第三章金属材料的塑性变形优秀课件
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发生切变的部分称孪生带或孪 晶，沿其发生孪生的晶面称孪 生面。
孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
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（滑移
是原子间距的整数倍）。
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。
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临 界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
c
Fcoscos
A
取向因子
最先达到c的滑移系先开始滑移 滑移时
3) 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
4)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.
韧性断口
2、滑移的机理
把滑移设想为刚性整体滑动——滑移面上每一个原子都同时移 到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有 原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个 数量级。
只有在切应力的作用下金属晶体 才能产生塑性变形。
塑性变形的实质是：在应力的作 用下，材料内部原子相邻关系已 经发生改变，故外力去除后，原 子到了另一平衡位置，物体将留 下永久变形。
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力
外
力
分 解
在 晶 面
切 应 力 作 用
锌 单 晶 的 拉 伸
上
下
照
的
的
片
变
形
塑性变形的形式：滑移和孪生 金属常以滑移方式发生塑性变形
3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点
单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。
（1）不均匀的塑性变形
多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。
在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上
的分切应力不同，只有一些达到临界切应
硬
力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的
位 向
相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或
相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移 系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另
第三章金属材料的塑性变 形
3.1单晶体和多晶体的塑性变形
3.1.1 单晶体的塑性变形 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点
3.1.1 单晶体的
P
塑性变形
P
单晶体受力后，外力在任何晶面
上都可分解为正应力（垂直晶 P
面）和切应力（平行晶面） 。
正应力只能引起弹性变形,当超过
P
原子间结合力时，晶体断裂。
3.2.1 形变强化现象 3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响 3.2.3 塑性变形产生的残余应力
3.2.1 形变强化现象
金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化 ，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其 塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称 为加工硬化或冷作硬化。
晶粒大小对塑性变形的影响
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，另外，一定的变形量由更多晶粒分散 承担，不会造成局部的应力集中，使在断裂前发生 较大的塑性变形，强度和塑性同时增加，金属在断 裂前消耗的功也大，因而其韧性也较好。
3.2 金属的形变强化
金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。
加工硬化的原因 塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大 → 变形抗力↑
3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响
（1）对组织结构的影响
1）组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的 等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材 料产生各向异性。
(1) 滑移
滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶 体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一 部分发生滑动位移的现象。在应力去除后， 位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹
1、滑移变形的特点
1) 滑移只能在切应力的 作用下发生。
2) 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。
这种弹性变形便成 为塑性变形晶粒的 变形阻力。 由于晶粒间的这种 相互约束，使得多 晶体金属的塑性变 形抗力提高。
（3）晶界的影响
当位错运动到晶界附近时， 受到晶界的阻碍而堆积起 来，称位错的塞积。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。
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
刃位错的运动
晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动， 它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象 称作位错的易动性。
滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密 度增大
(2） 孪生
孪生是指晶体的一部分 沿一定晶面和晶向相对 于另一部分所发生的切 变，发生在滑移系较少 或滑移受限制情况下。
Leabharlann Baidu
软 位
一些原来不能启动的滑移系开动，进而使
向
整个晶体的塑性变形协调发展。
晶粒所处的位向为易滑移的位向称为 “软位向” 反之谓“硬位向”。先发 生于软位向晶粒，然后到硬位向。
（2）晶粒位向差阻碍滑移
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变 形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发 生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。
沿其发生滑移的晶面叫做滑移面； 沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向； 它们通常是晶体中的密排面和密排方向。
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
6
FCC
金属的塑性：fcc＞bcc＞chp
哪个滑移系先滑移？
利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上 应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不 能用热处理强化的合金，这种方法格外重要。
冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电 阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、 表面质量好，但塑性下降，进一步加工困难。
加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）
孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
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（滑移
是原子间距的整数倍）。
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。
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临 界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
c
Fcoscos
A
取向因子
最先达到c的滑移系先开始滑移 滑移时
3) 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
4)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.
韧性断口
2、滑移的机理
把滑移设想为刚性整体滑动——滑移面上每一个原子都同时移 到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有 原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个 数量级。
只有在切应力的作用下金属晶体 才能产生塑性变形。
塑性变形的实质是：在应力的作 用下，材料内部原子相邻关系已 经发生改变，故外力去除后，原 子到了另一平衡位置，物体将留 下永久变形。
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力
外
力
分 解
在 晶 面
切 应 力 作 用
锌 单 晶 的 拉 伸
上
下
照
的
的
片
变
形
塑性变形的形式：滑移和孪生 金属常以滑移方式发生塑性变形
3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点
单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。
（1）不均匀的塑性变形
多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。
在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上
的分切应力不同，只有一些达到临界切应
硬
力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的
位 向
相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或
相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移 系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另
第三章金属材料的塑性变 形
3.1单晶体和多晶体的塑性变形
3.1.1 单晶体的塑性变形 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点
3.1.1 单晶体的
P
塑性变形
P
单晶体受力后，外力在任何晶面
上都可分解为正应力（垂直晶 P
面）和切应力（平行晶面） 。
正应力只能引起弹性变形,当超过
P
原子间结合力时，晶体断裂。
3.2.1 形变强化现象 3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响 3.2.3 塑性变形产生的残余应力
3.2.1 形变强化现象
金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化 ，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其 塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称 为加工硬化或冷作硬化。
晶粒大小对塑性变形的影响
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，另外，一定的变形量由更多晶粒分散 承担，不会造成局部的应力集中，使在断裂前发生 较大的塑性变形，强度和塑性同时增加，金属在断 裂前消耗的功也大，因而其韧性也较好。
3.2 金属的形变强化
金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。
加工硬化的原因 塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大 → 变形抗力↑
3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响
（1）对组织结构的影响
1）组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的 等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材 料产生各向异性。
(1) 滑移
滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶 体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一 部分发生滑动位移的现象。在应力去除后， 位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹
1、滑移变形的特点
1) 滑移只能在切应力的 作用下发生。
2) 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。
这种弹性变形便成 为塑性变形晶粒的 变形阻力。 由于晶粒间的这种 相互约束，使得多 晶体金属的塑性变 形抗力提高。
（3）晶界的影响
当位错运动到晶界附近时， 受到晶界的阻碍而堆积起 来，称位错的塞积。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。
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
刃位错的运动
晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动， 它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象 称作位错的易动性。
滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密 度增大
(2） 孪生
孪生是指晶体的一部分 沿一定晶面和晶向相对 于另一部分所发生的切 变，发生在滑移系较少 或滑移受限制情况下。
Leabharlann Baidu
软 位
一些原来不能启动的滑移系开动，进而使
向
整个晶体的塑性变形协调发展。
晶粒所处的位向为易滑移的位向称为 “软位向” 反之谓“硬位向”。先发 生于软位向晶粒，然后到硬位向。
（2）晶粒位向差阻碍滑移
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变 形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发 生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。
沿其发生滑移的晶面叫做滑移面； 沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向； 它们通常是晶体中的密排面和密排方向。
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
6
FCC
金属的塑性：fcc＞bcc＞chp
哪个滑移系先滑移？
利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上 应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不 能用热处理强化的合金，这种方法格外重要。
冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电 阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、 表面质量好，但塑性下降，进一步加工困难。
加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）