第5章-金属的塑性变形

第四章 金属的塑性变形
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，有助于发挥金属的性能潜力，正 确确定加工工艺
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶 金属的热塑性变形
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第一节 单晶体的塑性变形 一、单晶体纯金属的塑性变形
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。
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孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
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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。
硬 位 向 软 位 向
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。另一
些原来不能启动的滑移系开动，进而使整
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。
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冷变形奥氏体不锈钢 加热时的再结晶形核
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由于再结晶后组织的复
原，因而金属的强度、 硬度下降，塑性、韧性 提高，加工硬化消失。
冷变形(变形量为38%)黄铜580º C 保温15分后的的再结晶组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化37
再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的 最低温度称再结晶温度。
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 （垂直晶 面）和切应力（平行晶面） 。
正应力只能引起弹性变形 ,当超过 原子间结合力时，晶体断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体 才能产生塑性变形。
P


P P
外 力 分在 解晶 面 上 的
切 应 力 作 用 下 的 变 形
生产中把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再 结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。
黄铜580º C保温8秒后的组织
黄铜580º C保温15分后的组织
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3. 晶粒长大
再结晶完成后，若继续升高 温度或延长保温时间，将发 生晶粒长大，这是一个自发 的过程。
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
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3、残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力 时, 内部变形不均匀而引起的。
金属发生塑性变形时，外力所做的功只有 10% 转化 为内应力残留于金属中。
晶界位错塞积所 引起的应力集中
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第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。
第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 (微观内应力)。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。 第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属 强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度 降低。
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。
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。
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3、晶界的影响 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
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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
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㈡ 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。
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三、塑性变形对组织、性能的影响
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。
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2）、亚晶粒的增多：变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错产 生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略 有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。
当位错运动到晶界附近时，
加外力，从而使金属的变
形抗力提高。
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晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
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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。
580º C保温3秒后的组织
580º C保温4秒后的组织
580º C保温8秒后的组织
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冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶
影响再结晶温度的因素
1）、金属的预先变形程度 金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度 达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低 再结晶温度。
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
铜拉伸试样表面滑移带
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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.
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韧性断口
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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。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个 晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70% 以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致， 形成了“择优取向”，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明 显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构， 它使金属材料表现出明显的各向异性。 24
内应力的存在，使金属耐蚀性下降；引起零件加工、 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。
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四、变形后金属的加热变化 (回复与再结晶 )
引言
金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错 增多，内应力升高等现象，他们会引起 材料体系能量提高，处于一个高能亚稳 态，有向低能态转变的倾向。
由于晶粒的转动，当 塑性变形达到一定程 度时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致，这 种现象称织构或择优 取向。
丝织构
板织构
形变织构示意图
形变织构使金属呈现各向 异性，在深冲零件时，易 产生“制耳”现象，使零
件边缘不齐、厚薄不匀。
无 有
但织构可提高硅钢片的导 磁率。
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各向异性导致的铜板 “制耳”
宏观应力（第一类应力）基本消除， 但微观应力（第二、第三类）仍然残 存。

力学性质，如强度、硬度（略下降）和 塑性（略升高）没有明显变化。
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2. 再结晶
当变形金属被加热到较高温度时， 由于原子活动能力增大，晶粒的 形状开始发生变化，在亚晶界或 晶界处形成了新的结晶核心，并 不断以等轴晶形式生长，取代被 拉长及破碎的旧晶粒，这一过程 称为再结晶。 这种冷变形组织在加热时重新彻 底改组的过程称再结晶。
位错密度与强度关系
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2. 随变形量增加，亚结构细化；
3. 随变形量增加，空位密度增加；
4. 几何硬化：由晶粒转动引起。
加工硬化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。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，对于不能热
处理强化的金属和合金尤为重要。
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力
P

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。
锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
3
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 ㈠ 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
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6
FCC
金属的塑性：fcc＞bcc＞chp
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哪个滑移系先滑移？
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。
F c cos cos A
取向因子
最先达到c的滑移系先开始滑移 滑移时
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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。
Small angle grain boundary
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2.对力学性能的影响 1）加工硬化
随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性 下降的现象称加工硬化。
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产生加工硬化的原因
1、随变形量增加, 位错密度增加.
未变形纯铁
变形20%纯铁中的位错
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由于位错之间的交互作用 (堆积、缠结)，使变形抗力增加，塑 性降，强度、硬度升高.
T再与ε的关系
如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
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2）、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素， 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著 提高。
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3）、再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；
延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。
加热促使转变进行
在加热过程中，形变了的材料会发生回 复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右 图所示 。
回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应 地,材料的结构和性能也发生对应变化。
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1、回复
1）、回复概念
经冷加工的材料在较低的温度保温， 这时材料发生点缺 陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。 利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保 留了加工硬化效果的方法为去应力退火 2）、回复引起材料组织和性能变化
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。
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二、多晶体纯金属的塑性变形
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力 的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相
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1、滑移变形的特点
⑴ 滑移只能在切应力的 作用下发生。
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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。
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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。
黄 铜 再 结 晶 后 晶 粒 的 长 大
700º C保温10分后的组织
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晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒 的过程。 1．长大驱动力
再结晶完成后，金属获得均 匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因 为长大有利于减少界面，降低界面能。 这种自由能的降低即为晶粒长大的驱 动力。
铁素体变形80%
650℃加热
670℃加热
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再结晶也是一个晶核形成和长大的 过程，但不是相变过程，再结晶前 后新旧晶粒的晶格类型和成分完全 相同。核心出现在位错聚集的地方， 原子能量最高，最不稳定。它只是 一个形态上的变化。新晶粒中缺陷 减少，内应力消失了 。
SEM-再结晶晶粒在原变 形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核于 高密度位错基体上
在应力低于弹性极限σ e时， 材料发生的变形为弹性变形； 应力在σ e到σ b之间将发生的变 形为均匀塑性变形；在σ b之后 将发生颈缩；在K点发生断裂。
s e
弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位 置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长 (缩短)或歪扭。 原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可 2 以使变形完全恢复。