第03章 金属材料的塑性变形

纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形 后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向(平行
纤维方向)上的强度尤其是塑性和韧性均比在横向(垂直
纤维方向)上的高。
为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制 造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力 方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向 垂直，并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使 纤维组织不被切断。 纤维组织的稳定性很高， 不能用热处理方法加以消 除，只有经过锻压使金属 变形，才能改变其方向和 形状。
增加外力, 从而使金属的
变形抗力提高。
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
细晶强化 强化原理
通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、 韧性提高的现象。
※ 晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑
移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多， 变形抗力越大，则强度越大。
※ 晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少
应力集中 晶粒越细小，晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传 播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。 ※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂 时需要消耗较大的功,因而韧性也较好。
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应用
最低再结晶温度 T再
纯金属 T再 =0.4 T熔 合金 T再 =（0.5 ~ 0.7）T熔 温度单位：绝对温度( K )
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℃。
• 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。
2、晶粒位向的影响 • 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。
•3. 晶界阻碍位错的运动
当位错运动到晶界附近 时，受到晶界的阻碍而堆 积起来,称位错的塞积。要 使变形继续进行, 则必须
黄铜中的孪晶
锌中的孪晶
金属材料塑性变形的实质：
金属塑性变形实质上是以滑移和孪生
两种形式通过位错运动来进行的。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许 多晶界，变形复杂。
2、多晶体的塑性变形
不均匀的塑性变形过程
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同， 且存在许多晶界，变形复杂。
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↑
形变强化
• 金属材料大量形变以后强度就会提高，具有
加工硬化的性能。
• 作用
提高材料的强度
使变形更均匀 防止材料偶然过载
• 不利方面
金属在加工过程中塑性变形抗力不 断增加，使金属的冷加工需要消耗 更多的功率 形变强化使金属变脆，因而在冷加 工过程中需要进行多次中间退火， 使金属软化，才能够继续加工
二、塑性变形后的金属在加热时组织和性能的 变化 • 金属经冷变形后, 组织处于
不稳定状态, 有自发恢复到稳 定状态的倾向。但在常温下， 原子扩散能力小,不稳定状态
可长时间维持。加热可使原
子扩散能力增加，金属将依
次发生回复、再结晶和晶粒
长大。
1) 回复
塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程 点缺陷大大↓，内应力显著↓ ，强度、硬度略有↓ 。 T回复=（0.25~０.3）T熔点（单位：K） 变化 回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降， 塑性略有增高，但残余应力大大降低。
热加工对组织和性能的影响
1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。 2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和 机械性能.
• 3）热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向
拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种 流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，
在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应
应用
工业上利用回复过程对变形金属进行去应力 退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。
2) 再结晶
变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能 力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成 新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程 称为再结晶 。 变化 再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低， 塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加 工硬化现象被消除。 工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再 结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的 塑性和韧性，以利于后面的变形加工。
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
3）晶粒长大 加热温度 T 和 加热时间 t ↑ → 晶界迁移、晶粒合并长大。
变形80%
变形80% 400℃退火8小时 工业纯铁 再结晶退火 显微照片 100× 变形80% 600℃退火8小时
三、金属材料的热加工和冷加工
1．热加工对组织和性能的影响
2．冷加工对组织和性能的影响
铁素体变形80%
650℃加热
670℃加热
a.黄铜变形量达38 ％后的组织 b.580℃保温3s c. .580℃保温4s d.580℃保温8s e.580℃保温15min f.700℃保温10min
影响再结晶退火后晶粒度的因素 • 1、加热温度和保温时间
• 加热温度越高，保温时间越
长，金属的晶粒越粗大，加热 温度的影响尤为显著。
引起破坏
• 限制
使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化
对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能
3、塑性变形对金属组织和性能的影响
（2）塑性变形对金属组织的影响
※ 形成纤维组织
※ 形成亚结构
※ 产生形变织构
金属纤维组织及其应用
铸锭在塑性加工中产生塑性变形时，基体金属的晶 粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生变形．它们将沿着 变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。
滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材 料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为 12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，
金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。
孪生
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）发生切变，产生塑性变形。
3、塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形对金属性能的影响
※ 产生加工硬化
如：冷轧薄钢板 冷拔钢丝等。
金属发生塑性变形,随冷变形程度的 增大，其强度和硬度显著提高，塑 性和韧性明显下降的现象。
※ 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。 ※ 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。
（1）加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一）
金属发生塑性变形时，外形发生变化，其内部的晶粒也相应地被拉 长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状。
变形10% 100×
变形40% 100×
工业纯铁不同变形度的显微组织
变形80% 纤维组织 100×
亚结构形成
• 位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位
向略有差异的亚晶粒。
变形织构
绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出 现各向异性。这种现象称织构或择优取向。
※ 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小 切应力大小不同。
※ 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶 体两部分沿滑移面作整体的滑动。 ※ 滑移造成的晶体总变形量是 原子间距的整数值，不引起晶格 位向的变化。 ※ 滑移总是沿着晶体中原子密 度最大的晶面和其上密度最大 的晶向进行。（滑移系） ※ 滑移时晶体伴随有转动。
(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。 正应力引起弹性变形及解 理断裂。 切应力的作用下金属晶体 产生塑性变形。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解
切 应 力 作 用 下 的 变 形
锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
单晶体的塑性变形
单晶体变形的基本形式 —— 弹性变形、塑性变形正 应力 使晶格发生 弹性变形 或 断裂 切应力 使晶格发生 弹性歪扭 或 塑性变形 塑性变形的实质 —— 原子移动到新的稳定位置
金属晶体中变形部分与 未变形部分在孪生面两 侧形成镜面对称关系。
发生孪生的部分（切变 部分）称为孪生带或孪 晶。
特点：
孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进 行时发生.
孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值. FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金 属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。
（1）丝织构
（2）板织构
变压器铁芯的硅钢片，沿〈100〉方向最易磁化，采用这种织
构的板材，铁损减小。
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
(3) 影响金属的物理、化学性能 (4) 产生残余内应力 • 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。
• 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力)。引起新的变形，降低
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。
滑 移
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（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生 滑动。
滑移的实现 —— 借助于位错运动
滑移
• 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
滑移的特点：
力方向一致。
锻造曲轴
切削加工曲轴
２．冷加工对组织和性能的影响
冷加工 —— 在 T再 以下温度进行的变形加工， 如低碳钢的冷拔、冷冲。 冷加工时，无再结晶过程
思考题：其原因是什么？
冷加工对金属组织和性能的影响：
※ 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。
是重要的强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重要。 但增加继续塑性变形的抗力。
再结晶退火温度对晶粒度的影响
•
2、预先变形度 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.
• 当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶. • 当变形达到2~10%时，只有部分晶粒变形，变形极
不均匀，再结晶晶 粒大小相差悬殊， 易互相吞并和长大, 再结晶后晶粒特别 粗大，这个变形度 称临界变形度。
3.4 塑性加工性能及影响因素
3.4.1 塑性加工性能及其指标
塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
3.4.2 塑性加工性能的影响因素
1．金属的本质：（1）化学成分的影响；(2)金属组织的影响 2．加工条件：(1)变形温度的影响 (2)变形速度的影响 (3)应力状态的影响
第三章 金属材料的塑性变形
压力加工方法示意图
• 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.
一、 金属的塑性变形
1．单晶体的塑性变形 2．多晶体的塑性变形
3．塑性变形对金属组织和性能的影响
一、 金属的塑性变形
冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划
分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再
结晶温度的加工称为热加工。
1．热加工对组织和性能的影响
热加工 —— 在 T再 以上温度进行的变形加工， 如钢 材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。
原因？
热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再 结晶过程的软化作用所消除。
精度。
• 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)。
引起开裂，产生微裂纹。
• 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。强化金属；耐蚀性降低。 (1)降低工件的承载能力 (2)使工件尺寸 残余应力的主要危害： 及形状发生变化(3)降低工件的耐蚀性
消除残余应力主要采用热处理方法 变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度