5金属的塑性变形
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5金属的塑性与变形抗力-新解析
2 、 变形状态的影响
主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑 性越有利。 两向压缩一向延伸的变形图最素对塑性的影响
1、不连续变形的影响 当热变形时，不连续变形可提高金属的塑性。 2、尺寸（体积）因素的影响
随着物体体积的增大塑性有所降低，但降低一定 程度后，体积再增加其影响减小。
（ 4 ）在双相和多相的钢与合金中，第二相组织成粗 大的夹杂物，常常分布在晶粒边界上。
二、 变形温度、速度对塑性的影响
1、变形温度的影响 一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直 线上升的。
现以温度对碳钢塑性的影响的一般规律分析说明：
温度对碳素钢塑性的影响
用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区，
1、2、3表示塑性增高区 。
（5）镍
镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但对 25NiA 、 30NiA和13Ni2A等钢来讲，其变形抗力与碳钢相差不 大。当含镍量较高时，例如Ni25～Ni28钢，其变形抗 力与碳钢相比有很大的差别。
2、
金属的变形抗力与其显微组织有密切关系
（1）一般情况时，晶粒越细小，变形抗力越大
（2）单相组织比多相组织的变形抗力要低；
5
金属的塑性与变形抗力
5.1 金属塑性的概念及测定方法
一、 金属塑性的基本概念
所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地 产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变 形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限 度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。
注意： 不能把塑性和柔软性混淆起来。
（2）锰
由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高 锰钢。其中中锰结构钢（15Mn～50Mn）的变形抗力 稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mnl2） 有更高的变形抗力。
第五章 金属的塑性
§5.3.1 影响塑性的内部因素
（2）合金元素 取决于加入元素的特性， 加入数量、元素之间的相互 作用。 当加入的合金元素与基体 作用使在加工温度范围内形 成单相固溶体时，则有较好 塑性；如形成过剩相(尤其是 脆性相)，或使在加工温度范 围内两相共存，则塑性降低。
2．组织结构
外加应力低于原子间结合力极限
正应力使晶格沿应力方向伸长，切应力使晶格沿某晶面和晶向相对移动， 外力去除后晶格恢复原状
外加应力大于原子间结合力极限
正应力使晶体发生断裂，切应力使晶体的原子沿某晶面和晶向迁移到新 的平衡位置，外力去除原子停留在新的平衡位置
为什么金属晶体能够产生相对移动而不发生破坏呢？
金属原子之间特殊的结合方式 — 金属键
第三篇 塑性变形材料学基础
第5章 金属的塑性
§5.1 金属的塑性 §5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制
§5.3 影响金属塑性的因素
§5.4 金属的超塑性
§5.1 金属的塑性
§5.1.1 塑性的基本概念 §5.1.2 塑性指标及其测量方法
§5.1.3 塑性状态图及其应用
§5.1.1 塑性的基本概念
(4)滑移的临界分切应力
F 横截面积 A
某一滑移系上的分切应力
F cos A / cos
滑 移 方 向
M
滑 移 面 法 向
F cos cos A
cos cos
滑移面
取向因子
F 分切应力计算分析图
cos cos
其中任何一个角度为90°时，分切应力为零，晶体不可能 滑移 当两个角度都为45°时，取向因子最大（为0.5），该滑 移系处于最有利取向 只有当分切应力τ≥临界分切应力τk时，滑移才能开始
金属的塑性变形
第三章 金属的塑性变形
Plastic Deformation of the Metals
第一节 单晶体、多晶体金属的塑性变形
一、塑性变形的基本形式：滑移变形、 孪晶变形 二、单晶体的滑移变形 （1）以锌单晶体（c.p.h）单向拉伸为例 （2）晶体的滑移一般发生在特定的晶面和晶向上 （3）晶体滑移的机理
晶粒变形的过程中，晶粒要 发生转动，原来位向不利的 晶粒，转动至有利位向后， 也发生塑性变形。
Poly-crystal
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
The effect of plastic deformation on the structures and properties of the metal
能提高
（金属中的气孔、微裂纹等缺陷被焊合）；
形成纤维组织—使金属的性能呈各向异 性，纵向性能大于横向性能；
热加工工艺的制定规则：应使零件受的 拉应力与流线方向平行，使零件所受的 切应力与流线方向垂直。
冷加工和热加工的组织对比
冷变形后的组织：
晶粒沿轧制方向被拉 长，杂质定向分布。
热变形后的组织：
一、回复 Restoration 二、再结晶 Recrystallization 变形金属的再结晶 再结晶温度 影响再结晶晶粒度的因素—加热温度，变形度 三、晶粒长大 Growing of Crystal Grain
纯铁的再结晶全图
第四节 金属的热塑性变形
Thermoplastic Deformation of the Metal
轧制时发生动态再 结晶，轧制后为等 轴晶，但杂质定向 分布。
1、形成纤维组织 Forming Fibre Structure
2、产生加工硬化 Producing Work Hardening 晶粒被拉长（或压扁），晶粒破碎成亚晶粒，内 部位错密度增加，晶格严重畸变，金属变形阻力
Plastic Deformation of the Metals
第一节 单晶体、多晶体金属的塑性变形
一、塑性变形的基本形式：滑移变形、 孪晶变形 二、单晶体的滑移变形 （1）以锌单晶体（c.p.h）单向拉伸为例 （2）晶体的滑移一般发生在特定的晶面和晶向上 （3）晶体滑移的机理
晶粒变形的过程中，晶粒要 发生转动，原来位向不利的 晶粒，转动至有利位向后， 也发生塑性变形。
Poly-crystal
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
The effect of plastic deformation on the structures and properties of the metal
能提高
（金属中的气孔、微裂纹等缺陷被焊合）；
形成纤维组织—使金属的性能呈各向异 性，纵向性能大于横向性能；
热加工工艺的制定规则：应使零件受的 拉应力与流线方向平行，使零件所受的 切应力与流线方向垂直。
冷加工和热加工的组织对比
冷变形后的组织：
晶粒沿轧制方向被拉 长，杂质定向分布。
热变形后的组织：
一、回复 Restoration 二、再结晶 Recrystallization 变形金属的再结晶 再结晶温度 影响再结晶晶粒度的因素—加热温度，变形度 三、晶粒长大 Growing of Crystal Grain
纯铁的再结晶全图
第四节 金属的热塑性变形
Thermoplastic Deformation of the Metal
轧制时发生动态再 结晶，轧制后为等 轴晶，但杂质定向 分布。
1、形成纤维组织 Forming Fibre Structure
2、产生加工硬化 Producing Work Hardening 晶粒被拉长（或压扁），晶粒破碎成亚晶粒，内 部位错密度增加，晶格严重畸变，金属变形阻力
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒， 如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢加工硬化是强化金属的重要手段之一。
对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
§5塑性变形
第二类内应力是由于相邻晶粒之间或晶粒内部变形不均匀造成的。
§5.3 塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化
金属经冷塑性变形后，组织处于稳定状态，有自发恢复到变形 前组织状态的倾向。但在常温下，原子的扩散能力小，这种不稳定 状态可维持相当长的时间。而加热则使原子扩散能力增加，金属将 依发生回复、再结晶和晶粒长大，如图。
塑性变形使晶粒碎化内部形成位向 略有差异的亚晶粒（亚结构），在其 边界上聚集着大量位错。
三）产生变织构
由于塑性变形过程中晶粒 的转动，当变形量达到一定程 度（70％～90％）以上时，会 使绝大部分晶粒的某一位向与 外力方向趋于一致，形成织构。
§5. 2.2 塑性变形对性能的影响
一）出现加工硬化现象 金属的塑性变形，使位错密度增加，亚结构细化等引起金属的 强度、硬度增加，塑性、韧性下降，即引起加工硬化。图5-7 二） 金属内部形成残余内应力
§5.1.1 单晶体的ห้องสมุดไป่ตู้性变形
单晶体的塑性变形的主要方式是滑移和孪生。其中滑移是最基本、 最普遍的塑性变形方式，孪生只是在滑移难以进行的情况下出现。 一.滑移变形的概念 1.滑移 是晶体在切应力作用下，一部分晶体相对于另一部分沿一定晶 面和晶向产生的相对移动。 滑移只能在切应力的作用下发生，产生滑移的最小切应力称为 临界切应力。 观察产生滑移后的金属表面痕迹，滑移带和滑移线。
§5.3.1 回复
回复是指在加热温度较低时，由于金 属中的点缺陷及位错的近距离迁移而引起 晶内产生某些变化。随着温度的升高，已 产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减 小，但金属组织还没有显著变化的现象。 T回=（0.25～0.3）T熔 （ K ）
回复使金属的内能降低。金属在回复阶段强度、硬度略有下降、 塑性略有上升，内应力和电阻显著降低，但组织变化不明显。
第5章 金属的塑性变形
第四章 金属的塑性变形
塑性变形及随后的加热，对金属材料组织和性能有 显著的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加 热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正 确确定加工工艺
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶 金属的热塑性变形
1
第一节 单晶体的塑性变形 一、单晶体纯金属的塑性变形
T再与ε的关系
如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
39
2）、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素， 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著 提高。
40
3）、再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；
延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。
3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个 晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70% 以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致， 形成了“择优取向”，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明 显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构， 它使金属材料表现出明显的各向异性。 24
在应力低于弹性极限σ e时， 材料发生的变形为弹性变形； 应力在σ e到σ b之间将发生的变 形为均匀塑性变形；在σ b之后 将发生颈缩；在K点发生断裂。
s e
弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位 置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。 原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可 2 以使变形的塑性：fcc＞bcc＞chp
8
哪个滑移系先滑移？
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的 临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
塑性变形及随后的加热，对金属材料组织和性能有 显著的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加 热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正 确确定加工工艺
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶 金属的热塑性变形
1
第一节 单晶体的塑性变形 一、单晶体纯金属的塑性变形
T再与ε的关系
如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
39
2）、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素， 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著 提高。
40
3）、再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；
延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。
3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个 晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70% 以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致， 形成了“择优取向”，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明 显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构， 它使金属材料表现出明显的各向异性。 24
在应力低于弹性极限σ e时， 材料发生的变形为弹性变形； 应力在σ e到σ b之间将发生的变 形为均匀塑性变形；在σ b之后 将发生颈缩；在K点发生断裂。
s e
弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位 置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。 原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可 2 以使变形的塑性：fcc＞bcc＞chp
8
哪个滑移系先滑移？
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的 临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
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：
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。
实验五--金属的塑性变形与再结晶--实验报告
一，实验目的1、观察显微镜下滑移绒、变形孪晶与退火孪晶的特征；2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。
所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微姐织是由许多滑移带(平行的黑线)所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：各晶粒内滑移带的方向不同(因晶粒方位各不相同)，各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多(即变形量大)，有的晶粒内滑移带少(即变形量小)；在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象(在面心立方晶格情况下很易发现)，即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的—部分以一定的晶面(孪晶面或双晶面)为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。
所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。
在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。
对体心立方结构的a一F，在常温时变形以滑移方式进行，而e在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形，而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。
第五章金属的塑性和变形抗力
第五章 金属的塑性和变形抗力从金属成形工艺的角度出发，我们总希望变形的金属或合金具有高的塑性和低的变形抗力。
随着生产的发展，出现了许多低塑性、高强度的新材料，需要采取相应的新工艺进行加工。
因此研究金属的塑性和变形抗力，是一个十分重要的问题。
本章的目的在于阐明金属塑性和变形抗力的概念，讨论各种因素对它们的影响。
§5.1 塑性、塑性指标、塑性图和变形抗力的概念所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。
人们常常容易把金属的塑性和硬度看作成反比的关系，即认为凡是硬度高的金属其塑性就差。
当然，有些金属是这样的，但并非都是如此，例如下列金属的情况： Fe HB ＝80 ψ＝80％Ni HB ＝60 ψ＝60％Mg HB ＝8 ψ＝3％Sb HB ＝30 ψ＝0％可见Fe 、Ni 不但硬度高，塑性也很好；而Mg 、Sb 虽然硬度低，但塑性也很差。
塑性是和硬度无关的一种性能。
同样，人们也常把塑性和材料的变形抗力对立起来，认为变形抗力高塑性就低，变形抗力低塑性就高，这也是和事实不符合的。
例如奥氏体不锈钢在室温下可以经受很大的变形而不破坏，既这种钢具有很高的塑性，但是使它变形却需要很大的压力，即同时它有很高的变形抗力。
可见，塑性和变形抗力是两个独立的指标。
为了衡量金属塑性的高低，需要一种数量上的指标来表示，称塑性指标。
塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。
常用的塑性指标是拉伸试验时的延伸率δ和断面缩小率ψ，δ和ψ由下式确定： %100l l l 00k ×−=δ （5.1） %100F F F 0K 0×−=ψ (5.2) 式中l 0、F 0——试样的原始标距长度和原始横截面积；l K 、F K ——试样断裂后标距长度和试样断裂处最小横截面积。
实际上，这两个指标只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力。
金属的塑性指标除了用拉伸试验之外，还可以用镦粗试验、扭转试验等来测定。
第三章 金属的塑性变形
发生再结晶的最低温度称再结晶温度。
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
金属熔点越高, T再也越高.
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
影响再结晶退火后晶粒度的因素
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析 晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式有滑移和孪晶。 根据晶体结构 理论，任何一块单 晶体都包含有若干 不同方向的晶面。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织 700º C保温10分后的组织
第四节
金属的热加工
• 一、冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温
度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷 加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
• 如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。 • 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
铁素体变形80%
碎拉长的晶粒变为完整
的等轴晶粒。
650℃加热
• 这种冷变形组织在加热
时重新彻底改组的过程
称再结晶。
670℃加热
• 再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
金属熔点越高, T再也越高.
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
影响再结晶退火后晶粒度的因素
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析 晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式有滑移和孪晶。 根据晶体结构 理论，任何一块单 晶体都包含有若干 不同方向的晶面。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织 700º C保温10分后的组织
第四节
金属的热加工
• 一、冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温
度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷 加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
• 如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。 • 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
铁素体变形80%
碎拉长的晶粒变为完整
的等轴晶粒。
650℃加热
• 这种冷变形组织在加热
时重新彻底改组的过程
称再结晶。
670℃加热
• 再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。
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
(5)金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律
热变形过程中的回复与再结晶
（1）热变形时的动态回复与动态再结晶
动态回复
(a)
动态再结晶
100μ m
热变形过程中的回复与再结晶
（a）
（b） 动态回复 （c）
动态回复
静态回复
静态回复
（d） 静态再结晶 静态再结晶 动态回复
动态回复
静态再结晶
静态再结晶 静态再结晶 静态再结晶
动态再结晶 动态再结晶
热变形过程中的回复与再结晶
三、晶粒长大
当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生 晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大，见图 4-15。 晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因 此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长 大是自发的、不可避免的。 晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下， 这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。 但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等） 阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒 突然长大，而且长大很大。对这种晶粒不均匀的现象 称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现 二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二 次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。
二、再结晶
1．变形金属的结晶 当变形金属被加工到一定高度，原 子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界 处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随 着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶 粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是 一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了 一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再 结晶。再结晶没发生晶格类型的变化，只是晶粒形态 和大小的变化。也可以说只有显微组织变化而没有晶 格结构变化，故称为再结晶，以有别于各种相变的结 晶（重结晶）。 变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新 的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现 象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理 化学等性能也恢复到变形前的水平。
金属材料的塑性变形
⑵滑移只能在切应力的作用下发生。 ⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离 为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。
整理课件
3
2.孪生
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶 向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。
孪生与滑移的区别是： 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。
⑶形变织构的产生 当变形量很大（70%以上）时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取
向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
整理课件
9
3.2.3 塑性变形产生的残余应力
残余应力: 金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的
宏观内应力； 晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成
⑴纤维组织形成 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，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被 拉长，形成所谓纤维组织。
变形前后晶粒形状变化示意图
整理课件
8
⑵亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在 局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
整理课件
4
3.1.2 多晶体的塑性变形
1.晶粒取向对塑性变形的影响
在多晶体中，各个晶粒内原 子排列的位向不一致，这样 不同晶粒的滑移系的取向就 会不同。
作用在不同晶粒滑移系 上的分切应力会有差别，分 切应力最大的那些晶粒最先 开始滑移。多晶体金属的塑 性变形将会在不同晶粒中逐 批发生.
整理课件
3
2.孪生
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶 向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。
孪生与滑移的区别是： 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。
⑶形变织构的产生 当变形量很大（70%以上）时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取
向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
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3.2.3 塑性变形产生的残余应力
残余应力: 金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的
宏观内应力； 晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成
⑴纤维组织形成 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，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被 拉长，形成所谓纤维组织。
变形前后晶粒形状变化示意图
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⑵亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在 局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
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3.1.2 多晶体的塑性变形
1.晶粒取向对塑性变形的影响
在多晶体中，各个晶粒内原 子排列的位向不一致，这样 不同晶粒的滑移系的取向就 会不同。
作用在不同晶粒滑移系 上的分切应力会有差别，分 切应力最大的那些晶粒最先 开始滑移。多晶体金属的塑 性变形将会在不同晶粒中逐 批发生.
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第一章 金属的塑性变形
第一节 金属塑性变形的实质
金属塑性变形的实质，是应 力超过屈服极限，使晶粒 本身及晶粒之间发生滑移 和转动的结果。
孪生是晶体在外力作用 下，晶格的一部分相对 另一部分沿孪晶面发生 相对转动的结果，转动 后以孪生晶面a—a为界 面，形成镜像对称。孪 生一般发生在晶格中滑 移面少的某些金属中， 或突然加载的情况下。 孪生的变形量很小。
一、金属的本质
1、化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金为好。 钢中含有形成碳化物的元素则会降低可锻 性。
2、金属组织的影响
A：160-200HB、δ=40-60%，可锻性好 F： 80HB、δ=50%，可锻性好 Fe3C： 800HB、 δ=0%，可锻性差 粗晶粒和铸态柱状组织，可锻性差 细小而均匀的晶粒组织，可锻性好
二、加工条件
1、变形温度的影响 温度越高，可锻性越好。例如： 45钢 室温时 δ=20% σｂ=600MPa 800℃时 δ=60% σｂ=50MPa 1200℃时δ=80% σｂ=20MPa 温度过高，会产生过热、过烧、脱碳和氧 化的缺陷。
所以，锻造温度的确定是 以合金状态图为依据。
2、回复
消除晶格歪扭，消除部分加工硬化的现象 称为回复。使金属得到回复的温度： T回＝（0.25～0.3)T熔
3、再为再结晶。 使 金属得到再结晶的温度为 T再＝0.4T熔
结论
加工硬化可提高金属的强度。加工硬化会 使金属继续变形带来困难。加工硬化可用 再结晶退火予以消除。 金属的塑性变形分为冷变形和热变形。
始锻温度：低于AE线 200℃ 亚共析钢1200～1250℃ 共析钢1150～1200℃ 过共析钢1050～1150℃ 终锻温度：约为800℃
2、变形速度的影响（1/秒）
一般情况时，变形程度增加，可锻性降低； 高速锤上锻造时，变形程度增加，可锻性增加。
3、应力状态的影响
三个方向压应力数目越 多，可锻性好； 三个方向拉应力数目越 多，可锻性差；
晶粒之间的滑移和转动称为晶间变形 低温时晶间变形是不能过大的 塑性变形过程中一定有弹性变形存在， 外力 去除后，弹性变形将恢复，称“弹复”现象
第二节塑性变形后金属的组织性能
1、加工硬化 金属变形后强度、 硬度增加，塑性、 韧性下降的现象 称为加工硬化。
1）晶粒沿变形方向被拉长 2）晶粒破碎 3）晶粒择优取向，形成变形织构 4）残余内应力
冷变形：在再结晶温度以下的变形
冷变形的特点是： 1、变形越大，塑性越 差，故冷变形不宜过 大； 2、冷变形能使金属的 精度和表面质量提高。
热变形：在再结晶温度以上的变形
热变形的特点是： 1、塑性好，变形抗力低， 变形程度可增大； 2、可提高材料的强度、 塑性和韧性；
3、会形成使金属性能具有方向性的纤维组织 如何使用纤维组织？ （1）最大正应力方向应和纤维 组 织方向重合； （2）最大切应力方向应和纤维 组 织方向垂直； （3）尽量不要把纤维切断。
用锻造比（Y锻）表示变形程度 拔长时 Y锻=F。/F 镦粗时 Y锻=H。/H 式中H。、F。分别为坯料变形前的 高度和 横截面积。 式中H、F分别为坯料变形后的 高度和横截面积。
第三节
金属的可锻性
金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工 时获得优质制品难易程度的工艺性能。 金属的塑性越好，变形抗力越小， 则可锻 性越好。 可锻性取决于金属的本质和加工条件。
第一节 金属塑性变形的实质
金属塑性变形的实质，是应 力超过屈服极限，使晶粒 本身及晶粒之间发生滑移 和转动的结果。
孪生是晶体在外力作用 下，晶格的一部分相对 另一部分沿孪晶面发生 相对转动的结果，转动 后以孪生晶面a—a为界 面，形成镜像对称。孪 生一般发生在晶格中滑 移面少的某些金属中， 或突然加载的情况下。 孪生的变形量很小。
一、金属的本质
1、化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金为好。 钢中含有形成碳化物的元素则会降低可锻 性。
2、金属组织的影响
A：160-200HB、δ=40-60%，可锻性好 F： 80HB、δ=50%，可锻性好 Fe3C： 800HB、 δ=0%，可锻性差 粗晶粒和铸态柱状组织，可锻性差 细小而均匀的晶粒组织，可锻性好
二、加工条件
1、变形温度的影响 温度越高，可锻性越好。例如： 45钢 室温时 δ=20% σｂ=600MPa 800℃时 δ=60% σｂ=50MPa 1200℃时δ=80% σｂ=20MPa 温度过高，会产生过热、过烧、脱碳和氧 化的缺陷。
所以，锻造温度的确定是 以合金状态图为依据。
2、回复
消除晶格歪扭，消除部分加工硬化的现象 称为回复。使金属得到回复的温度： T回＝（0.25～0.3)T熔
3、再为再结晶。 使 金属得到再结晶的温度为 T再＝0.4T熔
结论
加工硬化可提高金属的强度。加工硬化会 使金属继续变形带来困难。加工硬化可用 再结晶退火予以消除。 金属的塑性变形分为冷变形和热变形。
始锻温度：低于AE线 200℃ 亚共析钢1200～1250℃ 共析钢1150～1200℃ 过共析钢1050～1150℃ 终锻温度：约为800℃
2、变形速度的影响（1/秒）
一般情况时，变形程度增加，可锻性降低； 高速锤上锻造时，变形程度增加，可锻性增加。
3、应力状态的影响
三个方向压应力数目越 多，可锻性好； 三个方向拉应力数目越 多，可锻性差；
晶粒之间的滑移和转动称为晶间变形 低温时晶间变形是不能过大的 塑性变形过程中一定有弹性变形存在， 外力 去除后，弹性变形将恢复，称“弹复”现象
第二节塑性变形后金属的组织性能
1、加工硬化 金属变形后强度、 硬度增加，塑性、 韧性下降的现象 称为加工硬化。
1）晶粒沿变形方向被拉长 2）晶粒破碎 3）晶粒择优取向，形成变形织构 4）残余内应力
冷变形：在再结晶温度以下的变形
冷变形的特点是： 1、变形越大，塑性越 差，故冷变形不宜过 大； 2、冷变形能使金属的 精度和表面质量提高。
热变形：在再结晶温度以上的变形
热变形的特点是： 1、塑性好，变形抗力低， 变形程度可增大； 2、可提高材料的强度、 塑性和韧性；
3、会形成使金属性能具有方向性的纤维组织 如何使用纤维组织？ （1）最大正应力方向应和纤维 组 织方向重合； （2）最大切应力方向应和纤维 组 织方向垂直； （3）尽量不要把纤维切断。
用锻造比（Y锻）表示变形程度 拔长时 Y锻=F。/F 镦粗时 Y锻=H。/H 式中H。、F。分别为坯料变形前的 高度和 横截面积。 式中H、F分别为坯料变形后的 高度和横截面积。
第三节
金属的可锻性
金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工 时获得优质制品难易程度的工艺性能。 金属的塑性越好，变形抗力越小， 则可锻 性越好。 可锻性取决于金属的本质和加工条件。