第三章 金属的塑性变形与再结晶

第三章　金属的塑性变形与再结晶

塑性变形是塑性加工（如锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等）的基础。大多数钢和有色金属及其合金都有一定的塑性，因此它们均可在热态或冷态下进行塑性加工。

塑性变形不仅可使金属获得一定形状和尺寸的零件、毛坯或型材，而且还会引起金属内部组织与结构的变化，使铸态金属的组织与性能得到改善。因此，研究塑性变形过程中的组织、结构与性能的变化规律，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料都具有重要意义。

第一节　金属的塑性变形

一、单晶体的塑性变形

单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。

1畅滑移

滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（即滑移面）发生相对的滑动。

滑移是金属塑性变形的主要方式。

图3－1　单晶体滑移示意图单晶体受拉伸时，外力F 作用在滑移面上的应力f 可分解为正

应力σ和切应力τ，如图３－１所示。正应力只使晶体产生弹性伸

长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断。切应力则使晶体产生弹

性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑

移。

图３－２所示为单晶体在切应力作用下的变形情况。单晶体未

受到外力作用时，原子处于平衡位置（图３－２ａ）。当切应力较小

时，晶格发生弹性歪扭（图３－２ｂ），若此时去除外力，则切应力消

失，晶格弹性歪扭也随之消失，晶体恢复到原始状态，即产生弹性变

形；若切应力继续增大到超过原子间的结合力，则在某个晶面两侧

的原子将发生相对滑移，滑移的距离为原子间距的整数倍（图３－２ｃ）。此时如果使切应力消失，晶格歪扭可以恢复，但已经滑移的原子不能回复到变形前的位置，即产生塑性变形（图３－２ｄ）；如果切应力继续增大，其他晶面上的原子也产生滑移，从而使晶体塑性变形继续下去。许多晶面上都发生滑移后就形成了单晶体的整体塑性变形。

一般，在各种晶体中，滑移并不是沿着任意的晶面和晶向发生的，而总是沿晶体中原子排列最紧密的晶面和该晶面上原子排列最紧密的晶向进行的。这是因为最密晶面间的面间距和最密晶向间的原子间距最大，因而原子结合力最弱，故在较小切应力作用下便能引起它们之间的相对

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图3－2　单晶体在切应力作用下的变形示意图

滑移。由图３－３可知，Ⅰ－Ⅰ晶面原子排列最紧密（原子间距小），面间距最大（a／２），面间结

合力最弱，故常沿这样的晶面发生滑移。而Ⅱ－Ⅱ晶面原子排列最稀（原子间距大），面间距较

小（a／２），面间结合力较强，故不易沿此面滑移。这同样也可解释为什么滑移总是沿滑移面（晶

面）上原子排列最紧密的方向进行。

上述的滑移是指滑移面上每个原子都同时移到与其相邻的另一个平衡位置上，即作刚性移

动。但是研究表明，滑移时并不是整个滑移面上的原子一起作刚性移动，而是通过晶体中的位错

线沿滑移面的移动实现。如图３－４所示，晶体在切应力作用下，位错线上面的两列原子向右微

量移动到“●”位置，位错线下面的一列原子向左微量移动到“●”位置，这样就使位错在滑移面上向右移动一个原子间距。在切应力作用下，位错继续向右移动到晶体表面上，就形成了一个原子

间距的滑移量（图３－５）。一个晶面产生的滑移量很小，很多晶面同时滑移积累起来就产生了一

定量的塑性变形。由于位错前进一个原子间距时，一起移动的原子数目并不多（只有位错中心少

数几个原子），而且它们的位移量都不大。因此，使位错沿滑移面移动所需的切应力不大。位错

的这种容易移动的特点，称为位错的易动性。可见，少量位错的存在，显著降低了金属的强度。

但当位错数目超过一定值时，随着位错密度的增加，强度、硬度逐渐增加，这是由于位错之间以及

位错与其他缺陷之间存在相互作用，使位错运动受阻，滑移所需切应力增加，金属强度升高。

图3－3　滑移面示意图图3－4　刃型位错运动时的原子2畅孪生

孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪

生方向）产生剪切变形（切变），如图３－６所示。产生切变的部分称为孪生带或孪晶。孪生的结43

图3－5　刃型位错移动产生滑移的示意图

果使孪生面两侧的晶体形成了镜面对称关系（镜面即孪生面

），孪生带中的晶格位向发生了变图3－6　孪生示意图（双点画线是晶格在变形前的位置）

化，孪生带两边外侧晶体的晶格位向没有变化。

孪生与滑移变形的主要区别是：孪生变形时，孪生

带中相邻原子面的相对位移为原子间距的分数值，且

晶体位向发生变化；而滑移变形时，滑移的距离是原子

间距的整数倍，晶体的位向不发生变化。孪生变形所

需的临界切应力比滑移变形的临界切应力大得多，例

如镁的孪生临界切应力为５～３５ＭＮ／ｍ２

，而滑移临界切应力为０．８３ＭＮ／ｍ２。因此，只有当滑移很难进行时，晶体才发生孪生。

二、多晶体的塑性变形

多晶体塑性变形的方式仍然是滑移和孪生。多晶

体中由于晶界的存在以及各晶粒位向不同，各晶粒在

外力作用下所受的应力状态和大小是不同的。因此，多晶体发生塑性变形时并不是所有晶粒同时进行滑移，而是随着外力的增加，晶粒有先有后，分期分批地进行滑移。在外力作用下，滑移面和滑移方向与外力呈４５°角的一些晶粒受力最大，称它为软位向。当滑移面与外力平行或垂直时，晶体不能产生滑移，称此位向为硬位向。软位向晶粒首先产生滑移，与此同时，硬位向晶粒受力后开始向软位向方向变化（转动），并随后也产生滑移。如此一批批地进行，直至全部晶粒都发生变形为止。由此可见，多晶体塑性变形过程比单晶体复杂得多，它不仅有晶内滑移，而且还有晶间的相对滑移。此外，由于晶粒的滑移面与外力作用方向并不完全一致，所以在滑移过程中，

必然会伴随晶粒的转动。

图3－7　由两个晶粒组成的金属试样在拉伸时的变形

由于各晶粒位向不同，且晶界上原子排列紊乱，并存在较多杂质，造成晶格畸变，因此金属在塑性变形时各个晶粒会互相牵制，互相阻碍，从而使滑移困

难，它必须克服这些阻力才能发生滑移。所以，在多晶体金属

中其滑移抗力比单晶体大，即多晶体金属强度高。这一规律

可通过由两个晶粒组成的金属及其在承受拉伸时的变形情况

显示出来。由图３－７可看出，在远离夹头和晶界处晶体变形

很明显，即变细了；在靠近晶界处，变形不明显，其截面基本保

持不变，出现了所谓的“竹节”现象。

一般，在室温下晶粒间结合力较强，比晶粒本身的强度5

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