第2章金属塑性变形物理基础
华科 材料成型原理 第1章绪论及第2章金属塑性变形的物理本质
11~16
150
294~315
LY11
11~16
150
340~350
LY11
31
65
308
3．变形程度 4．应力状态
σ1-σ2
大
σ1-σ2
大
气
气
压
压
图5-20 脆性材料的各向压缩曲线 （a）大理石；（b）红砂石； —轴向压力； —侧向压力
5．变形状态
图5-24 主变形图对金属中缺陷形状的影响
（a）未变形的情况；（b）经两向压缩—向延伸变形后的情况； （c）经—向压缩两向延伸后的情况
Nabarro
蠕变
弹性区
（N扩ab散ar流ro蠕变变）
变形机制图
（a）纯银和（b）锗给出不同变形机制起控制作用的应力-温度区间， 两种材料的晶粒尺寸皆为32μm
以10-8/s的应变速率来确定弹性边界
§2. 2 塑性加工中金属的 组织与性能
2. 2. 1 冷变形 2. 2. 2 热变形 2. 2. 3 塑性变形对固态相变的影响
➢ 塑性映材料抵抗变形的能力。
塑性与柔软性的对立统一
➢铅---------------塑性好，变形抗力小
➢不锈钢--------塑性好，但变形抗力高 ➢白口铸铁----塑性差，变形抗力高
➢ 结论：塑性与柔软性不是同一概念
为什么要研究金属的塑性？
塑性变形—影响大（加工硬化、晶粒 细化、位错密度增加、形成织构等） ➢ 变形机理：弹性变形—原子间距的变化；
塑性变形—位错运动为主 ➢ 弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变
形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑
性变形与工模具的弹性变形共存。
金属塑性变形物理基础位错理论
E螺=
Gb2
4
ln
R r0
E刃=
Gb2 ln R
4 (1 ) r0
则 E刃=
1
1
E螺，一般取0.3，
2
所以 E 螺= 3 混合位错
E混=
Gb 2
4 (1 )
E刃 （1-cos2)ln
R r0
• 汇集一点的位错线，它们的柏氏矢量和 为零；
• 一根位错线不能终止在晶体内部，只能 终止在晶体表面。
位错环 b
1.2.3 位错密度——描述位错多少的参数 (1) 定义：单位体积中位错的总长度。
V = L cm/cm3
(2) 位错的形成——液态结晶时形成。晶体 经过塑性变形回复和再结晶及其它热处 理，位错的密度变化。
体的一边贯通到另一边，而是有时终止 在晶体的中部。
1934年，提出了位错的概念，
1947年低碳钢的屈服效应，位错理论得到 了很大发展，
1950年以后，用电镜直接观察到位错。至 此，位错的存在才最终得到间接证明。 从此以后，位错理论得以迅速发展。它 是一门很重要的基本理论。
1.2 位错模型和柏氏矢量 1.2.1 位错的分类：
如1-2图所示,若位错线上的原子沿切 应力方向移动不到一个原子间距,周围其 它原子稍作调整,多余半原子面和位错线 就可以向前移动一个原子间距。可见位 错移动具有易动性。
• 图1-2示出了位错由晶体的一端扫到另一端
（2）螺位错的滑移运动 如图所示位错线上的原子只需在切应
力作用下向前移动一个原子间距的分数倍 的距离，位错线可以向左移动一个原子间 距。
设m= b
化简得
金属塑性成形原理知识点
物和非金属夹杂物在钢中的分布 张量：由若干个当坐标改变时，满足转换关系的分量所组成的集合。 晶粒度：金属材料晶粒大小的程度。 变形织构 ：在塑性变形时，当变形量很大，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整 其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织。 动态再结晶：在热塑性变形过程中发生的再结晶。 主应力：切应力为 0 的微分面上的正应力。 主方向：主应力方向，主平面法线方向。 主应力空间：由三个主方向组成的空间。 主切应力：切应力达到极值的平面上作用得切应力。 主切应力平面：切应力达到极值的平面。 主平面:应力空间中，可以找到三个互相垂直的面，其上均只有正应力，无切应力，此面就称 为主平面。 平面应力状态 ：变形体内与某方向轴垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴 无关的应力状态。 平面应变状态 ：物体内所有质点都只在同一个坐平面内发生变形，而该平面的法线方向没有 变形的变形状态。 理想刚塑性材料 ：研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的 材料。 理想弹塑性材料：塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料。
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江西理工大学 10 机械 4 班 《金属塑性成形原理》知识点
詹琦平
自由能状态自发恢复的趋势 静态再结晶：冷变形金属加热到更高温度后，在原来版型体中金属会重新形成无畸变的 等轴晶直 至完全取代金属的冷组织的过程。 动态回复：在热塑性过程中发生的回复。 动态再结晶：塑性过程中发生的再结晶。 亚动态再结晶：指变形过程中已变形但尚未长大的动态再结晶晶核以及长大到中途的再 结晶晶粒 被遗留下来，当变形停止后而温度又足够高时，这些晶核和晶粒会继续长大的过程。 热塑性变形的对金属组织性能的影响： 1）改善晶粒组织 2）锻合内部缺陷 3）形成显微组织 4）改善偏析 5）破碎并改善碳化
金属塑性成形原理``俞汉清 陈金德主编``
金属塑性成形原理复习指南第一章绪论1、基本概念塑性:在外力作用下材料发生永久性变形，并保持其完整性的能力。
塑性变形:作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的永久变形成为塑性变形。
塑性成型:材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定的力学性能的加工方法。
2、塑性成形的特点1）其组织、性能都能得到改善和提高。
2）材料利用率高。
3）用塑性成形方法得到的工件可以达到较高的精度。
4）塑性成形方法具有很高的生产率。
3、塑性成形的典型工艺一次成形（轧制、拉拔、挤压）体积成形塑性成型分离成形（落料、冲孔）板料成形变形成形（拉深、翻边、张形）第二章金属塑性成形的物理基础1、冷塑性成形晶内：滑移和孪晶（滑移为主）滑移性能（面心>体心>密排六方）晶间：转动和滑动滑移的方向：原子密度最大的方向。
塑性变形的特点：① 各晶粒变形的不同时性；② 各晶粒变形的相互协调性；③ 晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。
合金使塑性下降。
2、热塑性成形软化方式可分为以下几种：动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶等。
金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移和扩散蠕变等。
3、金属的塑性金属塑性表示方法：延伸率、断面收缩率、最大压缩率、扭转角（或扭转数）塑性指标实验：拉伸试验、镦粗试验、扭转试验、杯突试验。
非金属的影响：P冷脆性 S、O 热脆性 N 蓝脆性 H 氢脆应力状态的影响：三相应力状态塑性好。
超塑性工艺方法：细晶超塑性、相变超塑性第三章金属塑性成形的力学基础第一节应力分析1、塑性力学基本假设：连续性假设、匀质性假设、各向同性假设、初应力为零、体积力为零、体积不变假设。
2、张量的性质1、存在不变量，张量的分量一定可以组成某些函数f(Tij),这些函数的值不随坐标而变。
2、2阶对称张量存在三个主轴和三个主值；张量角标不同的分量都为零时的坐标轴方向为主轴，三个角标相同的分量为值。
第二章 金属塑性变形的物理基础2
２、对性能的影响
细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化 物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、 硬度、塑性和韧性。 纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性， 沿流线方向比垂直流线方向具有较高的力学性 能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。
（四）动态再结晶
动态再结晶是在热变形过程中发生的再 结晶，与静态再结晶一样，也是通过形 核和生长来完成的。它容易发生在层错 能较低且有较大热变形程度的金属上。
（五）亚动态再结晶 热变形中已经形成但未长大的再结晶晶 核以及长大途中遗留下的再结晶晶粒， 但变形停止后温度足够高时，会继续长 大，此过程称为亚动态再结晶。 它不需形核，所以进行得很快。
（二）静态再结晶（续）
再结晶过程：是通过形核和生长完成的。 形核机理： （１）变形程度较大时，高温回复阶段，位向差很 小的亚晶会合并成一个较大的亚晶。当进一步提 高加热温度时，此合并长大的亚晶就成为再结晶 的核心。 （２）变形程度较小时，在一定的高温下，晶界的 一个线段会向着位错密度高的晶粒一侧突然移动， 被这段晶界扫掠过的小面积，位错互毁而降低到 最低的密度，这块小区域成为再结晶核心。 注：要求晶界两侧有很大的位错密度差，需要 一个相当长的孕育期。
热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界 滑动易于进行；温度越高，原子动能和扩散能 力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献， 也对晶界滑移其调节作用。 热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于 晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形 时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金 属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。
(金属塑性成形原理课件)第2讲塑性变形物理本质
存在着一系列缺陷: 点缺陷、线缺陷、 面缺陷
2020/10/4
10
Lesson Two
一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度
材料
理论强度（G/30)/GPa 实验强度/MPa 理论强度/实验强度
银 铝 铜 镍 铁 钼 铌 镉 镁（柱面滑移） 钛（柱面滑移） 铍（基面滑移） 铍（柱面滑移）
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13
Lesson Two
肖脱基空位——只形成空位而不形成等量的间隙原子 弗兰克尔缺陷——同时形成等量的空位和间隙原子
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Lesson Two
在实际晶体中，点缺陷的形式可能更复杂。例 如，即使在金属晶体中，也可能存在两个、三个甚 至多个相邻的空位，分别称为双空位、三空位或空 位团。但由多个空位组成的空位团从能量上讲是不 稳定的，很容易沿某一方问“塌陷”成空位片（即 在某一原子面内有一个无原子的小区域)。同样，间 隙原子也未必都是单个原子，而是有可能m个原子均 匀分布在n个原子位置的范围内（m＞n），形成所谓 “挤塞子”（crowdion）。
（1）表面：指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介质的接触面。 （2）晶界、亚晶界：指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不 同的两部分晶体之间的界面。 （3）相界：指晶体材料内部不仅位向不同，而且结构不同，甚至成分 也不同的两部分晶体之间的界面。在纯金属的同素异晶转变过程中出现 的相界面，其两侧仅结构不同；而合金相的相界两侧，除结构不同外， 往往成分也不相同。 此外，还有孪晶界、反相畴界，层错界、胞壁等等。
（1）对称倾侧晶界
对称倾侧晶界相当于两部分晶体，沿着平行于界面
的某一轴线，各自转过方向相反的θ／2而形成的。两晶 粒位向差为θ，如下图1所示。此晶界相当于两个晶粒的 对称面，它只有一个自由度θ。
塑性力学知识点
《塑性力学及成形原理》知识点汇总第一章绪论1.塑性的基本概念2.了解塑性成形的特点第二章金属塑性变形的物理基础1.塑性和柔软性的区别和联系2.塑性指标的表示方法和测量方法3.磷、硫、氮、氢、氧等杂质元素对金属塑性的影响4.变形温度对塑性的影响；超低温脆区、蓝脆区、热脆区、高温脆区的温度范围补充扩展：1.随着变形程度的增加，金属的强度硬度增加，而塑性韧性降低的现象称为:加工硬化2.塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，通过拉伸试验可以的两个塑性指标为:伸长率和断面收缩率3.影响金属塑性的因素主要有:化学成分和组织、变形温度、应变速率、应力状态（变形力学条件）4.晶粒度对于塑性的影响为:晶粒越细小，金属的塑性越好5.应力状态对于塑性的影响可描述为（静水压力越大）：主应力状态下压应力个数越多，数值越大时，金属的塑性越好6.通过试验方法绘制的塑性一一温度曲线，成为塑性图第三章金属塑性变形的力学基础第一节应力分析1.塑性力学的基本假设2.应力的概念和点的应力状态表示方法3.张量的基本性质4.应力张量的分解；应力球张量和应力偏张量的物理意义；应力偏张量与应变的关系5.主应力的概念和计算；主应力简图的画法J =O +O +O公式（3-14）应力张量不变量的计算J =-9 O +o o +O O ）+T 2 +T 2 +T 2 ...................................................... 2兀y y z z兀冲yz小J =OOO + 2T T T - （OT 2 +o T 2 +O T 2 ） 3 兀 y z xy yz zx x yz y zx z xy公式(3-15)应力状态特征方程o 3 - J o 2 - J a -J = 01 2 3(当已知一个面上的应力为主应力时，另外两个主应力可以采用简便计算公式(3-35)・・・・・・・・ 的形式计算)6 .主切应力和最大切应力的概念计算公式(3-25)最大切应力T = 1(o -o ) max 2 max min7 .等效应力的概念、特点和计算主轴坐标系中公式(3-31) o =上T 1 =上 J(o -o )2 + (o -o )2 + (o -o )2 = J3J' ：2 8弋 2 1 2 ............................. 2 3 3 1 ， 2任意坐标系中公式(3-31a) o =工《(o -o )2 + (o -o )2 + (o -o )2 + 6(T 2 +T 2 +T 2) ............................................... 2 2 * 兀 ' ' z z x xy yz. zx8 .单元体应力的标注；应力莫尔圆的基本概念、画法和微分面的标注 9 .应力平衡微分方程 第二节应变分析1 .塑性变形时的应变张量和应变偏张量的关系及其原因2 .应变张量的分解，应变球张量和应变偏张量的物理意义3 .对数应变的定义、计算和特点，对数应变与相对线应变的关系4 .主应变简图的画法5 .体积不变条件公式(3-55)用线应变0=8 +8 +8 = 0 ；用对数应变(主轴坐标系中)e +G +e = 0 xy z ..........................1 (2)36 .小应变几何方程S u1 ,S u S v.8 =—；丫 二Y =-(——+ x S x xy yx2 S y S x 公式(3-66) 8 S v =—；Y 二Y 1 ,S v S 叭 =-(—+ ——)• ••••••• yS y yz zy2 S z S yS w1 ,S w S 8 =-；Y 二Y =一(——z S z zx xz2 S x S z第三节 平面问题和轴对称问题1.平面应变状态的应力特点；纯切应力状态的应力特点、单元体及莫尔圆公式（3-86） o =o =十（o +o ） =o..................... z2213 m第四节屈服准则 1 .四种材料的真实应力应变曲线 2 .屈雷斯加屈服准则 公式（3-96） T =乙=K ・・・・・・・・ - max 2 3.米塞斯屈服准则 公式(3-101) (o —o )2 + (o —o )2 + (o —o )2 + 6(T 2 +T 2 +T 2) = 2o 2 = 6K 2.................................................. 无 y y z z 无盯 yz zxs(o —o )2 + (o —o )2 + (o —o )2 = 2o 2 = 6K 24 .两个屈服准则的相同点和差别点5 . o 1-orBo s ,表达式中的系数p 的取值范围 第五节塑性变形时应力应变关系 1 .塑性变形时应力应变关系特点 2 .应变增量的概念，增量理论 公式（3-125） d £ =o 、d 九• • •••••••IJ IJ公式（3-129） d £ =丝［o - 1（o +o ）］ ； d y =3竺T ........................ x o x 2y zxy2 o xy d £ = =[o - -(o +o)]； y o y 2 x z d yyz 人 d £「1 /d £ = =[o --(o z o z 2x+o y )l ；,3 d £dy = 一 =T zx 2o zx 3.比例加载的定义及比例加载须满足的条件 第六节塑性变形时应力应变关系 1.真实应力应变曲线的类型第四章金属塑性成形中的摩擦1.塑性成形时摩擦的特点和分类；摩擦机理有哪些？影响摩擦系数的主要因素2.两个摩擦条件的表达式3.塑性成形中对润滑剂的要求；塑性成形时常用的润滑方法第五章塑性成形件质量的定性分析1.塑性成形件中的产生裂纹的两个方面2.晶粒度的概念；影响晶粒大小的主要因素及细化晶粒的主要途径3.塑性成形件中折叠的特征第六章滑移线场理论简介1.滑移线与滑移线场的基本概念；滑移线的方向角和正、负号的确定2.平面应变应力莫尔圆中应力的计算；o = o —K sin 23公式（7-1） o =o + K sin23................ y mT = K cos 233.滑移线的主要特性；亨盖应力方程公式（7-5） o —o = ±2K3................ ma mb ab4.塑性区的应力边界条件；滑移线场的建立练习题一、应力-2 0 0 -1、绘制o ij= 0 4 -1的单元体和应力莫尔圆，并标注微分面。
《金属塑性成形方法》课件
目录
CONTENTS
• 金属塑性成形方法简介 • 金属塑性成形的基本原理 • 金属塑性成形的主要方法 • 金属塑性成形的质量控制 • 金属塑性成形技术的发展趋势
01 金属塑性成形方法简介
CHAPTER
金属塑性成形的基本概念
金属塑性成形是一种通过施加外 力使金属材料发生塑性变形，从 而获得所需形状和性能的加工方
大型金属件和复杂形状的金属件制造，如轴、齿轮、连杆等。
模型锻造
要点一
总结词
通过将金属坯料放置在模具中，在高温和高压下使其发生 塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的金属件。
要点二
详细描述
模型锻造是一种常见的金属塑性成形方法，通过将金属坯 料放置在模具中，在高温和高压下使其发生塑性变形，从 而获得所需形状和尺寸的金属件。模型锻造过程中，金属 坯料在高温和高压下发生变形，内部晶粒结构发生变化， 从而提高了金属的力学性能。模型锻造适用于中小型金属 件制造，如齿轮、轴承、气瓶等。
过程稳定可控。
在线检测
采用先进的在线检测技术，对成形 过程中的产品进行实时检测，及时 发现并处理问题。
成品检测
对成形后的产品进行全面的检测， 包括尺寸、外观、性能等，确保产 品质量符合要求。
05 金属塑性成形技术的发展趋势
CHAPTER
高性能金属材料的开发与应用
高强度钢
通过合金化、热处理等手段提高 钢材的强度和韧性，用于制造轻
流动法则与加工硬化
流动法则是描述金属在塑性成形过程中应力的分布规律。加工硬化是指 在塑性成形过程中，随着变形的进行，材料的强度和硬度逐渐提高的现 象。
金属塑性变形的工艺基础
塑性成形的基本方法
上海理工大学2018年硕士复试《材料成型原理》考试大纲
上海理工大学2018年硕士复试《材料成型原理》考试大纲
一、参考书目
1.《金属塑性成形原理》，俞汉清、陈金德编，机械工业出版社，2011
二、基本要求
1.掌握金属塑性成形的特点及分类，金属塑性变形的物理和力学基础，摩擦模型，塑性成形件的质量定性分析。
2.能够运用主应力法、滑移线场理论、上限法求解基本的塑性成形问题。
三、主要知识点
第一章绪论
了解金属塑性成形的特点及分类。
第二章金属塑性变形的物理基础
理解金属在冷、热态下的塑性变形及金属的超塑性变形，掌握金属在塑性加工过程中的塑性行为。
第三章金属塑性变形的力学基础
掌握应力分析、应变分析的基本方法，理解平面问题和轴对称问题，掌握屈服准则和塑性变形时的应力应变关系(本构关系)，能够求出真实应力一应变曲线。
第四章金属塑性成形中的摩擦
理解金属塑性成形中摩擦的特点、影响、分类及机理，掌握描述接触表面上摩擦力的数学表达式，了解影响摩擦系数的主要因素、测定外摩擦系数的方法、塑性成形中的润滑方法，以及不同塑性成形条件下的摩擦系数。
第五章塑性成形件质量的定性分析
了解原材料及塑性成形过程中常见的缺陷类型，塑性成形件质量分析的一般过程及分析方法，了解塑性成形件中的空洞、裂纹、晶粒度、折叠、失稳等缺陷。
第六章主应力法及其应用
能够运用主应力法求解基本的塑性成形问题。
第七章滑移线场理论及其应用
能够运用滑移线场理论求解基本的塑性成形问题。
第八章上限法及其应用
能够运用上限法求解基本的塑性成形问题。
文章来源：文彦考研。
第二章 金属塑性变形的物理基础
26
锻造温度区间的制定
27
2、锻合内部缺陷 3、打碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢 中的分布 4、形成纤维组织 5、改善偏析
28
塑性变形过程中晶粒的变化
29
第三节 金属的超塑性变形
一、超塑性的概念和种类 概念：金属和合金具有的超常的均匀变形 能力。
大伸长率、无颈缩、低流动应力、易成形、无加工硬化
另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。
4、晶界不同于晶内性质：
3
一、变形机理
晶内变形 1、滑移 2、孪生 晶间变形 晶粒之间的相互转动和滑动 注意： 晶间变形的情况受温度的影响
4
1、滑移面和滑移方向的确定
确定滑移面：原子排 列密度最大的晶面 确定滑移方向：原子 排列密度最大的方向
5
金属的主要滑移方向、滑移面、滑移系
种类：
细晶超塑性：在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满 足要求的条件下所呈现出的超塑性。 相变超塑性：具有相变或同素异构转变的金属，在其转变 温度附近以一定的频率反复加热、冷却。在外力的作用下 所呈现出的超塑性。
30
二、细晶超塑性变形的力学特征
无加工硬化
31
三、影响细晶超塑性的主要因素
应变速率
20
21
二、性能的变化 （力学性能） 加工硬化 成因：位错交互作用，难以运动 应用：强化（奥氏体钢） 避免：多次塑性加工中加入退火工序
22
第二节 金属热态下的塑性变形
热塑性变形：再结晶温度以上进行的塑性 变形 一、塑性变形时的软化过程 1、动态回复、动态再结晶 2、静态回复、静态再结晶、亚动钢中的碳和杂质元素的影响 碳 磷 硫 氮 氢 氧
37
2、合金元素对钢的塑性的影响 合金元素的加入，会使钢的塑性降低、变 形抗力提高 原因见课本p43
塑性成型原理 塑性影响因素-外部因素
影响金属塑性的外部因素通过改变应力状态提高源自属塑性包覆钢板后的塑性成型
塑性成型示意图
影响金属塑性的外部因素
静水压力对提高金属塑性的良好影响
均质流体作用于一个物体上的压力； 这是一种全方位的力，并均匀地施向物体表面的各个部位
1. 拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏，三向压 应力使晶间变形困难
2. 三向压应力有利于愈合塑性变形中晶内、晶间的各种 损伤
无氧铜 Qsn6.5-0.4
超硬铝合金
晶粒粗大化 金属间化合物
析出物 第二相
影响金属塑性的外部因素
2.应变速率
塑性成形设 备工作速度
水压机 1-10cm/s 机械压力机 30-100cm/s 通用锻锤 500-900cm/s
✓a-b: 加工硬化>软化 热效应
应变速率对塑性影响的示意图
✓c-d: 加工硬化<软化 热效应
➢ 影响塑性的内部因素
➢影响金属塑性的外部因素
➢ 提高金属塑性的主要途径
影响金属塑性的外部因素 1．变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
影响金属塑性的外部因素
金属塑性 增高区
1区（100-200℃ ）---原子热振动能力 2区（700-800℃ ）---回复和再结晶 3区（950-1250 ℃）---均匀一致奥氏体
3. 消除杂质、液态相或组织缺陷的不良影响 4. 减轻不均匀变形而引起的附加拉应力
有没有不足之处？
影响金属塑性的外部因素 4．应变状态（变形状态）
轧制和挤压那个更能发挥金属的塑性能力？
主应变图对金属中缺陷形态的影响
影响金属塑性的外部因素 5．不连续变形的影响（变形程度） 6．尺寸因素的影响 7．其他（介质、气氛等）
金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础
位错的攀移
❖ 螺型位错无攀移
❖ 正攀移——正刃型位错位错线上移
负刃型位错位错线下移
编辑课件
位错的交割
❖ 两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，
则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶后
仍分别在各自的平面内运动。
❖ 刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错
线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑移。
❖ 螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成的
❖ 假设：理想晶体两排原子相距为a，同排原子间距
为b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。
在外力τ作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
三种晶胞的晶格结构
编辑课件
一、塑性变形机理
实际金属的晶体结构
❖ 单晶体:各方向上的原子密度不同——各向
异性
❖ 多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性
❖ 塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶
体，其变形过程比单晶体复杂的多。
编辑课件
多晶体塑性变形的分类
加工中，会使变形力显著增
加，对成形工件和模具都有
III．抛物线硬化阶段：
一定的损害作用；但利用金
与位错的交滑移过程有关，
θ3
随应变增加而降低，应力应变
属加工硬化的性质，对材料
曲线变为抛物线。
进行预处理，会使其力学性
能提高
编辑课件
2.2 金属热态下的塑性变形
工程材料与机械制造基础-第2章
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
屈服强度：
s
Ps F0
(MPa)
抗拉强度：
b
Pb F0
(MPa)
s /b
叫屈强比，一般为0.65-0.75。 屈强比越小，可靠性越高。 屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。
金属材料的强度与其化学成分和工艺过程 ，尤其是热处理工艺有密切的关系。
如: (1)纯金属的抗拉强度低
纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa (2)铁碳合金：退火状态下
σ-1 —— 疲劳强度, MPa
δ —— 伸长率、延伸率 αK —— 冲击韧性,J/cm2
7.比较45HRC 650HBW 800HV 240HBS的大小。 答：800HV >650HBW>45HRC>240HBS
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020 人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。1 7:50:38 17:50:3 817:50 10/24/2 020 5:50:38 PM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.2417 :50:381 7:50Oc t-2024- Oct-20 加强交通建设管理，确保工程建设质 量。17:50:3817 :50:381 7:50Saturday , October 24, 2020 安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2417:50:3817 :50:38 October 24, 2020 踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午5 时50分 20.10.2 420.10. 24 追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午5 时50分 38秒17 :50:382 0.10.24 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 下午5时 50分20 .10.241 7:50Oc tober 24, 2020 作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2 020年1 0月24 日星期 六5时50 分38秒 17:50:3 824 October 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午5时50 分38秒 下午5 时50分1 7:50:38 20.10.2 4 专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20. 10.2420 .10.241 7:5017:50:381 7:50:38 Oct-20 牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月24日 星期六5 时50分 38秒Sa turday , October 24, 2020 相信相信得力量。20.10.242020年10月 24日星 期六5 时50分3 8秒20. 10.24
第二章_金属塑性变形的物理基础
超塑性的特点
超塑性变形的一般特点： 1、大伸长率 2、无缩颈 3、低流动应力 4、易成形
采用超塑性成形工艺，可获得形状复杂和尺寸精确的锻件， 而变形力大大降低 。
超塑性成形实例
b 弥散强化
位错切过第二相粒子（表面能、错排能、 粒子阻碍位错运动）
四 塑性变形对金属组织和性能的影响
1 对组织结构的影响 （1） 形成纤维组织
晶粒拉长 杂质呈细带状或链状分布
H62黄铜挤压的带状组织
（2） 亚结构
变形量增大 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低)
（3） 形变织构
四 塑性变形对金属组织和性能的影响
2 对力学性能的影响（加工硬化） （1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形 量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降 的现象。
2 对力学性能的影响（加工硬化）
强化金属的重要途径
利 提高材料使用安全性
（2）利弊
材料加工成型的保证
弊 变形阻力提高，动力消耗增大
孪生的特点
（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体 作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的 分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体 的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变。
孪生的特点
（2）孪晶的萌生一般需 要较大的应力，但随后长 大所需的应力较小，其拉 伸曲线呈锯齿状。孪晶核 心大多是在晶体局部高应 力区形成。变形孪晶一般 呈片状。变形孪晶经常以 爆发方式形成，生成速率 较快。
位错密度越高，金属的强度、硬度越高。
S：位错线长度，V：体积，ρ：位错密度
塑性变形知识点总结
塑性变形（3）1.冷变形金属在退火过程中显微组织的变化：在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状,从光学显微组织上几乎看不出变化。
在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心,然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
最后，在晶界表面能的驱动下,新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸,这称为晶粒长大阶段。
2.回复：是指冷变形后金属在加热温度较低时，原子活动能力不在,金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使得晶格畸变逐渐减少，内应力逐渐降低的过程。
回复的驱动力：弹性畸变能（特征：1.金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度，硬度和塑性等机械性能变化不大；2.内应力及电阻率等物理性能显著不为降低。
（宏观内应力））3.回复机制：a.低温回复：回复主要与点缺陷的迁移有关。
b.中温回复：温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。
机制主要与位错滑移和位错密度降低有关。
c.高温回复（～0.3Tm）,刃型位错可获得足够能量产生攀移，位错密度下降，位错重排成较稳定的组态----亚晶结构。
4.再结晶：将冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称之为再结晶。
再结晶的驱动力：是变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的90%）5.储存能：塑性变形中外力所作的功除去大部分转化为热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存在形变材料内部，这部分能量叫做储存能。
6．残余应力：一种内应力。
它在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀性，以及相互间的牵制作用所致。
7.再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。
》》通常，把对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”,一般金属的临界变形度约为2%~10%。
第二章金属的塑性变形与再结晶
二、多晶体金属的塑性变形
双晶粒试样的拉伸实验表明，晶界处较粗，这说明
晶界的变形抗力大，变形较小。
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Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
26
㈠晶界及晶粒位向的影响
1、晶界的影响 晶界处原子排列紊乱，
杂质原子较多，增大了其 晶格的畸变，因而在该处 滑移时位错运动受到的阻 力较大，难以发生变形， 具有较高的塑性变形抗力。
21
滑移的原因： 内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性滑移 外因：切应力的作用
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晶体塑性变形的基本方式:
滑移和孪生
塑性变形最主要的方式: 滑移
滑移的实质是:
位错运动
晶体滑移并不是在切应力作用下，一部分 相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对的 整体移动。
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二、多晶体金属的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存 在许多晶界，变形复杂。
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变形织构根据加工变形方式的不同主要有两种类型： 拉拔引起的织构称为丝织构; 轧制引起的织构称为板织构。
织构有时使材料的加工成形性能恶化。
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变形织构的各相异性是明显的。其不均匀的塑 性变形会使薄板冲压产生“制耳”现象。
制耳示意图
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3 晶粒破碎形成亚晶粒
随着变形的增大→位错密度明显增大→位错 不均匀分布→晶粒破碎成细碎的亚晶粒。
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课堂讨论
5．加工硬化使金属： a. 强度降低、塑性升高 b. 强度增大、塑性升高 c. 强度增大、塑性降低
6. 金属铸造时，为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 以砂型代替金属型 c. 采取机械振动
7. 反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂， 这是由于产生了： a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火
金属学变形物理基础PPT教案
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晶体取向的描述
晶体取向：指晶体的3个晶轴在给定参 考坐标 系内的 相对方 位。 1个晶轴的方向在坐标系中由3个变量 （晶轴 单位矢 量在3个 坐标轴 的分量 ）确定 。3个 晶轴共 有九个 参量， 但这9个 参量并 非完全 独立的 。例如 ，单位 矢量在 3个坐 标轴的 分量的 平方和 等于1， 这样就 有3个 约束条 件；另 外，晶 系的3个 晶轴之 间也有 确定的 关系， 例如立 方系3 个晶轴 相互垂 直，这 样它们 也有3 个约束 条件。 所以只 需3个独 立的参 数就可 以描述 晶体的 取向。
孪生
滑移
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锌形变组织 (a)抛光后变形；滑移、孪生都可看到； (b)再抛光并浸蚀；滑移看不见，孪晶仍 存在；
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一些合金的孪生元素
注意：切变后要保持原子对称的关系 、同时 晶体结 构 又不能改变，孪生只能在特定面和方 向进行 。
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孪生的一般特点
ห้องสมุดไป่ตู้
镉单晶基面滑移
镁单晶
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单晶体的应力-应变曲线及加工硬化
加工硬化现象：材料加工时强度和硬 度随应 变加大 而增加 ； 应力-应变曲线：是定量描述加工硬化 性质的 依据。
真应变与工程应变曲线的差异
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协调性好、塑性高；而其发生滑移的条件需沿滑移面 施加一定大小的切应力。
第2章金属塑性变形物理基础
P λ
滑移方向 P
设拉力P引起的拉伸应力σ， 切应力分量为 φ τ=σcosφcosλ
滑移面
令u=cosφcosλ，称为取向因子 当u=0.5或接近0.5，称为软取向 当u=0或接近0，称为硬取向
第二章 金属塑性变形的物理基础
2.1 金属冷态下的塑性变形 2.2 金属热态下的塑性变形 2.3 金属的超塑性变形 2.4 金属在塑性加工过程中的塑性
行为
第2章金属塑性变形物理基础
§2.1金属冷态下的塑性变形
一、塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形
（晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。
（一）晶内变形 变形方式：滑移（主要）、孪生（次要）
金属多晶体中，各晶粒的位向不同， 使得塑性变形必然不可能在所有晶 粒内同时进行，构成多晶体塑性变 形不同于单晶体。
第2章金属塑性变形物理基础
2、孪生（形变孪晶）
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。
金属在塑性变形时以何种方式变形，取决于哪种
第2章金属塑性变形物理基础
2）第二相粒子十分细小，并 弥散地分布在基体晶粒内， 称为弥散分布型两相合金
多相合金晶体中第二相粒子的分布情况不同，使塑 性变形的情况与单相合金的有所不同。
1）聚合型两相合金
由于两相尺寸分布在同一数量级上。因此，只有第 二相为较强相时，合金才能得到强化。
较强相所 占比例
<30%，变形滑移发生在较弱相 30%～70%，两相接近 >70%，第成2章金为属塑性基变形体物理基相础 ，塑性由其控制
3）晶粒之间、晶体内部和晶界附近区域
之间变形的不均匀性。（尺寸不一致）
由于晶粒变形的特点，使得晶粒大小对金属的塑 性和变形抗力有一定的影响。
第2章金属塑性变形物理基础
设晶粒平均直径d，材料屈服强度σs，根据实验 结果获得两者之间的关系表达式为
σs（MPa）
σs=σ0+-K1y/d2
200 100
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第2章金属塑性变形物理基础
溶质原子的介入，使得 晶体内位错能降低（内 能降低）屈服强度降低， 容易造成吕德斯带的产 生，影响产品质量
（二）多相合金的塑性变形 多相合金的变形复杂，但仍是滑移和孪生为主。 根据多相合金中第二相粒子的尺寸大小可分为两类： 1）第二相粒子的尺寸与基 体相晶粒尺寸属于同一数量 级，称为聚合型两相合金。
2）晶粒细化，晶粒的应变分布差异较小。
第2章金属塑性变形物理基础
三、合金的塑性变形 合金的相结构有两大类：固熔体和化合物。
常见的合金组织有两种：一种是单相固熔体合 金；另一种是两相或多相合金。 （变形机理也同样是 滑移和孪生为主。
由于溶入溶质原子，使金 属的变形抗力和加工硬化 率有所提高，塑性有所下 降，称为固溶强化
前
后
板织构是在轧制或宽展 很小的矩形件镦粗时形 前
成的。特征是各个晶粒
的某一个晶向趋向于与
轧制方向平行，而某一 后
个晶面趋向于与轧制平
面平行
第2章金属塑性变形物理基础
影响：变形织构的存在，使得金属性能将显示各向异 性，且经退火后，织构和各向异性仍然存在，对产品 进行加工带来困难，并影响产品质量。例如，“制耳” 现象。 （二）性能的变化 加工硬化。即随金属变形程度的增加，金属的强度、 硬度增加，而韧性、塑性随之降低的现象。 原因：位错交互作用的结果。 应用：可使金属不用通过热处理的方式，在冷态下进 行强化，达到工作需要的强度。 缺陷：使得工件内部容易造成应力集中。
2）弥散型两相合金 当第二相以细小微粒均匀分布于基体相时，将产生 显著的强化作用。
这种强化作用可根据其粒子进入 方式分为两类： a.第二相粒子通过对过饱和固溶 体的时效处理而沉淀析出，并产 生强化的，称为时效强化； b.第二相粒子借助粉末冶金方法 加入的，称为弥散强化。
第2章金属塑性变形物理基础
补充说明：第二相粒子也可分为可变形和不可变形 两种。可变形即位错切过微粒；不可变形即绕过微粒。 这两种方式的形成主要根据第二相粒子的尺寸大小，尺 寸过大，切过困难，绕过容易；尺寸过小，切过容易， 绕过困难。
b
滑移面
第二相粒子第2章金属塑性变形物理基础
生成表面
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）组织的变化
1.晶粒形状的变化 金属冷加工变形后，其晶粒形状变化趋势大体与金属 宏观变形一致。
第2章金属塑性变形物理基础
2.晶粒内产生亚结构 金属的塑性变形主要是借助位错的移动进行的。
晶粒变形
位错堆积
位错缠结
变形量过大
亚结构
3.晶粒位向改变（变形织构，也称形变织构）
定义：多晶体中，晶粒随着变形量的增大，原来任意 取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。 这种由于塑性变形的结构而使晶粒具有择优取向的组 织，称为变形织构。
第2章金属塑性变形物理基础
丝织构在拉拔和挤压 中形成，轴对称变形， 其主应变为两向压缩、 一向拉伸。
变形所需的切应力为低。常温下，滑移优先；低温下， 孪生优先。
（二）晶间变形
主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。
在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶 内变形，晶间变形只是次要作用。
第2章金属塑性变形物理基础
二、塑性变形的特点
特点
1）各晶粒变形的不同性（方式不同） 2）各晶粒变形的相互协调性（目的一致）
50
75
100
d （cm） 第2章金-属1塑/性2变形物理基础
σ0：常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力2～3倍 Ky：常数，变形影响
因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多，削弱了 晶粒内部的应力场，无法达到变形发生的程度，故需 外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。 原因：1）晶粒细化，变形能均匀分布
第2章金属塑性变形物理基础
1、滑移
晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面 和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。 滑移矢量与柏氏矢量平行。
滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向， 例如面心立方的{110}和<111>，体心立方的{111}和 <110>等。
原因：原子密度最大的晶面，原子间距小，原子 间的结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶 面之间的结合力较小，滑移阻力便小。