第六章 多晶体的塑性变形

6.1 金属的塑性变形
材料的性能是零件设计中选材的依据，也是 技术工人在加工维修过程中合理选择材料以及加 工方法的重要依据。
材料的性能包括：
力学性能 （强度、塑性、硬度、冲击韧性和断裂韧性等 ） 工艺性能
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§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 （包括：弹性变形和塑性变形）
解决办法：去应力退火 。
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§2.金属的力学性能 1.定义：
金属材料在承受外力（静、冲击、交变）作用下，没 有超过许可变形或不破坏的能力——称作金属的力学性能 。
2.力学性能指标
主要包括：
强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。
力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据 30 。
一、强度 1）定义
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三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
1.冷塑性变形结果
外部：晶粒形状发生变化——沿着变形方向被压扁或拉长；
内部: 晶粒内部位错密度增加，晶格畸变加剧；
性能: 金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降。 这种现象——称为“形变强化”或“加工硬化”。
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2.加工硬化的应用
对于不能通过热处理强化的金属是一种重要的
3.影响因素 1）晶粒位向的影响 由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下， 将产生有利和不利的不均匀的变形，导致内应力 的产生。 2）晶界的作用 晶界阻碍位错运动，使金属的塑性变形阻力增大。
3）晶粒大小的影响
单位体积内金属晶粒越细小，晶界越多，金属越难 进行塑性变形，获得细晶强化。 是金属材料获得强韧化的重要手段。
b）断裂
零件在外力作用下发生开裂或折断的现象。
c）磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
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2.常见塑性变形形式
1）轧制 （板材、线材、棒材、型材、管材）
板材轧制
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2）挤压
（低碳钢、有色金属等型材）
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3）拉拔
（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）
线材拉拔
管材拉拔
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4）锻压 （碳钢、合金钢、特种钢坯料）
b
式中：
Fb S0
MP a
Fb— 指试样被拉断前所承受的最大外力， 即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）。 S0 — 试样原始横截面面积（mm2）
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二、塑性指标（ δ%；Ψ %）
定义： 塑性—材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。 (1)断后伸长率
公式： δ% = （Lu- L0）/L0 ×100%
表示：拉力与伸长量之间的关系曲线。
拉伸过程：
弹性变形阶段
缩颈阶段
屈服阶段
断裂。
强化阶段
断裂形式：
韧性断裂——纤维状断口 脆性断裂——冰糖块状断口 疲劳断裂——贝壳状断口
拉伸曲线图
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3.强度指标（ σe ；σs ；σb）
1）弹性极限
定义：指在外力作用下由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。或指完全卸载后不 产生永久变形时所能承受的最大应力。 公式：
多晶体中的晶粒取向
晶粒取向的影响
• 当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性， 位向不同的各个晶体所受应力并不一致，而作用 在各晶粒的滑移系上的分切应力更因晶粒位向不 同而相差很大，因此各晶粒并非同时开始变形， 处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方 位的晶粒却还未开始滑移。而且，不同位向晶粒 的滑移系取向也不相同，滑移方向也不相同，故 滑移不可能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。 但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中， 它的变形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然 就难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的连续 性，会造成空隙而导致材料的破裂。
三个阶段的相对长短，则通过对 位错的增殖、运动和相互作用的 影响，与晶体成分、位向、初始 位错密度和温度等因素有关。
2、孪生
孪生是晶体范性形变的另一 种重要方式。与滑移相似， 孪生也使晶体产生切变。孪 生切变同样沿着一定的晶面 和晶向产生，这些晶面和晶 向分别称为孪生面和孪生方 向。 滑移时，相对移动集中在少 数原子面上，而每个面上的 移动量可以达到点阵间距的 很多倍。但是孪生形变时， 切变却均匀地分布在孪生区 的每一个原子面上，结果使 相邻的两部分晶体恰好成为 镜像对称关系
1、晶粒发生变形
金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒 变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。
2、亚结构形成金属经大的塑性变形时 • 位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地 区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位 向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。
c）弯曲载荷 --弯力
d）剪切载荷--剪切力
e）扭转载荷--扭转力
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2.内力
（1）定义
工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不 变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 （2）大小
内力大小与外力相等。
（3）注意
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内力和外力不同于作用力和反作用力。
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3.应力
（1）定义
单位面积上所受到的力。
（2）计算公式
塑性变形前 塑性变形后
3、形变织构产生
金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向 趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。
6.4.2. 塑性变形对金属性能的影响
• （1）形变强化 金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属 的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。 • （2）产生各向异性 由于纤维组织和形变织构的形成, 使 金属的性能产生各向异性。
σ= F/ S（ MPa/mm2 ）
式中： σ——应力；
F ——外力；
S ——横截面面积。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段：
弹性变形 1.特点 弹性变形： 弹-塑性变形 断裂。
金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。 25
Fe e S0
MP a
式中：
Fe —试样不出现任何明显塑性变形时所受的最大载荷， 即拉伸曲线中e点所对应的外力（N）； S0 —试样原始横截面面积（mm2）。
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2）屈服强度
定义：--指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。
公式：
Fs s S0
MP a
式中：
Fs--试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷， 即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）； S0 --试样原始横截面面积（mm2）。
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2）应用范围
主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、
调质处理后的各种软钢或硬度较低的
材料。
3）优、缺点
优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均
性能；适合对毛坯及半成品测定。
缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料； 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
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2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义
采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。
2）表示方法
h3 HR 100 0.002
例：45HRC
表示： 测得洛氏硬度值为45； 数值越大，表示硬度越高。
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3）常用洛氏硬度标尺及适用范围
标尺 HRA HRC 压头 金刚石（圆锥体） 金刚石（圆锥体） 总载荷/Kg 100 150 有效值 60～85 20～67 被测试材料 硬质合金、表面淬火钢 一般淬火钢
自由锻
模锻
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5）冷冲压
（低碳钢、合金钢板材）
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一、塑性变形的基本概念
1.载荷
（1）定义
金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
（2）类型
根据载荷作用性质不同：
a）静载荷 b）动载荷 —没有变化； —瞬间变化；
c）交变载荷—不断变化。
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根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力
b）压缩载荷 —压力
晶界的影响：
晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，晶界两侧的晶粒 取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，晶界对晶粒 的变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每 个晶粒的滑移带均 终止于晶界处。晶粒越细，晶界越多，材料 强度越高。
4、多晶体应力应变曲线
6.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
以孪生方式变形一般比滑移变形需要更大的切应力， 所以只有在滑移不容易进行的情况下，才产生孪晶。 例如密排六方金属由于滑移系少，在取向不适于滑 移的情况下会产生孪晶。体心立方金属在低温或形 变速度很高的情况下容易产生孪晶。面心立方金属 只有在极低的温度下变形才有可能产生孪晶。
3.多晶体的塑性变形
多晶与单晶变形相比，相同点： 都是以滑移，孪生变形为主 不同之处是：多晶有晶界
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三、硬度指标
1.定义： 硬度—金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
它是材料性能的一个综合物理量。表示金属材料在一个小
的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。 2.实验方法 1）布氏硬度（HB）；2）洛氏硬度（HR）；3）维氏硬度（HV）
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1.布氏硬度（HB）
1）定义 使用一定直径的钢球（D=1.588mm），以规定实验力压入 试样表面，并保持规定时间（t =10~30s）后卸除实验力，然后测量表面压痕直径（d） ，再查相应的表（压痕~硬度对照表）得到测定的硬度值。 压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度越高。
4）优、缺点
优点：操作简单、快速，可直接在表盘上读出硬度值，
适宜测定成品及较薄零件及硬度高的材料； 缺点：但由于压痕较小，硬度代表性差些，如果材料中有偏析 或组织不均匀的情况，测得的硬度值重复性较差， 一般要求在不同部位测试多次，并取平均值。
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3.维氏硬度（HV）
1）特点： 压头为金刚石的正四棱锥体，根据压痕单位面积上的载荷 来计算硬度值。 根据试样大小、厚薄选择载荷：（F=0.098～9.8N） 适合测定极薄试样表面的硬度和表面硬化层的硬度高低。 2）表示方法： 例：640HV30 表示：实验力：30Kg；时间：10~15s 表面的硬度值：640HV 同样数值越大，表示硬度越高。
金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
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1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
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2.力-伸长曲线（F ~ΔL）
式中： L0—试样原标距的长度（mm）
Lu—试样拉断后的标距长度（mm）
(2)断面收缩率 公式： Ψ % = （S0 - Su）/S0 ×100% 式中： S0—试样原始横截面面积（mm2）
Su—试样拉断后缩颈处的最小横截面面积（mm2）
规律：（ δ % ；Ψ %
）的数值越大，表示其塑性越好；
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
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对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。 定义：条件屈服强度： （ σ0.2
）
规定：产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。
指出：
是工程技术中最重要的机械性能指标之一； 是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。
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3）抗拉强度
定义：指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的
最大应力，故又称强度极限。 公式：
强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。
意义：
1）是一种材料强化手段—形变强化；
2）有利于塑性变形均匀进行； 3）有利于金属构件的工作安全性。
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3.加工硬化的不利
1）影响材料力学性能
不利：使得再变形困难；
使得金属的切削加工，冲压加工带来困难。 解决办法： 在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。 2）影响材料物理性能和化学性能 不利：电阻增加，导电、导磁性下降； 化学活性增大；耐腐蚀性下降。
不能越过晶界，在晶界处塞级
障碍应力：
N——为位错塞积的数目 外加分切应力
3.多晶体的塑性变形
(1)晶粒取向的影响 (2)晶界的影响 (3)晶粒大小的影响
图3-5 两个晶粒试样在拉伸时的变形
因此，一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。因为 细晶粒不仅使材料具有较高的强度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧 性，即具有良好的综合力学性 能。故生产中总是尽可能地细化晶粒。
1、单晶体应力应变曲线： 易滑移区（Ⅰ）、线性硬化区（Ⅱ）和抛物线硬化区或动 态回复区（Ⅲ）
在阶段Ⅰ，晶体中位错密度低，分布 均匀,它们可以沿自己的滑移面长距离 运动而与其他位错干涉很少，所以应 变硬化速率小。 当变形进入第Ⅱ阶段的时候，位错密度 增大到中等程度，即比较密集的大量位 错相互缠结构成胞壁，把晶体分割成为 内部位错密度相对稀疏的胞状组织 最后胞的尺寸减小到胞内不再形成新胞 壁，胞的尺寸基本稳定不变，于是便开 始了第Ⅲ阶段