶体开始塑性变形时，即应力应达到屈服极限，有 ＝ s 则滑移方向上的分切应力即为滑移启动的临界分切应力k： k＝ sm 即滑移面启动滑移的临界条件必定是： ≥k
2
2015-11-7
1．滑移的理论切应力
设滑移面上层原子位移需要克服下层原子的作用力变化为：
第七章
金属的塑性变形
主要参考书： 李超，《金属学原理》第十章 赵刚，《材料成型的物理冶金学基础》 第1～5章
2015-11-7
引言 金属受力 → 变形 = 弹性形变 ＋ 塑性形变 外力撤除 → 弹性形变自动消除＋塑性形变永久残留
G
E 2(1
)
2．微观规律 双原子模型： A, B位置两原子处于平衡状态，原子之间合力f＝0。 有限外力去除后，B可自动回到原平衡位置。故受力与应变之间近似为线性关系。 外力较大使原子位移较大时，无法自动回位，应力应变偏离线性关系，发生塑性变形。 弹性变形行为可反映内部原子结合力: ● 原子结合力越强，E或G越大。 ● 凡是能够提高原子结合力的过程，均可以提高材料的弹性模量。
形态特征： 发生多滑移的晶体表面会出现交叉状滑移线。
6．交滑移 交滑移： 两个或多个滑移面同时或交替启动，沿同一滑移方向进行的滑移。 形态特征： 发生交滑移的晶体表面会出现曲
折或波纹状滑移线。
与多滑移的区别： ♣ 滑移沿同一滑移方向； ♣ 晶体表面滑移线为曲折状； ♣ 只能由螺型位错产生。
四、滑移的位错机制
设m＝cossincos＝coscos，称m为取向因子（Schmid因子）
则：
＝ m
当晶体开始塑性变形时，即应力应达到屈服极限，有 ＝ s 则滑移方向上的分切应力即为滑移启动的临界分切应力k： k＝ sm 即滑移面启动滑移的临界条件必定是： ≥k
2
2015-11-7
1．滑移的理论切应力
设滑移面上层原子位移需要克服下层原子的作用力变化为：
第五章 材料成型基础金属塑形成形理论基础-02
4.回复与再结晶： 4.回复与再结晶： 回复与再结晶
1）回复：金属冷变形后，加热到一定温度，原子 回复：金属冷变形后，加热到一定温度， 恢复正常排列，消除了晶格扭曲，应力大大降低。加 恢复正常排列，消除了晶格扭曲，应力大大降低。 工硬化部分消除（晶粒形状、 工硬化部分消除（晶粒形状、大小及金属的性能变化 不大），原子获得能量。震动加剧，回复正常排列。 ），原子获得能量 不大），原子获得能量。震动加剧，回复正常排列。 ＝（0.25 0.3） 0.25～ 室温＋273） T回＝（0.25～0.3）T熔 （室温＋273） 分别为金属回复、熔化的绝对温度。 T回、T熔分别为金属回复、熔化的绝对温度。
晶粒变形
加工硬化
塑变程度增大，金属强度，硬度升高；塑性， 塑变程度增大，金属强度，硬度升高；塑性，韧 性下降的现象。 性下降的现象。 有利：强化金属， 1）有利：强化金属，形变强化 有害：变形抗力↑，继续压力加工困难，对模具 有害：变形抗力↑ 继续压力加工困难， 不利，设备吨位↑ 不利，设备吨位↑ 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（室温不行） 应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行） 消除方法： 2）消除方法：加热 －回复和再结晶
应 用： 金属的塑性成形是生产金属型材、板材、 金属的塑性成形是生产金属型材、板材、 线材等的主要方法。此外， 线材等的主要方法。此外，承受较大或复 杂负荷的机械零件，如机床主轴、 杂负荷的机械零件，如机床主轴、内燃机 曲轴、连杆以及工具、 曲轴、连杆以及工具、模具等通常需采用 此成形方法。 此成形方法。如飞机上的压力加工成形零 件约占85% 汽车、 85%； 件约占85%；汽车、拖拉机上的锻件占 60% 80%。 －80%。
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。
《材料的塑性变形》课件
A0 φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
材料成型工艺基础金属塑性成形课件
2.3模 锻
1.模锻件应避免深孔或多孔。
2.模膛不应过深。
3.形状复杂或敷料较多时，宜考 虑焊接+锻造组合结构。
返回
热模锻压力机上模锻
2.3模 锻
返回
平锻机上模锻
2.3模 锻
返回
胎模锻
2.3模 锻
下一节 返回
§4 板料冲压
2.4板料冲压
2.4板料冲压
一、冲压设备
冲床 剪床
数控冲床
二、冲压工序
17、利人为利已的根基，市场营销上老是为自己着想，而不顾及到他人，他人也不会顾及你。上午11时13分26秒上午11时13分11:13:2621.8.17
2.1塑变基础
钢锭 在压力机上 开坯
§2 锻造
自由锻 (手工、机器）
模锻
返回
连杆锻件
装饰锻件
自由锻
2.2自由锻
一、设备
空气锤 蒸汽锤 电液锤
▪尽量使敷料等最少，提高金属利用率，节
省后续加工工时。
2.3模 锻
2.敷料、加工余量和公差的确定
3.模锻斜度
4.模锻圆角
5.冲孔连皮
四、模锻的工艺特点
2.3模 锻
锻件精度、生产率比自由锻高。 需用专用模具，模具成本高，适 用于大批量生产。 锻件的外形可以较复杂。 中、小型锻件为主。
五、模锻件的结构工艺性
四、工艺特点
2.2自由锻
锻件外形简单、精度低，半成 品或毛坯件为主。
生产率低，可生产各种重量的 锻件。
大型、巨型锻件只能用自由锻 方法生产。
五、锻件的结构工艺性
轴类零件 杆类零件 盘类零件
2.2自由锻
§3 模锻
一、模锻方式
锤上模锻 压力机上模锻 胎模锻
金属及合金的塑性变形讲课文档
金属及合金的塑性变形
塑性加工举例
Rolling
模锻
Hot Rolling
Cold Drawing
纳米铜的室温超塑性
6.1 金属的变形特性 拉伸实验与拉伸曲线示意图
一、变形过程中的名词概念
1、应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。
正应力: 同截面垂直的应力称为“正应力” 或“法向应力”。
的工程应力σb ，表示材料对最 大均匀塑性变形的抗力，称为抗
拉强度或强度极限。此后试样出
I II III
IV
现失稳，能承受的总应力下降，
其实颈缩处真实应力依然在上升。
断裂
1. 变形量大至K点，试样 发生断裂。
2. 断裂的实质是原子间承 受的应力超出最大吸引 力，原子间的结合受到 破坏而分离开来。
y e
不能恢复的永久性变形
当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹 性变形，而且还发生塑性变形，即在外力 去除后，其变形不能得到完全的恢复，而 是残留有永久的变形。
塑性变形过程－屈服
1) 屈服：材料开始发生微量 塑性变形。
2) 屈服特点：即使外力不再 增加，试样继续变形，这 种变形属于塑性变形，在 拉伸曲线上会出现屈服平 台或屈服锯齿。只有部分 材料具有这样的特征。
• 当分切应力达到临界 值时，滑移才能开始。
滑移的临界切应力—施密特定律
推动滑移的是在滑移方向上的分 切应力。同一外加应力作用下， 不同滑移系因取向不同，对应的 分切应力也各不相同。
左图中单晶体受拉应力F作用，滑 移面法线方向N与F夹角为f，滑 移方向S和F夹角为 。 注意：滑移方向S、拉力轴F和滑 移面的法线N三者不一定在同一 平面内。
——刚性移动模型失败，应该有更省力的方式 ——位错学说的诞生
塑性加工举例
Rolling
模锻
Hot Rolling
Cold Drawing
纳米铜的室温超塑性
6.1 金属的变形特性 拉伸实验与拉伸曲线示意图
一、变形过程中的名词概念
1、应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。
正应力: 同截面垂直的应力称为“正应力” 或“法向应力”。
的工程应力σb ，表示材料对最 大均匀塑性变形的抗力，称为抗
拉强度或强度极限。此后试样出
I II III
IV
现失稳，能承受的总应力下降，
其实颈缩处真实应力依然在上升。
断裂
1. 变形量大至K点，试样 发生断裂。
2. 断裂的实质是原子间承 受的应力超出最大吸引 力，原子间的结合受到 破坏而分离开来。
y e
不能恢复的永久性变形
当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹 性变形，而且还发生塑性变形，即在外力 去除后，其变形不能得到完全的恢复，而 是残留有永久的变形。
塑性变形过程－屈服
1) 屈服：材料开始发生微量 塑性变形。
2) 屈服特点：即使外力不再 增加，试样继续变形，这 种变形属于塑性变形，在 拉伸曲线上会出现屈服平 台或屈服锯齿。只有部分 材料具有这样的特征。
• 当分切应力达到临界 值时，滑移才能开始。
滑移的临界切应力—施密特定律
推动滑移的是在滑移方向上的分 切应力。同一外加应力作用下， 不同滑移系因取向不同，对应的 分切应力也各不相同。
左图中单晶体受拉应力F作用，滑 移面法线方向N与F夹角为f，滑 移方向S和F夹角为 。 注意：滑移方向S、拉力轴F和滑 移面的法线N三者不一定在同一 平面内。
——刚性移动模型失败，应该有更省力的方式 ——位错学说的诞生
《材料成型金属学》教学资料：第3章 金属塑性变形的宏观规律 (2)
2. 沿变形区的纵向和横向：
无外端时：双鼓变形
有外端时：同样起“拉齐”作用，使纵向变形的不均 匀性减小，横向变形的不均匀性增加。
3.3.3 变形工具和坯料的轮廓形状（△h不均）
工具（或坯料）形状是影响金 属塑性流动方向的重要因素。工 具与金属形状的差异，造成金属 沿各个方向流动的阻力差异，使 金属沿各个方向的变形不均，导 致变形过程中出现各种不同缺陷。 1.工具形状的影响： （1）凸型辊或凹型辊轧制矩形 断面坯料时，出现“边浪”、 “中浪”、“裂边”等缺陷； （2）轧辊压下量分配不均时， 导致板材出现镰刀弯、舌头、鱼 尾等缺陷。
3.3.4 变形物体温度分布不均
• 同一变形物体中高温部分变形抗力低，低温部分变形 抗力高。在外力作用下高温部分变形大，低温部分变 形小，从而产生附加应力。
• 变形物体内因温度不同所产生热膨胀不同而引起的热 应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后， 有时会加强应力的不均匀分布，引起变形物体的非正 常变形、弯曲、表面裂纹、甚至芯部周期断裂等缺陷。
钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度较低 中部：T/℃低，膨胀小， σ附热(+) 轧制开始时，表面变形大， σ附(-)
中部变形小， σ附(+) 这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂
3.3.5 变形金属材质不均
变形物体化学成分、组织结构、夹杂物、相状 态等分布不均时，造成变形体各部分物理性能的不 同，如变形抗力不同造成变形和流动的差异，出现 局部应力集中，导致各种宏观和微观的缺陷。
3.4.1 使变形后的组织性能不均，产品质量下降
• 金属塑性加工过程中，变形程 度分布不均必然导致组织不均， 如晶粒大小、形状不均，夹杂 和相状态不均等，使金属强度、 塑性、韧性等性能不均，质量 下降；
无外端时：双鼓变形
有外端时：同样起“拉齐”作用，使纵向变形的不均 匀性减小，横向变形的不均匀性增加。
3.3.3 变形工具和坯料的轮廓形状（△h不均）
工具（或坯料）形状是影响金 属塑性流动方向的重要因素。工 具与金属形状的差异，造成金属 沿各个方向流动的阻力差异，使 金属沿各个方向的变形不均，导 致变形过程中出现各种不同缺陷。 1.工具形状的影响： （1）凸型辊或凹型辊轧制矩形 断面坯料时，出现“边浪”、 “中浪”、“裂边”等缺陷； （2）轧辊压下量分配不均时， 导致板材出现镰刀弯、舌头、鱼 尾等缺陷。
3.3.4 变形物体温度分布不均
• 同一变形物体中高温部分变形抗力低，低温部分变形 抗力高。在外力作用下高温部分变形大，低温部分变 形小，从而产生附加应力。
• 变形物体内因温度不同所产生热膨胀不同而引起的热 应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后， 有时会加强应力的不均匀分布，引起变形物体的非正 常变形、弯曲、表面裂纹、甚至芯部周期断裂等缺陷。
钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度较低 中部：T/℃低，膨胀小， σ附热(+) 轧制开始时，表面变形大， σ附(-)
中部变形小， σ附(+) 这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂
3.3.5 变形金属材质不均
变形物体化学成分、组织结构、夹杂物、相状 态等分布不均时，造成变形体各部分物理性能的不 同，如变形抗力不同造成变形和流动的差异，出现 局部应力集中，导致各种宏观和微观的缺陷。
3.4.1 使变形后的组织性能不均，产品质量下降
• 金属塑性加工过程中，变形程 度分布不均必然导致组织不均， 如晶粒大小、形状不均，夹杂 和相状态不均等，使金属强度、 塑性、韧性等性能不均，质量 下降；
《材料成型金属学》教学资料：1-5位错的运动与塑性变形
位错的正攀移过程
Vacancy capture by dislocation line, dislocation climbs up
Nearby atom moves into dislocation, leaving a vacancy nearby
攀移----刃型位错垂直于滑移面方向的运动。
刃位错滑移特点
a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模；
c） 外力τ // b，位错线⊥τ ，位错线运动方向//τ d） τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效
果相同； e) 滑移面唯一。
螺位错滑移
在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失 在晶体表面，留下一个柏氏矢量大小的台阶； 螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行； 螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线 为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移。
1.位错的滑移
滑移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动，而是通过位错的运动来实现的。 在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位 错自左向右移动时，晶体产生滑移。 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。
刃位错的运动 Movement of an Edge Dislocation
Movement of an edge dislocation across the crystal lattice under a shear stress. Dislocations help explain why the actual strength of metals in much lower than that predicted by theory.
Vacancy capture by dislocation line, dislocation climbs up
Nearby atom moves into dislocation, leaving a vacancy nearby
攀移----刃型位错垂直于滑移面方向的运动。
刃位错滑移特点
a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模；
c） 外力τ // b，位错线⊥τ ，位错线运动方向//τ d） τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效
果相同； e) 滑移面唯一。
螺位错滑移
在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失 在晶体表面，留下一个柏氏矢量大小的台阶； 螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行； 螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线 为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移。
1.位错的滑移
滑移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动，而是通过位错的运动来实现的。 在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位 错自左向右移动时，晶体产生滑移。 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。
刃位错的运动 Movement of an Edge Dislocation
Movement of an edge dislocation across the crystal lattice under a shear stress. Dislocations help explain why the actual strength of metals in much lower than that predicted by theory.
金属的塑性变形和断裂分析课件
腐蚀速率
金属腐蚀的速度，通常以单位 时间内腐蚀的深度或质量损失
表示。
腐蚀防护采用涂层、电镀、缓来自剂等措 施来减缓金属的腐蚀速率。
提高金属抗疲劳和抗腐蚀的方法
材料选择
选择具有优异抗疲劳和抗腐蚀 性能的材料，如不锈钢、钛合
金等。
表面处理
采用喷涂、电镀、化学镀等表 面处理技术，提高金属表面的 耐腐蚀性能。
金属的塑性变形和断 裂分析课件
目录
CONTENTS
• 金属的塑性变形 • 金属的断裂分析 • 金属的塑性和韧性 • 金属的强度和硬度 • 金属的疲劳和腐蚀
01 金属的塑性变形
塑性变形的定义
塑性变形：金属在受到外力作用 时，发生的不可逆的形状变化。
塑性变形是一种不可逆的永久变 形，即使外力撤去，也无法恢复
温度
温度对金属的塑性变形有显著影响，温度升高， 金属的塑性增加，更容易发生塑性变形。
应变速率
应变速率越快，金属的塑性越差；应变速率越慢 ，金属的塑性越好。这是因为应变速率快时，金 属内部的应变硬化速度跟不上应变速率，导致金 属容易发生断裂。
02 金属的断裂分析
断裂的定义和分类
总结词
断裂是金属材料在受力过程中发生的永久性结构变化，通常表现为突然的开裂或分离。
强度和硬度在一定程度上可以相互转换，但转换公式因材料和测试方法 而异。
强度和硬度的关系对于材料的选择和应用具有重要的指导意义，例如在 机械零件的设计和制造中，需要根据零件的工作条件和要求合理选择材 料的强度和硬度。
05 金属的疲劳和腐蚀
金属的疲劳
疲劳定义
金属在循环应力作用下 ，经过一段时间后发生
提高金属塑性和韧性的方法
合金化
金属材料的塑性变形课件
热轧工艺
总结词
热轧工艺是一种在高温下对金属材料进行塑性变形的加工方法，通过将金属材料加热至一定温度后进 行轧制，使其发生塑性变形。
详细描述
热轧工艺通常在高温下进行，将金属材料加热至其塑性变形温度范围后进行轧制。在轧制过程中，金 属材料的晶格结构发生变化，导致其形状和尺寸发生改变。热轧工艺可以生产出大尺寸、形状简单的 金属制品，广泛应用于钢铁、铜、铝等金属材料的加工。
金属材料的塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生相对移动
。
孪生
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生较大的相 对移动，但不改变晶体的对称性
的变形方式。
晶界滑移
晶界在切应力的作用下发生相对 移动，使整个晶体发生变形。
形加工，以确保其性能和安全性。
05
金属材料塑性变形的挑战与展 望
金属材料塑性变形的挑战
01
加工硬化
金属在塑性变形过程中，随着 变形程度的增加，材料的强度 和硬度逐渐提高，导致继续变 形所需的应力不断增加。这使 得金属的塑性变形变得困难， 甚至可能导致加工中止。
02
温度影响
金属材料的塑性变形受温度影 响较大。在低温环境下，金属 材料的塑性变形能力会显著降 低，可能导致脆性断裂。而在 高温环境下，金属可能会发生 氧化、腐蚀等反应，影响其力 学性能。
锻造工艺
总结词
锻造工艺是一种通过施加外力使金属材 料发生塑性变形的加工方法，通常在高 温或室温下进行。
VS
详细描述
锻造工艺可以通过多种方式实现，如自由 锻、模锻等。在锻造过程中，金属材料被 施加外力，使其发生塑性变形，以获得所 需的形状和性能。锻造工艺可以生产出高 强度、高韧性的金属制品，广泛应用于航 空、汽车、船舶等领域的金属加工。
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A0 φ---滑移面法线与横截面法线间夹角；
λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
滑移方向
S
S
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面 上沿滑移方向的分切应力达到某一临 界值时，晶体才开始滑移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为 45°时，在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
点阵相对原来点阵发生转动而形成。 取向转动不同于扭折带,不是突变,而是渐变。 形貌不同于滑移带,形状不规则；边界弯曲,并沿主变形方
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2.2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形 （a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动
孪生和滑移比较
扭折带（Kink band）
■扭折：是滑移受到约束或阻碍时, 为适应外力作用而产生的一种不 均匀变形方式。 ■扭折带：相对于母晶取向发生不 对称变化的晶体区域。 ■扭折带晶体位向的突然改变是滑 移受阻
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体 不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步 激发变形。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且 σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称 为不利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移 。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
全位错运动的结果
半位错运动的结果
密排面的堆垛顺序
不变
改变
临界切应力
小
大
变形速度
慢
快
从位错机制角度比较滑移和孪生的区别，并评价二 者在塑性变形中的作用。
（1）图（A）为未变形区的堆垛层错顺序，图（B）为发生
孪生后的堆垛层错顺序。可以判断出哪层原子为孪晶界？
（a）A层
（b）B层
（c）C层
2.3 不对称转变
2.1 滑移
在一般情况下，滑移面和滑移方向是晶体的密排和较密
排面及密排方向。 三种典型金属晶格的滑移要素
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
Schmid定律
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
τ= Scosλ= σ cosφ cosλ
向延伸。 由于晶界的阻碍易在一个晶内引起取向的不同,因此多晶材
料形成形变带的倾向大。
2.4 高温变形机理
非晶机制 粘性液体和非晶体的流动。 对于多晶体金属，在一定的变形温度和速度条件下，也可
发生。 原子在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移，引发塑
性变形。 间隙原子、置换原子和空位的运动。
滑移
孪生
相同点 切变均匀性
在切应力下进行； 沿特定晶面、晶向进行；
不改变晶体结构。
不均匀（仅滑移面上） 均匀（整个变形区）
面两边晶体位向 不变，抛光浸蚀后不 改变，成镜像对称，抛
重现
光浸蚀后仍可重现使晶
体表面产生浮凸）
不 同 点
切变量
滑移方向上原子间距 小于孪生方向上的原子
的整数倍，较大
间距，较小
位错机制
件（温度和作用于晶界的力）及点缺陷（溶质和空位）等 因素的影响。 小角晶界：位错的滑移和攀移； 大角晶界：原子从一侧热激活跳动到另一侧。 驱动力：晶界两侧的化学势差。
扩散蠕变
温度很高（空位运动活跃）、应力很低（位错很少）时， 蠕变速度与应力成正比，与位错关系不大，此时的形变主 要是由应力作用下物质的定向流动造成的。 材料内部的空位浓度差是产生蠕变的主要原因。
带来的问题：设备或构件的失效 发生扩散蠕变的条件？ 晶粒越细，越促进高温蠕变？
晶界滑动(GBS)
高温条件下多晶体金属相邻晶粒在切应力的作用下沿着晶 粒间界的相对移动（以晶界为界，两侧晶粒发生滑动）。
晶粒尺寸越小，单位体积内的晶界面积越大，晶界滑动的 作用越大，即对总变形量的贡献越大。
材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
晶界迁移
在一定的驱动力下，晶界可以迁移。 微观机制：涉及晶界邻域的原子过程。受晶界结构、外界条
2.材料的塑性变形
滑移(Slip)：最主要的变形方式 孪生(Twinning)：低温、高速，对称性较低的密
排六方金属 不对称变形(Asymmetrical Deformation)：变形协
调机制 非晶机制(Amorphous Mechanism)：高温 晶界滑移(Grain Boundary Sliding)：高温