2金属塑性变形宏观规律与微观机制
《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
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
机械工程材料习题答案
第六章 钢的热处理
2、何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？
答： wC0.45%碳钢属于低碳钢，室温平衡组织为F+P，其中F和P相对含量分别为：
wF%0.77 0. 77 0.4542%
硬因度此和，伸该长碳率钢等的性硬能度指为标：符合加w合P法%则。 00..747558%
伸长率为：
H 4 5H PV P % H FV F % 1 8 0 5 8 % 8 4 2 % 1 0 4 .4 3 .3 6 1 0 7 .7 6
增加，材料硬度增加、塑性下降，强度在~ wC0.90% 时最高，之后下降。
因此，Rm（ σb）： wC0.20%< wC1.20%< wC0.77% HBW： wC0.20%< wC0.77%< wC1.20% A： wC1.20%< wC0.77%< wC0.20%
4、计算碳含量为wC0.20%的碳钢的在室温时珠光体和铁素体的相对含量。
B 将（ α+β ）II 视为一种组织构成项：
WαI=
W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
WαI= W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
则在（ α+β ）II中含有多少α和多少β相？
2、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答： 固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。 弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均 匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为 弥散强化。 加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加， 提高合金的强度和硬度。 区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使 位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加 工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比， 通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑 韧性最差，弥散强化介于两者之间。
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。
金属材料塑性应变的微观机制
金属材料塑性变形的微观机制金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、钢铁）及有色金属及其合金等。
随着人类社会的进步，人们对于金属材料的要求也越来越高，为此人们对于金属材料进行了从宏观到微观的分析，本文讲的就是金属材料塑性变形的微观机制。
在宏观的力学分析中，金属材料一般可以作为均匀各向同性的介质来看待。
细观的研究则表明绝大部分的金属材料都具有多晶结构，即是由大量细小晶粒无规则地结集而成的多晶体，而其中每颗晶粒是金属原子的有序排列，故应力场作用下金属材料宏观变形的某些性质可以从晶粒变形的平均表现上得到解释。
金属学的研究指出，晶体（晶粒）中主要存在着两种不同的变形机制，一种是弹性机制，它表现为应力场作用下金属原子间距离的改变，这种改变不是永久性的，当应力场消失时，原子间距离将又重新回到到正常状态，此种机制中一般伴随有晶粒体积的改变，金属材料的宏观弹性变形可以从此种机制中得到说明。
晶粒的另一种可能的变形机制是滑移机制，它表现为晶粒中相邻部分间的滑移或错动。
滑移总是发生在晶粒中某些特定的取向的平面上，且沿着面中特定的方向。
当滑移面上沿滑移方向的剪切应力达到一定大小时滑移机制即相应开动，由它造成的晶粒变形是永久性的，应力场消失后滑移变形仍将存留，此种变形机制一般不会造成晶体体积的改变，金属材料的宏观塑性变形正是晶粒中此种滑移运动的平均表现。
[1]金属材料加工制造的工艺性能以及它承受机械载荷的服役性能，例如机械强度，加工强化特性及塑性等力学性能，实际上都和金属材料的塑性变形密切相关。
[2]为了改善金属材料的力学性能，就要研究它的根源，即研究金属材料塑性变形的微观机制。
Cheng等人[3]在一些研究的基础上做了一些总结，把材料的变形机制分为四个部分来看，由于材料和制备方法的不同，各个阶段的分界线不是很明显：（1）晶粒尺寸比较大的阶段，这在普通材料中是最常见的，主要变形机制为错位滑移，位错可以在晶界形核，也可以在晶内形核。
第三章-金属塑性加工的宏观规律
➢ 把外界条件和金属流动直接联系起来, 很直 观, 使用方便。
最小阻力定律
➢ 模锻中增加飞边阻力, 或 修磨圆角r, 可减少金属 流向A腔的阻力, 使金属 重填得更好。
➢ 在拔长锻造时改变送进 比或采用凹型砧座增加 金属横向流动的阻力, 来 提高延伸效率。
(a)用 3垫板;(b)用 9垫板; (c)用 10垫板;(d)用 12垫板
圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗 过程中的变化
3.2.2 变形区的几何因素的影响
➢变形区的几何因子 ➢ H/D.H/L、H/B等 ➢滑移锥理论
3.2.3 工具的形状和坯料形状的影响
（1）控制金属的流动方向 （2）可以在坯料内产生不同的应力状态 使部分金属先满足屈服准则而进入塑性状 态, 以达到控制塑性变形区的作用, 或造 成不同的静水压力, 来改变材料在该状态 下的塑性。
网格法
• 原理: 观察变形前 后，各网格所限定 的区域金属几何形 状的变化。
• 目前网格法可作定 量分析，应用最广。
硬度法
• 原理: 在冷变形情况下，变形 金属的硬度随变形程度的增加 而提高。
• 中心部分的硬度最高，接触表 层的硬度则较小，越靠近表面 的中心越小。在中心部分的同 一层上，靠试样中部硬度比最 外部（边部）大。这正好说明 镦粗时三个区的存在。
第二篇 金属塑性加工 的流动与变形规律
第3章 金属塑性加工的宏观规律
§3.1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3.2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3.3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3.4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3.5 塑性加工过程的断裂与可加工性
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。
当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。
金属的塑性变形与再结晶返回
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋 于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能， 恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
《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)
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；
(2)金属塑性变形宏观规律与微观机制课件
图3-4 拔长坯料的变形模式
图3-5 不同宽度坯料轧制时 宽展情况
图3-6 轨辊直径不同时 轧件变形区 纵横方向阻力图 （D′＞D，B′2＞B2）
§3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素
3. 2. 1 摩擦的影响 3. 2. 2 变形区的几何因素的影响 3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响 3. 2. 4 外端的影响 3. 2. 5 变形温度的影响 3. 2. 6 金属性质不均的影响
2．工艺条件对残余应力的影响
变形条件： 主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等等。 热处理条件：
淬火温度、淬火介质条件、淬火方式、工件形状尺寸等。
3．残余应力所引起的后果
（1）引起物体尺寸和形状的变化。 （2）使零件的使用寿命缩短。 （3）降低了金属的塑性加工性能。 （4）降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。
3. 2. 2 变形区的几何因素的影响
变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。
图3-10 钢球压缩时的流线
图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型
图3-12 h2 为各种数值时的情况
3. 2. 4 外端的影响
外端（未变形的金属）ห้องสมุดไป่ตู้变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。
图3-15 拔长时外端的影响
（a）
（b）
图3-16 开式冲孔时的“拉缩” 图3-17 弯曲变形对外端的影响
3. 2. 1 摩擦的影响
摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。
《金属塑性变形的宏观规律》课件
正方形坐标网格的内切圆→椭圆（主轴方向为主应力方向）。最大变形发生在变形物体外层
自由变形理论应用（1）自由变形彼此间的比值（2）金属塑性流动的运动学图形（3）由于不均匀变形,位于自由平面内的断面所得到的形状
一、最小阻力定律
当物体各质点有在不同方向移动的可能时,变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动。即：金属质点将沿其周边的最短法线方向流动。因此最短法线方向就是最小阻力的方向.
工作应力
——试验或生产过程中，实际测量得出的应力(包括应力分布图）.
——工作应力ห้องสมุดไป่ตู้基本应力与附加应力的代数和。
——可能比基本应力分布更均匀，也可能更不均匀，取决于基本应力的正负及附加应力和基本应力的数值。
挤压时金属流动及纵向应力分布图
——基本应力；- - -附加应力；
— • —工作应力；di—变形区某截面直径
变形部分与未变形部分交互更替，变形具有周期性。
阴影部分：未变形区
(2)硬度法
变形程度越大，加工硬化越强，金属硬度越大。 一种极粗略的定性法，仅适用于对加工硬化敏感的金属。
(3)比较晶粒法根据变形物体内各处晶粒大小判断各处变形程度，确定变形分布。 只能定性显示变形分布。 热变形：仅适用于影响晶粒大小的因素只有变形程度而无其它的情况。 冷变形：利用退火温度一定，晶粒大小与冷变形的变形程度关系的再结晶图，来确定各尺寸晶粒的变形程度，获得变形不均匀规律。 变形程度较大时：不适用。
基本应力与附加应力
金属的塑性变形原理解析
金属的塑性变形原理解析
不同类型的工程应力－应变曲线
没有明显的 屈服平台
（铝、铜及其合 金，经过热处理 的钢材）
在断裂前虽然也 产生一定量的塑性变 形，但不形成颈缩 （铝青铜和某些奥氏 体钢）
金属的塑性变形原理解析
在拉伸时几乎 没有明显的塑性变 形就发生断裂
（淬火状态下的中 、高碳钢，灰口铸 铁等）
分切应力和垂直于滑移面的分正应力。
B层上的作用点O1和O2同轴，滑移后A、B、 C层沿滑移面和滑移方向相对移动，使 O1→ O1′， O2→ O2′。
将σ1分解为σn1、τ1，σ2分解为σn2、τ2。
滑移面法线方向的正应力σn1- σn2组成力 偶，使滑移面转向与外力方向平行。
金属的塑性变形原理解析
e 蜷线状的位错 环分成两个部分， 结点之间的曲线段 和四周的位错环。 (e)
d
f
在线张力的作用下， 结点之间的曲线段伸直， 还原为原来的位错线段； 位错环在线张力的作用继 续向外扩展，形成一个圆 形的环。
如此往复进行，可从 这种有固定端点的位错线 段生出大量的位错环。(f)
金属的塑性变形原理解析
位错的交割
σ = E ε 或 τ= Gν
式中，σ为正应力，τ为切应力，ε、ν分别为正应变和切应变，比例常数
E 称为正弹性模量或杨氏模量，G为切弹性模量。
上式可改写为：
E =σ/ε 或 G=τ/ν
弹性模量E、G是表征金属材料对弹性变形的抗力。工程上常称为零
件或构件的刚度。在其它条件相同时，金属的弹性模量越高，则制成的
这种在两个或更多的滑 移系上进行的滑移称为多系 滑移，简称多滑移。
金属的塑性变形原理解析
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。
单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。
多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。
多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。
人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。
1864～1868年，法国人特雷斯卡（H.Tresca）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。
1911年德国卡门（T.von Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔(R.B?ker)对铸锌作了同样的试验。
他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。
1913年德国冯·米泽斯(R.von Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德(W.Lode)、1931年英国人泰勒(G.I.Taylor)和奎尼(H.Quinney) 分别用不同的试验方法证实了上述结论。
金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。
早期的研究成果包括在英国伊拉姆(C.F.Elam)(1935年)、德国施密特(E.Schmidt)(1935年)、美国巴雷特(C.S.Barrett)(1943年)等人的著作中。
主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。
以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。
塑性变形微观结构变化图 1塑性变形中产生的滑移塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。
分为单滑移，双滑移，多滑移等。
另外，还有孪生等现象的产生。
材料成型金属学-塑性变形机制
一般是原子密度最大的晶面。因为这些晶面面间距最 大、面与面之间的结合力最弱，切变阻力最小。
滑移方向(Slip Direction):
滑移面上原子排列最密的晶向。因为密排方向上原子间距 最小、位错的柏氏矢量最小，滑移阻力最小。
滑移系(Slip System):
不同晶体结构中，其滑移面数与滑移方向数的乘积。
固溶原子(原子)，％
原子尺寸比Cu大的Sn等 对流变应力的影响非常 显著。
固溶原子对铜单晶临界分切应力的影响
间隙固溶 固溶体中的晶格畸变置示换意固图溶
a)间隙固溶体 b)置换固溶体
3)变形温度
温度↑， τc ↓，因为原子动能增大，原子间结合力减弱； 但高温（熔点）时，温度↑， τc不变；
三种常用金属的临界分 切应力随温度的变化
2.1.5 滑移的基本类型
• 单滑移(Single Slip)： 外加切应力>τc,开动一组滑移系；发生在滑移系较少或塑性变形
开始阶段。 过程：当n个位错移出晶体，滑移量∆=nb； 特征：表面平行的滑移线所形成的滑移带;
• 多滑移(Multiple Slip)： 多个滑移系同时开动；加工硬化。 特征：两组或多组交叉的滑移线；
临界切应力（Critical Shear Stress)
➢只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定 临界值时，该滑移系方可首先发生滑移，该分切应 力称为滑移的临界分切应力；
➢ 沿滑移面滑移方向上的分切应力； ➢ 能够引起滑移系开动的分切应力.
滑移方向
SS
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 τc = σs cosφ cosλ 或σs = τc /(cosφ cosλ )
22金属塑性变形的机理课件
的方法加以消除，只有
经过塑性变形，才能改
变其分布和方向
金属塑性变形后纤维组织
（a）变形前；（b）变形后
2.3.2 金属塑性变形的受力状态
1．点的应力状态
单元体上的应力状态沿着六面
体的三个空间坐标系可分解为九个
应力分量，包括六个剪应力与三个
正应力，如图所示。
互相垂直平面上的剪应
力相等，τyz ＝τzy ，τzx ＝τxz ，
向不同的晶粒的影响；
（2）任何一个晶体的塑性变形都不是出于
独立的自由变形状态，需要周围的晶粒同时
发生相适应的变形来配合，以保持晶粒之间
的结合与整个物体的连续性。
随着晶内滑移，滑移的阻力增大。
晶体排列位向不适于产生滑移的晶粒将
发生滑动和转动，使自己的排列位向适
用于产生滑移，而逐渐开始滑移。逐批
进行的晶内滑移与晶粒的转动构成了多
余变形，为塑性变形阶段。
2．真实应力和真实应变概念
真实应力
应力指的是单位面积上的内力，单向拉伸试验过程中，试件横截面上
的拉应力有两种计算方法。
➢ 第一种就是不考虑横截面积的变化，公式如下：
0 =
0
➢ 第二种就是考虑横截面积的变化，在拉伸的过程中，试件的横截面会明显
的缩小，如果仍然按照F0计算的话就会出现明显误差，就必须要按照每瞬间
（a）应力-应变曲线；（b）载荷-伸长曲线
退
火
低
碳
钢
拉
伸
曲
线
示
意
图
在上图中，在e 点一下，卸载后试样立即完全恢复原形状。特别是在
p 点以下，应力与应变之间和载荷与伸长量之间都是成正比，为线弹性变
金属及合金的塑性变形
一．滑移现象与滑移特点
1 滑移定义：在外力作用下，晶体相邻二 局部沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对 的平行滑动
高锰钢中的滑移带，500X 滑移带
滑移线
滑移带
τ
滑移线
单晶体
(~100个原 子间距)
滑移示意图
~10000个原子间距
② 滑移线与滑移带
均为塑变后晶体外表产生的滑移台阶，但大小不 同
P
P
滑移面
力偶
滑移前
产生 转动 滑移后
单晶体拉伸变形示意
滑移时晶体的转动和旋转
位向和晶面的变化
拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。
Single Crystal Slip
意义：
实际金属由多晶体构成，通过晶体的转动 和旋转，原来取向有利的晶粒〔单晶体〕 经过一定量塑性变形后取向不利，停止塑 性变形；
脆性相
塑性相
连续网状
① 第二相塑性优于基体，那么：↑δ而↓σ； ② 硬脆相：
分布合理，那么 → 阻碍位错 → ↑σ 不合理 ，那么→ 不能塑变
→ 应力集中 → 开裂 →↓δ、ak甚至σ ——第二相强化，弥散强化
分类
一 单相固溶体的塑性变形 1 固溶体的结构 2 固溶强化 〔1〕固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度 提高而塑性、韧性下降的现象。
⑷ 多晶体变形抗(阻)力> 单晶体 原因： ① 晶界阻碍位错运动； ② 位向差→晶粒之间须协调
意义： 晶界强化——金属材料强化机制之一 霍耳—配奇公式： σs ＝ σ0＋Kd-1/2
二 合金塑性变形特点
⑴ 溶质原子阻碍变形： ——固溶强化 ⑵ 第二相：
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l
图3-21 在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的 附加应力 la—若边缘部分自成一体时轧制后的可能 长度 lb—若中间部分自成一体时轧制后的可能 长度 l —整个轧制后的实际长度
图3-22 相邻晶粒的变形
图3-23 挤压时金属流动（a）及纵向应力分布（b）、（c）， 其中（c）为摩擦很大时应力分布；（一—）基本应力；（— —）附加应力；（-—-—-）工作应力
图3-13 型钻中拔长 a) 圆型砧 b) V型砧 c) 凸型砧
图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图
3. 2. 4 外端的影响
外端（未变形的金属）对变形 区金属的影响主要是阻碍变形区 金属流动，进而产生或加剧附加 的应力和应变。
（a）
图3-15 拔长时外端的影响
（b）
图3-16 开式冲孔时的“拉缩”
变形区的几何因子（如H/D、H/L、 H/B等）是影响变形和应力分布很重要 的因素。
图3-10 钢球压缩时的流线
图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型
图3-12 h2 为各种数值时的情况
3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响
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，是造成金属沿各个方向流动的 阻力有差异，因而金属向各个方向的流 动（即变形量）也有相应差别。
第二类附加应力:在晶粒之间的不均匀变形所引起的 附加应力。如相邻晶粒由于位向不同引起变形大小的 不同，便会产生互相平衡的第二类附加应力。
第三类附加应力:在晶粒内部滑移面附近或滑移带中 由各部分变形不均匀而引起的附加应力。
附加应力的特点：附加应力是变形体为保持自身的
完整和连续，约束不均匀变形而产生的内力。就是说，附 加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀 变形的自由发展。此外，附加应力是互相平衡，成对出现 的，当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力。金 属塑性变形的附加应力定律。
图3-17 弯曲变形对外端的影响
3. 2. 5 变形温度的影响
变形物体的温度不均匀，会造成金 属各部分变形和流动的差异。变形首 先发生在那些变形抗力最小的部分。 一般，在同一变形物体中高温部分的 变形抗力低，低温部分的变形抗力 高。
图3-18 铝—钢双金属轧制时由不 均匀变形产生的弯曲现象 1——铝；2——钢
（D′＞D，B′2＞B2）
§3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素
3. 2. 1 摩擦的影响 3. 2. 2 变形区的几何因素的影响 3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响 3. 2. 4 外端的影响 3. 2. 5 变形温度的影响 3. 2. 6 金属性质不均的影响
3. 2. 1 摩擦的影响
最小阻力定律
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
（a）
（b） B-B剖面
（c）
图3-3 正方形断面变形模式
图3-4 拔长坯料的变形模式
图3-5 不同宽度坯料轧制时 宽展情况
图3-6 轨辊直径不同时 轧件变形区 纵横方向阻力图
不均匀变形引起附加应力，对金属的塑性 变形造成许多不良后果：
（1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。 （2）造成物体的破坏。 （3）使材料变形抗力提高和塑性降低。 （4）使产品质量降低。 （5）使生产操作复杂化。 （6）形成残余应力。
克服或减轻变形及应力不均的措施：
（1）正确选定变形的温度-速度制度。 （2）尽量减小接触面上外摩擦的有害影响。 （3）合理设计加工工具形状。 （4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀。
σ ×9.8 N/mm2
φ18φ20
假 想 应 力 ，
图3-24 拉伸实验曲线 1）带缺口试样δ =2% 2）未带缺口试样δ =35%
应 力
σsb σsn
变形程度ε
图3-25 拉伸时真应力与变形程 度的关系 1)无缺口试样拉伸时的真应力的 曲线 2）有缺口样拉伸的真应力曲线
附加应力分为三种：
第一类附加应力:在整个变形区内的几个区域之间的 不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。
金属塑性加工中，研究变形物体内变形分 布（即金属流动）的方法很多。 常用的方法 有：网格法；硬度法 ；比较晶粒法。
图3-19 各种不同变形程度下镦粗圆柱 体的不均匀变形
图3-20 冷镦粗铝合金后垂直断面 上洛氏硬度变化
3. 3. 3 基本应力与附加应力
金属变形时体内变形分布不均匀，不但 使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且 还使变形体内应力分布不均匀。此时，除 基本应力外还产生附加应力。附加应力是 物体不均匀变形受到其整体性限制，而引 起物体内相互平衡的应力。
3. 2. 6 金属性质不均的影响
变形金属中的化学成分、组织 结构、夹杂物、相的形态等分布 不均会造成金属各部分的变形和 流动的差异。
§3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力
3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形 3. 3. 2 研究变形分布的方法 3. 3. 3 基本应力与附加应力 3. 3. 4 残余应力
第三篇 金属塑性加工的宏观规律
§3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性
§3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）
概念：最小阻力定律 最小周边法则 实际应用分析
摩擦影响的实质：由于摩擦力的 作用，在一定程度上改变了金属 的流动特性并使应力分布受到影 响。
图3-7 圆柱体镦粗时摩擦力 对变形及应力分布影响
图3-8 用塑料镦粗时 单位压力分布图
图3-9 圆环镦粗的金属流动 a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦
3. 2. 2 变形区的几何因素的影响
3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形
若变形区内金属各质点的应变状态相同 ，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况 ，发展方向及应变量的大小都相同，这个体 积的变形可视为均匀的。
不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀 流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动 的因素，都会对不均匀变形产生影响。
3.