金属的塑性变形

第1节(每节、每课或连排2课时)

课题：塑性变形及冷塑性对金属组织性能的影响讲授节数2节

授课班级11-5高模具1 11-5高数控1 11-5高数控2 11-5高数控3 11-5高数控4 授课日期星期日/ 月星期日/ 月星期日/ 月星期日/ 月星期日/ 月教学目的要求：了解金属塑性变形的概念及变形的三个阶段特点；掌握单晶体的塑性变形过程及特点；掌握多晶体的塑性变形过程及其特点；理解冷塑性变形对金属组织的影响；掌握冷塑性变形对金属的力学性能影响。

教学重点：1、金属塑性变形的概念及变形的三个阶段特点；

2、单晶体的塑性变形过程及特点；

3、多晶体的塑性变形过程及其特点。

教学难点：1、冷塑性变形对金属组织的影响；

2、冷塑性变形对金属的力学性能影响；

3、加工硬化在生产中的影响。

作业布置：习题册一、1.2.3.4.5.6。

教具：图片数张、三角板一只。

教学过程转下页课后小结：通过今天的学习，我们对前面所学习过的金属的塑性有了进一步的理解。金属塑性变形在金属零件的加工过程中必不可少，正因为有了金属塑性变形才有了各种压力加工工艺，如冷冲压加工；而有的零件的加工更是离不开塑性变形硬化，如老师所骑自行车的链条片。所以学习金属的塑性变形及其对金属组织性能的影响是必要的

在工业生产中，经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金铸锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工(图3—1)，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。金属材料经压力加工后，不仅改变了外形尺寸，而且改变了内部组织和性能。因此，研究金属的塑性变形，对于选择金属材料的加工工艺、提高生产率、改善产品质量、合理使用材料等均有重要的意义。

图3—1 压力加工方法示意图

a)轧制 b)挤压 c)冷拔 d)锻造 e)冷冲压

3.1.1 金属的塑性变形

金属在外力(载荷)的作用下，首先发生弹性变形，载荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，还发生塑性变形，即弹塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐渐增大，直至金属发生断裂。即金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂三个连续的阶段。

弹性变形的本质是外力克服了原子间的作用力，使原子间距发生改变。当外力消除后，原子间的作用力又使它们回到原来的平衡位置，使金属恢复到原来的形状。金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。

塑性变形后金属的组织和性能发生变化。塑性变形较弹性变形复杂得多，下面先来分析单晶体的塑性变形。

3.1.2 单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。由图3—2可见，要使某一晶面滑动，作用在该晶面上的力必须是相互平行、方向相反的切应力(垂直该晶面的正应力只能引起伸长或收缩)，而且切应力必须达到一定值，滑移才能进行。当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形(图3—2d)。许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形，图3—3为锌单晶体滑移变形时的情况。

图3-2 晶体在切应力作用力的变形

a)未变形 b）弹性变形 c）弹、塑性变形 d）塑性变形

图3-3 锌单晶体滑移变形示意图

a)拉伸 b)压缩

研究表明，滑移优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。不同晶格类型的金属，其滑移面和滑移方向的数目是不同的，一般来说，滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。理论及实践证明，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动，因为那么多原子同时移动，需要克服的滑移阻力十分巨大(据计算比实际大得多)。实际上滑移是借助位错的移动来实现的，如图3—4所示。位错的原子面受到前后两边原子的排斥，处于不稳定的平衡位置。只须加上很小的力就能打破力的平衡，使位错前进一个原子间距。在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面，就形成了一个原子间距的滑移量，如图3—5所示。大量位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。按上述理论求得位错的滑移阻力与实验值基本相符，证实了位错理论的正确

图3-4 错位的运动图3-5 通过位错运动产生滑移的示意图3.1.3 多晶体的塑性变形

常用金属材料都是多晶体。多晶体中各相邻晶粒的位向不同，并且各晶粒之间由晶界相连接，因此，多晶体的塑性变形主要具有下列一些特点：1．晶粒位向的影响

由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时，受到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀形式，其结果之一就是产生内应力。

2．晶界的作用

晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。图3—6所示是一个只包含两个晶粒的试样经受拉伸时的变形情况。由图可见，试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓的“竹节”现象。这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。很显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。

图3—6 两个晶粒试样在拉伸时的变形

a)变形前 b)变形后

3．晶粒大小的影响

在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性和韧性也较好。因为晶粒越细，在同样变形条件下，变形量可分散在更

多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在少数晶粒上，使其变形严重。另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。由于细晶粒金属具有较好的强度、塑性和韧性，故生产中总是尽可能地细化晶粒。

3.1.4 冷塑性变形对金属组织和性能的影

1．塑性变形对金属组织的影响

金属发生塑性变形，不仅外形发生变化，而且内部的晶粒被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清，如下图所示。塑性变形使晶粒破碎成亚晶粒。

2．塑性变形对金属性能的影响

金属发生冷塑性变形后，随塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。冷塑形变形金属产生加工硬化的原因。由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一。尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。

3．残余应力

内应力是指平衡于金属内部的应力，它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。内应力的存在，使金属的耐蚀性降低，引起零件在加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。

4. 冷变形强化在生产中的影响

（1）冷变形强化可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。例如纯金属、