C1-第二节 塑性变形与强化机制
塑性变形
特点：晶体结构类型并未改变 。 滑移的组织形态：光镜下：滑移带（无重现性）。
电境下：滑移线。 显微组织特点：抛光后可能看不见。 2 滑移系 滑移是沿着特定的晶面 和 晶向进行的。
滑移面 （密排面） 滑移方向（密排方向） 滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个 滑移系
6
每一个滑移系表示晶体进 行滑移时可能采取的一个 空间方向。滑移过程可能 采取的空间取向越多，塑 性越好
37
2 加工硬化的作用 1）强化金属的一种方法，对一些不能用热处理强化 （固态下无相变）的材料尤为重要。 2）加工硬化使塑性变形能够均匀地分布于整个工件， 不致集中在某些局部区域而引起破裂。 3）加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全 性。 4）加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力会不 断增加，增加动力及设备消耗。
18
第三节 多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。 一、晶粒取向的影响 1 变形过程 位错在晶界塞积——应力集中——相邻晶粒位错源开 动——相邻晶粒变形——塑变
19
2 晶粒之间变形的协调性 （1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变
形会导致晶体分裂） （3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的
单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。 第二相可通过相变热处理（沉淀强化，时效强化）或 粉末冶金方法（弥散强化）获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类
多相合金
聚合型
第二相的尺寸与基体晶 粒尺寸属同一数量级
弥散型
第二相很细小，且弥散分
布于基体晶粒内
26
1 聚合型两相合金的变形 性能按下列方法估计
滑移系的特点：
1）滑移面总是晶体的密排面，而滑移方向也总是密排 方向。
金属材料的塑性变形与强化机制
金属材料的塑性变形与强化机制金属材料广泛应用于制造业、建筑业、交通运输等领域，其具有高强度、优良的导电导热性能、易于加工等优点。
然而，金属材料的应力应变曲线呈现塑性区，即在一定范围内，随着应力的增大，材料的应变会逐渐增大，直到达到极限，然后发生塑性变形。
在工程实践中，如何控制金属材料的塑性变形，提高其性能，使其更加适用于各个领域，成为了当前研究的热点之一。
1. 金属材料的塑性变形与尺寸效应塑性变形过程中，材料内部原子的晶体结构和排列方式发生了变化，从而导致了材料的强化和塑化。
同时，尺寸效应也对金属材料塑性变形产生了重要的影响。
研究表明，当金属材料的直径小于100纳米时，由于晶体结构的变化，材料的电学性能和机械性能会发生显著变化。
在实际应用中，如何利用尺寸效应来控制金属材料的塑性变形是一个重要的研究课题。
一方面可以采用纳米技术加工制备金属纳米材料，如纳米管、纳米棒、纳米线等，来控制材料的晶体结构，使其具有更好的力学性能和导电性能；另一方面，可以利用不同的加工工艺和冷加工方法，来实现对材料晶体结构的调控，从而达到强化和塑化金属材料的目的。
2. 金属材料塑性变形的机理金属材料的塑性变形机理主要是由晶体滑移和重结晶两种过程组成。
晶体滑移是指晶格错位后，晶体中原子的移动和重组。
原子的移动发生在晶格中的间隙和空位中，导致晶体中的错位位移和变形。
观察金属材料的断面可以发现，断面中由于晶体滑移所引起的形变形成了大量细小的位错，从而促使晶体不断地沿位错的移动方向继续发生滑移。
另一种机理是重结晶。
当金属材料发生过大变形时，原本的晶粒会发生变化，小的晶粒会变成大的晶粒。
这个过程叫做重结晶，它会导致材料内部结构的变化，从而促进材料通道滑移和位错修复。
3. 金属材料强化机制金属材料的强化可以通过多种途径实现。
其中，冷加工是一种非常有效的方式。
通过冷加工（如轧制、拉伸、挤压等）可以使材料产生高密度的位错，而这些位错会增加晶体滑移的阻力，使得材料的屈服强度和拉伸强度得到了提高。
塑性变形课件
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。滑移结果在晶体表面造成台阶。
铜中的滑移带
2015-5-7
500×
Anming Li, Dept of MSE,hpu 6
材料科学与工程学院
3、滑移沿原子密度最大的晶面、晶向发生。 滑移系： 滑移系的个数:
2015-5-7 Anming Li, Dept of MSE,hpu
移
4
材料科学与工程学院
滑移四要点：
1、滑移只能在切应 力作用下发生
晶格在正应力作用下的变化
晶格在切应力作用下的变化
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材料科学与工程学院
滑移带
2、滑移使晶体表面形成台阶
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，
利： 预应力处理，如汽车板簧的生产。
2015-5-7
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材料科学与工程学院
弊： 引起变形、开裂，如工件的变形。 消除：去应力退火。
工件加工后的变形
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材料科学与工程学院
晶粒大小与力学性能的关系：
晶粒越细，强度越高(细晶强化)
s=0+kd-1/2
（Hall-Petch)
晶粒越细，单位体积中晶界面积越大，位错运动的阻
力越大。同
时，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便多。对塑性变形的抗力增大， 金属的强度愈高。
晶粒越细，塑韧性提高
晶粒越多，变形均匀，由应力集中导致的开裂机会减少，表现出高 塑性。细晶材料应力集中小，裂纹不易萌生和传播，断裂过程中可吸 收较多能量,表现高韧性。
6金属的塑性变形与形变强化
孪生示意图
孪晶组织
与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。
体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生
孪生变形。
面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形。
1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作 用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力。
⑵ 滑移常沿晶体中原
子密度最大的晶面和 晶向发生。因原子密 度最大的晶面和晶向 之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑 移所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
第六章 金属的塑性变形与形变强化
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，有助第一节 纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。正应 力只能引起弹性变形及
⑶滑移时，晶体两部分的相对 位移量是原子间距的整数倍. 滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动
转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分 量组成了力偶。
F A
0
A
1
F
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
3、再结晶加热速度和加热时间
《塑性变形》课件
当物体受到外力作用时，物体内部会产生应力，使得物体发生塑性变形。在这个过程中，物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形，这是因为阻力最小的方向所需的力最小，因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度，当最大主应力较大时，物体更容易沿着这个方向发生变形。同时，物体的流动也受 到最小阻力定律的影响，使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺，用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中，冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品，如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品，如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟，预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果，对塑性变形过 程进行优化设计，提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数，如温度、压力、变形速度等， 实现更佳的塑性变形效果。
04
CATALOGUE
塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料
金属的塑性变形与强化
未变形 原始晶粒
25％变形
滑移线
50％变形
拉长或压 扁的晶粒
75％变形
细条状纤维 组织
第 1 节 金属的塑性变形
三、塑性变形对组织和性能的影响
形变织构：多晶体中各晶粒的某些位向与变形方向趋于一致。形 变织构不能够在显微镜下观察到，但可通过X光线衍射检测。
形变织构示意图
亚晶粒形成 ：金属经大的塑性变形时, 位错密度增大, 大量位错 堆积在局部地区, 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, 产生亚晶粒。
3、晶界阻碍位错运动：当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起 来，要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。晶粒 越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越 多，使金属塑性变形的抗力越高。
晶粒大小与金属强度关系
第 1 节 金属的塑性变形
三、塑性变形对组织和性能的影响
• 降低内应力，稳定零件尺寸； • 提高导电性； • 防止应力腐蚀。 • 此阶段称为“去应力退火”
变形金属在不同加热温度 时组织和性能变化示意图
第 2节 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化
加热温度较高
再 再结晶形成新等轴晶 结 强度大大下降 晶 塑性大大升高
内应力完全去除
此阶段又称再结晶退火
变形金属在不同加热温度 时组织和性能变化示意图
第 2节 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化 工程应用
再结晶退火主要用于金属冷加工工艺过程中，使冷压 力加工得以进一步进行。
多次再结晶退火处理 Φ5mm的钢丝最终拉拔成 Φ0.1~0.2mm
第 2节 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化
2010塑性变形机制 第二章
滑移带示意图
滑移
定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿 着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位 移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。
A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
S
A
S cos cos cos
滑移面上的正应力:
n S cos cos2 s c
外力在滑移方向的分切应力
c s cos cos c s cos cos
只有 c一定时 与 s
c
三种常用金属的临界分切应力随温度的变化
化学成分和温度对纯铜 的临界分切应力的影响
镉速率的关系单晶的临 界切应力与温度和应变
(X比+应变速率大100倍)
2.1.4滑移时晶体的转动（Rotation of Crystal)
实际变形中滑移总要受到限制，晶体不会自由无限 制滑移下去，因此滑移的同时往往伴随着晶体的转动。 1. 位向和晶面的变化
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现一 系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮凸， 称为滑移带。
在300℃ 拉伸的锌单晶体
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：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．
铸造合金的塑性变形与强化机制
铸造合金的塑性变形与强化机制铸造合金是一种通过高温熔炼和铸造工艺制备的金属材料，具有优异的力学性能和化学稳定性。
在使用过程中，铸造合金的力学性能往往需要通过塑性变形和强化机制进行改善。
本文将深入探讨铸造合金的塑性变形和强化机制，以及如何应用于实际工程中。
一、塑性变形机制塑性变形是指材料在外部加载下，在不改变化学成分的条件下，发生形状和尺寸变化的过程。
铸造合金的塑性变形机制主要包括滑移变形和孪晶形变。
1. 滑移变形滑移变形是铸造合金的常见变形机制之一。
在应力作用下，合金中的晶体发生位错运动，原子间的位错在晶面上滑移，形成滑移带，从而导致材料整体的塑性变形。
滑移变形可以增加材料的延性和韧性，提高其抗变形能力。
2. 孪晶形变孪晶形变是指合金晶粒在变形过程中发生取向关系突变，形成孪晶结构。
合金中的孪晶具有较高的位错密度和晶界能量，因此在塑性变形中扮演重要角色。
孪晶形变可以提高材料的强度和硬度，但对延性和韧性的影响较小。
二、强化机制强化是指通过添加合金元素或采取特定的热处理工艺，使铸造合金的力学性能得到提升。
常见的强化机制包括固溶强化、析出强化和取向强化。
1. 固溶强化固溶强化是通过向合金中加入固溶元素，使其溶解在基体中形成固溶体，从而提高合金的强度和硬度。
固溶元素的溶解度取决于温度和固溶元素浓度等因素。
固溶强化一般在高温下进行，然后通过快速冷却来保持固溶态，防止固溶元素重新析出。
2. 析出强化析出强化是在固溶体基体中形成微观尺寸小、分布均匀的析出物，如合金化合物、过饱和固溶体、间二相等，通过构筑复杂的位错和晶界结构，阻碍位错滑移和晶界移动，从而增加合金的强度和硬度。
3. 取向强化取向强化是通过优化合金的晶体取向结构，使其滑移带方向与应力方向更为一致，从而提高塑性变形的难度，增加合金的强度。
取向强化通常通过控制合金的凝固过程和热处理工艺来实现。
三、应用于实际工程中铸造合金的塑性变形和强化机制在工程实践中得到广泛应用。
《塑性变形机制》精品课件
fcc中孪生时每层
晶面的位移是借助
于一个不全位错
（b=a/6[11-2]）
的移动造成的，各
层晶面的位移量与
其距孪晶面的距离
成正比。
如：1 a110 1 a121 1 a211
2
6
6
1 a1 10
2
1 a1 2 1
6
1 a211
6
孪生的位错机制
● 面心立方晶体中，有一个垂直穿过（111）面 的螺位错，柏氏矢量为a/3[111]（（111）面 的面间距）。此位错使（111）面变成一个螺 旋面。若位于（111）面上有一柏氏矢量为 a/6[112]的肖克莱不全位错，其一端被极轴 位错固定，则不全位错只能绕极轴转动。当 它在（111）面上扫过一周后，产生a/6[112] 的滑移量，相当于产生一个单原子层的孪晶， 同时又沿螺旋面上升一层。如此继续转动， 就会形成一个孪晶区。当此不全位错依此沿 （111）面扫过后，密排面的堆垛顺序就会由 原来ABCABCABC变为ABCABACBA，这样 就使上部分晶体变成与未变形部分晶体成对 称的孪晶区。
●交滑移(Cross Slip)：螺位错滑移受阻时，离开原滑移面沿另一晶面继续
滑移；b不变，所以滑移方向和大小不变。变形温度越高，变形量越大， 交滑移越显著。
特征：折线或波纹状滑移线。
Al的多滑移, x145
Cu的单滑移, x500
Al单晶的交滑移, x260
多系滑移
对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利 的滑移系（其分切应力最大）中进行，但由于变形时晶 面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐 增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就 可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行， 从而产生多系滑移。
金属材料的塑性变形机制与强化研究
金属材料的塑性变形机制与强化研究一、引言金属材料是工程领域中广泛使用的重要材料之一。
在使用过程中，金属材料的塑性变形机制和强化研究对于了解材料的性能、提高材料的力学性能以及设计和应用具有重要意义。
本文将深入探讨金属材料的塑性变形机制和强化研究，旨在为读者提供全面的了解和参考。
二、金属材料的塑性变形机制1. 组织和缺陷对塑性变形的影响金属材料的晶粒结构以及其中的缺陷（如晶界、位错等）对于材料的塑性变形具有重要影响。
晶界的存在会限制材料的滑移和位错运动，并增加材料的强度。
而位错的形成和运动是金属材料塑性变形的基本机制之一，位错的堆积和滑移在材料中引起了塑性形变。
2. 滑移机制金属材料的滑移是指在应力作用下，晶体中的原子或离子沿着晶格面或晶轴方向滑动，从而引起材料的塑性变形。
滑移机制在金属材料中起着重要作用，特别是在体心立方晶体结构的金属中，滑移发生最为常见。
3. 形变机制金属材料的形变主要是通过晶格面之间的滑移和位错运动实现的。
在滑移的过程中，位错会发生弯曲和交错，从而引起材料的形变。
滑移和位错的相互作用是金属材料形变机制的关键。
三、金属材料的强化研究1. 固溶强化固溶强化是通过合金中的固溶体形成固溶体溶解度差、晶界弥散、位错交互作用等方式，增加合金的强度和硬度。
固溶强化通过改变材料的微观结构，阻碍位错的运动和滑移，从而提高材料的塑性变形阻力。
2. 沉淀强化沉淀强化是通过在合金中形成亚稳定沉淀物，增加材料的强度和硬度。
沉淀物的形成会引起晶粒界面和位错的阻碍，从而有效地抑制材料的滑移和位错的形成，达到强化材料的目的。
3. 织构强化织构强化是通过控制金属材料的晶粒取向或晶粒形状来增加材料的强度和塑性。
通过优化材料的织构，可以使晶粒相互之间的滑移和位错运动受到限制，从而提高材料的力学性能。
4. 冷加工强化冷加工强化是通过机械变形来改变金属材料的微观结构，增加材料的位错密度，从而提高材料的强度和塑性。
冷加工强化的过程中，位错会累积和交织，形成互相阻碍的结构，从而增加材料的塑性变形阻力。
《塑性变形机制》课件
颚 板
Hadfield钢 耐磨材料 “水韧处理”-奥氏体钢
英国人Hadfield在1882年9月发明了耐磨高锰钢(又称Hadfield高锰钢)。主要成分:12.76Mn-1.35 C- 0.69Si (％). 在Mn13的基础上，又发展了中锰钢（6～8）Mn％-（0.9～1.2）Mo(％)和Mn17系列高锰钢（16～19）Mn (％)。 20世纪80年代后期，国外已开发成功多种牌号的中锰钢。同时，国外还开发了Mn 3％～5％的合金化锰钢。
变形过程中组织演变(6Al)
Microstructures of solution treated 6Al steel deformed to 10%
平面滑移(planar slip):
在面心立方金属的变形过程中，位错滑移变形并不是每一个原子层上均匀地发生，而是周期性的每隔一定距离才产生一个位错滑移面。
显微带诱发塑性(microband induced plasticity, MBIP)
Je Doo Yoo, Kyung-Tae Park，Microband-induced plasticity in a high Mn-Al-C light steel, Mater.Sci.Eng.A, 2008, 496:417-424
Frommeyer G, Brux U. steel research int., Microstructures and Mechanical Properties of High-Strength Fe-Mn-Al-C Light-Weight TRIPLEX Steels 2006, 77(9-10): 627-631.
《塑性变形机制》
非晶机制(Amorphous Mechanism)：高温晶界滑移(Grain Boundary Slip)：高温
塑性变形_精品文档
塑性变形1. 引言塑性变形是固体力学中的一个基本概念，指的是材料在超过其弹性限度后，可以继续变形而不恢复原状的能力。
塑性变形可以发生在金属、塑料、陶瓷等材料中，常见于制造、建筑和工程领域。
本文旨在介绍塑性变形的基本原理、影响因素以及常见的塑性变形工艺。
2. 塑性变形的基本原理塑性变形与材料的内部结构和原子之间的相互作用有关。
在塑性变形过程中，材料中的晶体结构发生变化，原子之间的接触位置发生滑移。
这种滑移可以改变原子之间的相互作用，从而使材料继续变形。
塑性变形的基本原理可以归纳如下：•内部滑移：在材料中存在众多晶体结构，滑移发生时，晶体结构中的原子沿滑移面移动，发生形变。
•位错运动：位错是晶体结构中的缺陷，可以像滑行带一样在晶体中移动。
位错的运动是塑性变形的基本过程。
•变形时的晶界滑移：晶界是不同晶粒之间的边界，当材料变形时，晶界也会发生滑移，使晶粒相对于彼此发生位移。
3. 影响塑性变形的因素塑性变形的程度和方式受到多种因素的影响，以下是几个重要的影响因素：3.1 物质本身的性质不同材料的塑性变形性能不同。
金属通常具有良好的塑性，可以在大变形下发生塑性变形。
而一些脆性材料如陶瓷通常只能发生很小的变形，容易发生破裂。
此外，合金、塑料等材料也具有独特的塑性变形性质。
3.2 变形速率变形速率指的是材料在单位时间内发生的变形量。
较高的变形速率往往会导致材料在塑性变形过程中发生更大的变形。
这是因为较高的变形速率会加快位错的运动和晶界的滑动，使材料更容易发生塑性变形。
3.3 温度温度对塑性变形也有很大影响。
较高的温度能够使材料中的原子更容易滑动，从而促进塑性变形的发生。
相反，较低的温度会使材料变得更加脆性，减少塑性变形的程度。
3.4 应力状态材料受到的应力状态也会影响其塑性变形。
在拉伸应力作用下，材料会发生延伸变形；而在剪切应力作用下，材料会发生屈服变形。
不同应力状态下，材料的塑性变形方式有所不同。
4. 常见的塑性变形工艺塑性变形工艺是一种通过对材料施加力来改变其形状和尺寸的方法。
金属的塑性变形与强化
密排六方金属滑移系少，在晶体取向不利于滑移时常以孪生方式
进行塑性变形；
体心立方金属只有在室温以下和受到冲击时才发生孪生； 面心立方的金属很少发生孪生变形。 （2）孪生变形速度极快，常产生冲击波，并伴随声响。 （3）孪生本身对晶体塑性变形的直接贡献不大。
这种取向称为硬取向。
滑移时晶体的转动
当晶体在 F力的作用下 发生滑移时，假如滑移面和 滑移方向保持不变，拉伸轴 的取向必然不断发生变化。
实际上由于夹头固定不
动，为了保持拉伸轴的方向
固定不动，因此单晶体的取
向必须相应地转动。
拉伸前
自由滑移变形
受夹头限制时的变形
如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改 变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的
临界分切应力的计算方法：
设圆柱形金属单晶体试样的横截面积 为A，受到轴向拉力F的作用。F与滑移方向 的夹角为λ，则F在滑移方向上的分力为 Fcosλ；F与滑移面法线的夹角为φ，则滑 移面的面积为A/cosφ。所以，外力F在滑 移方向上的分切应力为
A F/ccoossF Acoscos
式中，F/A为试样拉伸时横截面上的正应力，
金属的塑性变形与强化
１、面心立方金属的滑移面为{111}，共有四个，滑移方向为〈110〉，
每个滑移面上有三个滑移方向，故面心立方金属共具有12个滑移系。
２、体心立方金属不是密堆积结构，没有最密排的晶面，因此滑移是在
几组较密排的面上进行，但滑移方向总是〈111〉。最基本的滑移面为 {110}，共有六个，滑移方向为〈111〉，每个滑移面上有两个滑移方向， 因此体心立方金属共具有12个滑移系。体心立方结构也可以在其它包含 〈111〉方向的{121}和{123}两组滑移面上进行，滑移系共48个。
材料的塑性变形与强化机制研究
材料的塑性变形与强化机制研究近年来，材料科学领域一直是工程学中重要的研究方向之一。
其中，材料的塑性变形与强化机制一直受到广泛关注。
本文旨在探讨材料的塑性变形过程以及其强化机制的研究进展。
一、引言材料的塑性变形与强化机制是指材料在外加载荷下，经历一系列不可逆的变形过程，从而使其形态、体积和位置发生变化的現象。
二、材料的塑性变形过程材料的塑性变形是指材料在外加载荷下，其原子、晶粒或颗粒的相互位移，从而引起塑性变形。
这个过程可以通过材料的应力-应变曲线来描述。
1. 应力-应变曲线材料经历弹性阶段、屈服阶段、渐塑阶段和断裂阶段等不同阶段的变形过程。
这些阶段在应力-应变曲线上呈现出特定的特征，如图1所示。
（插入图1：应力-应变曲线）2. 塑性变形的机制塑性变形的机制主要有滑移、蠕变和孪晶形变等。
（插入图2：滑移、蠕变和孪晶形变的示意图）a. 滑移滑移是指晶格面沿着晶体的滑移面滑动，导致晶体形态发生变化的过程。
滑移是材料塑性形变的主要机制，可以通过增加位错密度来增强材料的塑性。
b. 蠕变蠕变是指材料在高温和恶劣环境条件下，长时间加载引起的塑性变形。
蠕变是材料强度和稳定性的重要考虑因素，需要结构设计中加以考虑。
c. 孪晶形变孪晶形变是指晶体内部形成孪晶结构，导致材料形变的过程。
孪晶形变对材料的强化起到重要作用，特别是在高应变率的加载条件下。
三、材料的强化机制材料的强化机制是指通过添加合金元素、改变晶粒结构、控制位错密度等手段，提高材料的强度和韧性的过程。
1. 合金元素的添加合金元素的添加可以通过固溶强化、细化晶粒和形成相界等方式来提高材料的强度。
例如，铝合金中添加小量的锌、铜等元素，可以有效提高其抗拉强度。
2. 晶粒细化晶粒细化是指通过控制晶界运动和晶粒的生长，减小晶粒尺寸，从而提高材料的塑性和强度。
晶粒细化技术主要包括冶金学方法和力学方法。
3. 位错控制位错是材料中的微观缺陷，位错密度的变化可以对材料的力学性能产生重要影响。
塑性变形与强化
σ
n b 2
即形成裂纹。
裂纹形成时滑移面切应力分量为τc， 单向拉伸时τc=σ/2
切应变为
c i ( ) G
)d nb
σ
裂纹位错示意图
晶粒切应变位移：
(
c i
G
4G 形成裂纹时 f d
36
3.杂物边界形成裂纹理论（Smith理论）
（1） 模型 σ
铁素体（γp） 裂纹 晶 界 炭 化 物 （γc）
固溶体位错运动与溶质原子价有关约为弹性交互作用的1316化学交互作用约为弹性交互作用的110但其不随温度变化而变化在高温中十分重要2位错线上溶质原子偏聚效应3有序固溶强化位错在具有有序结构的固溶体中运动时因异类原子对构成的局部有序受到破坏增加了系统能量相当于反向畴界增加位错继续运动需要更高的能量起到强化作对于面心立方结构中的短程有序固溶体位错运动阻力可表示为
E：弹性模量； γ：切应变；G：剪切模量
3
3. 弹性模量影响因素 弹性模量主要取决于金属本性，与晶格类型和原子间距 密切相关。 过渡族金属Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co等弹性模量都很 大。 合金中固溶合金元素随可改变晶格常数，但对钢铁材料 改变不大。 热处理改变组织对弹性模量影响不大。
（1）加工硬化率明显高于单晶体，无第一阶段。
（2）加工硬化率高。
要使处于硬取向的滑移
系启动，必须增大外力；
塑性变形过程中各晶粒 内部运动位错的强烈交互 作用使位错塞积严重，晶 界处应力集中，硬化曲线 很陡，加工硬化率高。
应力，MN/mm2
伸长，%
32
4. 加工硬化作用及工程应用
（1）通过冷变形强化金属材料 是一些金属材料强化的重 要手段，如铜、铝、奥氏体不锈钢等。 通过拔丝、轧板、拉伸使金属材料在成型的同时，整 体强化。
塑变的主要机制
塑变的主要机制一、塑变的定义塑变（Plastic deformation）是指材料在外力作用下发生的永久性形变，而不恢复到原来的形态。
塑变是固体力学中的重要概念，也是材料工程和力学设计中的基础知识。
二、塑变的分类塑变可以分为弹性塑变和塑性塑变两种类型。
1. 弹性塑变：当外力作用消失后，材料能够恢复到原来的形态，不会发生永久性形变。
这种塑变主要是由于材料的弹性变形所引起的，其变形行为符合胡克定律。
2. 塑性塑变：当外力作用消失后，材料不能完全恢复到原来的形态，会发生永久性形变。
这种塑变主要是由于材料内部晶粒的滑移、位错的运动和塑性应变的积累所引起的。
三、塑变的机制塑变的机制主要包括滑移和扩散两种过程。
1. 滑移：滑移是材料中晶粒内部发生塑性变形的主要机制。
晶体中的原子通过沿着晶面的滑移面滑动，从而实现材料的塑性变形。
滑移的发生需要克服晶格间的位错阻力，因此材料的塑性塑变能力与位错密度有关。
2. 扩散：扩散是材料中原子的迁移过程，也是塑性变形的重要机制之一。
扩散可以使晶界发生滑移，从而引起材料的塑性变形。
扩散的速率受到温度、应力等因素的影响。
四、塑变在不同领域的应用塑变是材料工程中的重要研究方向，具有广泛的应用前景。
1. 金属加工：塑变是金属加工过程中的关键环节。
通过控制材料的塑变机制，可以实现金属的成形、锻造、轧制等加工工艺，制造出各种形状的零部件。
2. 材料强化：通过控制材料的塑变机制，可以实现材料的强化。
例如，通过晶界工程和位错控制，可以提高材料的强度和硬度。
3. 金属成型模具设计：塑变机制的研究对金属成型模具的设计和优化具有重要意义。
合理设计模具结构和选用适当的材料，可以提高模具的使用寿命和成形质量。
4. 塑性加工：塑变机制的研究对塑性加工过程的优化和控制具有重要意义。
通过研究材料的塑性变形行为，可以改善塑性加工的效率和成形质量。
总结：塑变是材料工程和力学设计中的重要概念，通过探索塑变的机制，可以实现材料的强化、金属加工的优化和塑性加工的控制。
材料科学基础-塑性材料的强化机制
弥散强化
奥罗万机制（位错绕过机制） · 使位错线弯曲到曲率半径为 R时， 所需的切应力为τ=Gb/（2R） 设颗粒间距为λ， 则τ=Gb/ λ ，∴ Rmin=λ/2 只有当外力大于Gb/ λ 时，位错线才能绕过粒子。·
切割机制 · 适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。
脆性材料的增韧
脆性是无机材料的特征。它间接地反映材
料较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度聚 变性。 脆性直接表现在:一旦受到临界的外加负荷， 材料的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的 后果。 脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统， 在受力状态下难于发生滑移使应力松弛。
改善材料韧性，提高材料强度
在一定的条件下，晶体中的滑移系统的数目及 其可动程度，都是物质本质结构所决定的， 材 料脆性的本质难以改变； 根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以 借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上 提高材料的韧性。
相变增韧
利用ZrO2四方相转变成ZrO2单斜相的马氏体相变 来实现增韧。
马氏体相变的特点：
相变前后无成分变化；
原子的配位不变；
原子的位移不超过一个原子间距；
无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近 似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大 2～3倍， 为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 相变伴随有体积变化------高温相向低温相转化引起 体积膨胀。 相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等） 的 影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温 度而不是一个特定的温度点。
微裂纹偏转增韧
增韧机制：
相变诱发微裂纹增韧 微裂纹分岔增韧。
裂纹尖端出现微裂纹 区时，将导致弹性能 的松弛和应力再分布。
减缓裂纹尖端的应力集中效应
C1-第二节塑性变形与强化机制
例如：自行车链条板(16Mn钢板) 原始厚度3.5mm 150HB 五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨时性晶粒变形的相互协调性晶界的强化作用处于有利位向软位向的晶粒先滑移处于不利位向硬位向的晶粒后滑移多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中它们的变形必然要与其它临近的晶粒相互协调配合
固溶强化机制
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
弥散强化机制
➢绕过机制：基体与中间相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力
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滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向进行—滑移系
2、孪生
孪生是切应力作用下晶体的一部分相对于另一部 分沿一定的晶面（孪生面）与晶向（孪生方向） 产生一角度的均匀切变过程。发生切变的区域称 为孪晶或孪晶带。 与滑移相似，孪生也是在切应力的作用下发生的， 但孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界 切应力，因此，只有在滑移很难进行的条件下， 晶体才发生孪生变形。孪生变形速度极快，常引 起冲击波，并伴随声响。
例如：自行车链条板(16Mn钢板) 原始厚度3.5mm 150HB 五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高它们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高它们的硬度和耐磨性的。
三、材料的强化机制
（一）固溶强化
通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度 硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化 （尺寸比较小的间隙原子引起的强化）和置换固溶强化（尺寸比较
大的置换原子引起的强化）。
例如: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由 220MPa提高到380~400MPa，硬度由44HBS升高到 70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若 按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化 效果，其塑性将接近完全丧失。
弹性交互作用
化学交互作用
电学交互作用
（二）细晶强化
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。
晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒的平 均直径 d(mm) 9.7 7.0 2.5 抗拉强度 b(MPa) 168 184 215 延伸率(%) 28.8 30.6 39.5
理论强度 晶须强度
强 度
非晶态金属 加工硬化态金属
退火态金属 位错密度
金属强度与位错 密度关系示意图
冷加工过程中，除了力学性能的变化，金属 材料的物理化学性能也有所改变。 例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，
给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使
电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系： σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。 式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力。
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足以使位错源开动，必 须增加外力。 生产中细化晶粒的方法: 1、加快凝固速度 2、变质处理（如纯铝铸锭） 3、振动和搅拌
根据第二相粒子的产生方式不同，第二相强化分为两类：
弥散强化：第二相微粒是借粉末冶金方法加入而起强化 作用。
沉淀强化（或时效强化）：通过过饱和固溶体的时效处 理而沉淀析出并产生强化。
不可变形的微粒的强化机制： 绕过机制：基体与第二相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错运动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。
第二节 塑性变形与强化机制
一、单晶体的塑性变形
1、滑移 当作用在位错上的切应力达到某一临界值时， 晶体的一部分将沿着一定的晶面（滑移面）和 一定的方向（滑移方向）发生相对的滑动，产 生了相对的位移。
滑移的特征 滑移只能在切应力 的作用下发生 滑移的结果： 使晶体表面产生台阶、滑移线、滑移带
不同加载方式发生塑性变形的 能力不同。拉伸、扭转、压缩 塑性变形能力依次增加。
二、多晶体的塑性变形
晶粒变形的不同时性 处于有利位向（软位向）的晶粒先滑移 处于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移 晶粒变形的相互协调性
多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之 中，它们的变形必然要与其它临近的晶粒相 互协调配合。
晶界的强化作用 晶界是滑移的障碍，晶界变形抗力较大
晶界多了能强化材料 ——细晶强化
细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善 材料的塑性和韧性。 因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多， 变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生， 以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而 引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可 能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面 收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。
Ti变质处理 未变质处理
（三）位错强化 1、概念
金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发 生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运 动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高 金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度 的方法称为位错强化。 金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
位错→
切应力
第二相颗粒
可变形微粒的强化机制：
切过机制：位错与颗粒之间的阻力较小时，直接切 过第二相颗粒，结果颗粒被切成上下两部分，并在切 割面上产生位移，颗粒与基体间的界面面积增大，需 要做功。并且，由于第二相与基体结构不同，位错扫 过小颗粒必然引起局部原子错排，这也会增加位错运 动的阻力，从而使金属强化。
2、加工硬化机制 金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
3、金属强度与位错密度有左图所示的关系 实验证明，金属强度 与位错密度有左图所 示的关系。退火态金 属的位错密度为 106~108/cm2 ，强度最 低，在此基础上增加 或降低位错密度，都 可有效提高金属强 度。加工硬化态金属 的位错密度为 1011~1012/cm2 。
固溶强化机制 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
新的界面
新的界面
小结
单晶体塑性变形
晶体滑移的特征：滑移是在切应力作用下发生；滑移 的结果使晶体表面形成台阶，产生滑移线、滑移带； 滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向进行；滑移 是由位错运动造成的。
多晶体塑性变形
具有不同时性和相互协调性；晶界具有强化作用。
四大强化方式及其强化机制
固溶强化、细晶强化、加工硬化、第二相强化
能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使 抗腐蚀性能降低。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（四）第二相强化
当第二相粒子以细小的颗粒弥散分布于基体相中时，可以有 效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用，这种由第二相粒 子引起的强化作用称之为第二相强化。 根据第二相与位错交互作用方式的不同，把第二相粒子分为 不可变形的和可变形的两类。