第三章金屬材料的塑性變形

1、工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)（3） 第三章第三章 材料的變形材料的變形變形；變形； 彈性變形；彈性變形； 塑性變形塑性變形 第一節(jié)第一節(jié) 單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形：滑移，孿生金屬單晶體的塑性變形：滑移，孿生1 1、滑移：晶體中一部分相對(duì)于另一部分沿一定、滑移：晶體中一部分相對(duì)于另一部分沿一定 的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整體切向滑移。作整體切向滑移。（晶內(nèi)滑移）（晶內(nèi)滑移）塑性變形的滑移帶和滑移線實(shí)驗(yàn)觀察塑性變形的滑移帶和滑移線實(shí)驗(yàn)觀察滑移帶滑移帶滑移線滑移線1.1.外力

2、作用的塑變，是原子平面間發(fā)生相對(duì)切向滑動(dòng)。外力作用的塑變，是原子平面間發(fā)生相對(duì)切向滑動(dòng)。2.2.變形只在少數(shù)晶面間發(fā)生切向滑動(dòng)，即金屬塑變相當(dāng)變形只在少數(shù)晶面間發(fā)生切向滑動(dòng)，即金屬塑變相當(dāng)不均勻不均勻依靠晶體整體滑移的塑性變形模型依靠晶體整體滑移的塑性變形模型塑性變形依靠晶體整體滑移非常困難，因?yàn)樗苄宰冃我揽烤w整體滑移非常困難，因?yàn)槠湫枰泼鎯蓚?cè)晶體的原子間鍵合幾乎全其需要滑移面兩側(cè)晶體的原子間鍵合幾乎全部同時(shí)斷開(kāi)。部同時(shí)斷開(kāi)?；泼婊泼嫒行臀诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使塑性變形容易位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使塑性變形容易參與變形的位錯(cuò)越多，變形越大

3、。參與變形的位錯(cuò)越多，變形越大。螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型混合型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移混合型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型晶體的滑移塑性變形位錯(cuò)機(jī)制晶體的滑移塑性變形位錯(cuò)機(jī)制晶體的滑移塑性變形晶體的滑移塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形滑移面（面間結(jié)合力最小的晶面）滑移面（面間結(jié)合力最小的晶面）實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)論實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)論：（1 1）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向

4、變形）引起。變形）引起。（2 2）微觀滑移發(fā)生在晶體中確定的晶面（滑移面）微觀滑移發(fā)生在晶體中確定的晶面（滑移面） 和確定的晶向（滑移方向）上（合稱為滑移和確定的晶向（滑移方向）上（合稱為滑移 系）系）?；泼婊泼妫芘琶妫芘琶妫┗泼嫔系幕泼嫔系幕品较颍芘乓品较颍芘啪颍┚颍┗扑苄宰冃蔚奶卣骰扑苄宰冃蔚奶卣? :（1 1）滑移是）滑移是位錯(cuò)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)所致。所致。（2 2）存在滑移臨界分）存在滑移臨界分切應(yīng)力切應(yīng)力( (其大小影響材料屈其大小影響材料屈 服強(qiáng)度服強(qiáng)度),),不同晶體結(jié)構(gòu)臨界分切應(yīng)力不同。不同晶體結(jié)構(gòu)臨界分切應(yīng)力不同。（3 3）原子移動(dòng)的距離是

5、）原子移動(dòng)的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍晶格常數(shù)的整數(shù)倍，滑移，滑移 后仍保持后仍保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性。晶體結(jié)構(gòu)的完整性。（3 3）滑移發(fā)生在晶體的）滑移發(fā)生在晶體的密排晶面密排晶面和和密排晶向密排晶向上。上。（4 4）不同的晶體結(jié)構(gòu)常具有不同的滑移系（面心）不同的晶體結(jié)構(gòu)常具有不同的滑移系（面心 和體心：和體心：1212個(gè)；密排六方：個(gè)；密排六方：3 3個(gè)），滑移系個(gè)），滑移系 越多，越易塑性變形，塑性越好。越多，越易塑性變形，塑性越好。密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖研究結(jié)論研究結(jié)論：阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將提高材料屈服強(qiáng)度：阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將提

6、高材料屈服強(qiáng)度。體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖2 2、孿生孿生：晶體中一部分相對(duì)于：晶體中一部分相對(duì)于另一部分沿特定的晶面（孿生面）另一部分沿特定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向和晶向（孿生方向) )產(chǎn)生一定角產(chǎn)生一定角度的切變度的切變。 孿晶孿晶鏡面對(duì)稱鏡面對(duì)稱孿生的發(fā)生：晶體結(jié)構(gòu)；孿生的發(fā)生：晶體結(jié)構(gòu)； 變形溫度；變形溫度； 變形速度變形速度二、多晶體塑性變形特點(diǎn)二、多晶體塑性變形特點(diǎn)（眾多晶粒+晶界）1 1、晶粒取向的影響、晶粒取向的影響 使微觀塑性變形不均勻和更復(fù)雜。使微觀塑性變形不均勻和更復(fù)雜。F FF F晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻（1 1）取向不

7、同，滑移所需）取向不同，滑移所需分分不同：硬取向，軟取向不同：硬取向，軟取向（2 2）各晶粒都滿足）各晶粒都滿足臨界臨界后，每晶粒各自沿自己滑移系后，每晶粒各自沿自己滑移系滑移，又要保持金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。滑移，又要保持金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。相互協(xié)調(diào)相互協(xié)調(diào) 相同外力，多晶體比單晶體塑變量小，變形抗力大相同外力，多晶體比單晶體塑變量小，變形抗力大2 2、晶界的影響、晶界的影響（1 1）阻礙位錯(cuò)滑移）阻礙位錯(cuò)滑移 故細(xì)化晶粒故細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度：s s =0 0 + kd + kd-1/2-1/2。晶界晶界滑移面滑移面位錯(cuò)位錯(cuò)純鐵純鐵（2 2）使微觀塑性變形）使微觀塑性變形更為均勻，推遲斷裂發(fā)更

8、為均勻，推遲斷裂發(fā)生，生， 改善材料塑性、改善材料塑性、韌性。韌性。 原因：原因： 在一定在一定作用下，當(dāng)總的變形量一定時(shí)，晶作用下，當(dāng)總的變形量一定時(shí)，晶粒細(xì)，粒細(xì)，位錯(cuò)可在更多的晶粒中運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)可在更多的晶粒中運(yùn)動(dòng)塑變更均勻塑變更均勻不易應(yīng)力集中不易應(yīng)力集中強(qiáng)度，強(qiáng)度，塑韌性塑韌性三三. .合金的塑性變形合金的塑性變形n不易變形的第二相不易變形的第二相 數(shù)量多，粒徑小，阻礙位錯(cuò)作用強(qiáng)數(shù)量多，粒徑小，阻礙位錯(cuò)作用強(qiáng)n易變性的第二相易變性的第二相數(shù)量多，粒徑大，阻礙位錯(cuò)作用強(qiáng)數(shù)量多，粒徑大，阻礙位錯(cuò)作用強(qiáng)第二相強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，析出強(qiáng)化第二相強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，析出強(qiáng)化第二節(jié)第二節(jié) 金屬的形變強(qiáng)化金屬

9、的形變強(qiáng)化一、形變強(qiáng)化（加工硬化）一、形變強(qiáng)化（加工硬化）1 1、冷變形（冷加工）后晶體內(nèi)部組織的變化、冷變形（冷加工）后晶體內(nèi)部組織的變化（1 1）晶粒碎化，點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)密度增大晶粒碎化，點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)密度增大。內(nèi)部。內(nèi)部 能量增大（儲(chǔ)存了部分形變能）。能量增大（儲(chǔ)存了部分形變能）。變形金屬中位錯(cuò)胞變形金屬中位錯(cuò)胞位錯(cuò)密集區(qū)位錯(cuò)密集區(qū)（2 2）變形量很大時(shí)，晶粒拉長(zhǎng)，出現(xiàn)）變形量很大時(shí)，晶粒拉長(zhǎng)，出現(xiàn)纖維組織纖維組織， 晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)形成晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)形成織構(gòu)織構(gòu)（擇優(yōu)取向）（擇優(yōu)取向），產(chǎn)生各向，產(chǎn)生各向異性異性。等軸晶等軸晶沿變形方向沿變形方向晶粒拉長(zhǎng)晶粒拉長(zhǎng) 變形前變形前 變形后變形后 塑性變形量很

10、大時(shí)會(huì)使各個(gè)晶粒塑性變形量很大時(shí)會(huì)使各個(gè)晶粒的取向基本一致而產(chǎn)生的取向基本一致而產(chǎn)生“織構(gòu)織構(gòu)”并并造成造成各向異性各向異性?？棙?gòu)：晶?？臻g取向趨于一致的組織狀態(tài)織構(gòu)：晶粒空間取向趨于一致的組織狀態(tài)。2 2、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化 產(chǎn)生形變強(qiáng)化，電阻率上升，耐蝕性下降。產(chǎn)生形變強(qiáng)化，電阻率上升，耐蝕性下降。 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強(qiáng)：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強(qiáng) 度不斷提高，塑性不斷下降的現(xiàn)象度不斷提高，塑性不斷下降的現(xiàn)象。原因：位錯(cuò)纏結(jié)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，軟取向原因：位錯(cuò)纏結(jié)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，軟取向硬取向硬取向。sbHBHB

11、塑性變形量塑性變形量塑性變形對(duì)塑性變形對(duì)30號(hào)號(hào)鋼力學(xué)性能的影鋼力學(xué)性能的影響響性性能能指指標(biāo)標(biāo)形變強(qiáng)化廣泛應(yīng)用于工業(yè)中形變強(qiáng)化廣泛應(yīng)用于工業(yè)中 古代古代 現(xiàn)代現(xiàn)代3 3、形變后的殘余應(yīng)力（分三類殘余應(yīng)力）。、形變后的殘余應(yīng)力（分三類殘余應(yīng)力）。（1 1）宏觀殘余應(yīng)力宏觀殘余應(yīng)力（第一類殘余應(yīng)力）（第一類殘余應(yīng)力） 因材料各部分之間塑性變形不均而產(chǎn)生。因材料各部分之間塑性變形不均而產(chǎn)生。心部變形大心部變形大摩擦力使表摩擦力使表層變形小層變形小拔絲模具拔絲模具金屬材料金屬材料拉拔力拉拔力金屬拔絲示意圖金屬拔絲示意圖金屬拔絲變形后殘余應(yīng)力金屬拔絲變形后殘余應(yīng)力金屬?gòu)澢冃魏髿堄鄳?yīng)力金屬?gòu)澢冃魏髿?/p>

12、余應(yīng)力（2 2）微觀殘余應(yīng)力微觀殘余應(yīng)力（第二類殘余應(yīng)力）（第二類殘余應(yīng)力） 因晶粒之間塑性變形不均而產(chǎn)生。因晶粒之間塑性變形不均而產(chǎn)生。（3 3）晶格畸變殘余應(yīng)力晶格畸變殘余應(yīng)力（第三類殘余應(yīng)力）（第三類殘余應(yīng)力） 因晶粒內(nèi)部位錯(cuò)等造成晶格畸變而產(chǎn)生。因晶粒內(nèi)部位錯(cuò)等造成晶格畸變而產(chǎn)生。晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻產(chǎn)生第二類殘余應(yīng)力產(chǎn)生第二類殘余應(yīng)力變形金屬晶粒中位錯(cuò)胞變形金屬晶粒中位錯(cuò)胞產(chǎn)生第三類殘余應(yīng)力產(chǎn)生第三類殘余應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)l 殘余應(yīng)力危害：減低工件承載能力；使工件殘余應(yīng)力危害：減低工件承載能力；使工件 尺寸、形狀變化；降低工件耐蝕性。尺寸、形狀變化；降低工件

13、耐蝕性。殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力表層殘余壓應(yīng)力表層殘余壓應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力與外加應(yīng)力疊加殘余拉應(yīng)力與外加應(yīng)力疊加殘余壓應(yīng)力抵消部分外加應(yīng)力殘余壓應(yīng)力抵消部分外加應(yīng)力ll殘余應(yīng)力利用：表面壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。殘余應(yīng)力利用：表面壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。4 4 各向異性各向異性 力學(xué)性能，物理性能5 5 物理化學(xué)變化物理化學(xué)變化 密度，電阻，耐腐蝕性冷變形 提高承載能力，獲得尺寸精度和表面質(zhì)量 冷變形工序間需要熱處理消除加工硬化（儲(chǔ)存能） 第三節(jié)第三節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的變化冷變形金屬在加熱時(shí)的變化 一、一、 回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大冷變形金

14、屬在加熱時(shí)經(jīng)歷三個(gè)變化階段：冷變形金屬在加熱時(shí)經(jīng)歷三個(gè)變化階段：加熱時(shí)組織變化：加熱時(shí)組織變化：回復(fù)回復(fù)晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶再結(jié)晶通過(guò)控制加熱溫度和保溫時(shí)間通過(guò)控制加熱溫度和保溫時(shí)間加熱時(shí)金屬性能變化加熱時(shí)金屬性能變化：回復(fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大溫度溫度性能及其他指標(biāo)性能及其他指標(biāo)與加工硬化過(guò)程相反與加工硬化過(guò)程相反1 1、回復(fù)、回復(fù)l加熱溫度加熱溫度：T T回回= =（0.250.250.30.3）T T熔熔（K K）l組織、性能變化組織、性能變化：點(diǎn)缺陷密度減少：離位原子與空位復(fù)合點(diǎn)缺陷密度減少：離位原子與空位復(fù)合位錯(cuò)呈較規(guī)則排列：高密度位錯(cuò)短程運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)呈較規(guī)則排列：高密度位錯(cuò)

15、短程運(yùn)動(dòng)殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力明顯下降明顯下降: :引起引起強(qiáng)、硬略有下降。強(qiáng)、硬略有下降。（加工硬化效果依然存在）（加工硬化效果依然存在）電阻率下降。電阻率下降。l回復(fù)驅(qū)動(dòng)力回復(fù)驅(qū)動(dòng)力：冷變形儲(chǔ)存能的下降：冷變形儲(chǔ)存能的下降 應(yīng)用應(yīng)用：去應(yīng)力退火：去應(yīng)力退火2 2、再結(jié)晶再結(jié)晶l再結(jié)晶再結(jié)晶：高溫加熱冷變形金屬（再結(jié)晶退火），：高溫加熱冷變形金屬（再結(jié)晶退火）， 使其形成無(wú)畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶使其形成無(wú)畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶 粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)的過(guò)程。粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)的過(guò)程。l組織、性能變化組織、性能變化：位錯(cuò)密度明顯降低，變形晶粒：位錯(cuò)密度明顯降低，變

16、形晶粒 變?yōu)榈容S晶粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)變?yōu)榈容S晶粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)。l最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度：能發(fā)生再結(jié)晶的最低加熱溫度：能發(fā)生再結(jié)晶的最低加熱溫度 經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：T T再再=0.4 T=0.4 T熔熔（K K）l再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力：冷變形儲(chǔ)存能釋放：冷變形儲(chǔ)存能釋放 應(yīng)用應(yīng)用：再結(jié)晶退火：再結(jié)晶退火3 3、再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大、再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大再結(jié)晶結(jié)束后繼續(xù)保溫，晶粒將進(jìn)一步長(zhǎng)大。再結(jié)晶結(jié)束后繼續(xù)保溫，晶粒將進(jìn)一步長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力：晶界總面積減少導(dǎo)致的晶界：晶界總面積減少導(dǎo)致的晶界 能下降。能下降。二、冷變形（加工）與熱變形（加工）

17、二、冷變形（加工）與熱變形（加工）冷變形冷變形：在：在再結(jié)晶溫度以下再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。進(jìn)行的塑性變形。冷變形特點(diǎn)：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、冷變形特點(diǎn)：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、 精度高。精度高。（靜液擠壓，等靜角擠壓） 熱變形熱變形：在：在再結(jié)晶溫度以上再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。進(jìn)行的塑性變形。熱變形特點(diǎn)：熱變形特點(diǎn)：（1 1）變形過(guò)程伴隨有形變強(qiáng)化和回復(fù)與再結(jié)晶帶）變形過(guò)程伴隨有形變強(qiáng)化和回復(fù)與再結(jié)晶帶 來(lái)的材料軟化。來(lái)的材料軟化。（2 2）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用 越強(qiáng)。越強(qiáng)。（3 3）熱變形產(chǎn)生纖維組織）

18、熱變形產(chǎn)生纖維組織“流線流線”。變形量越大，。變形量越大， 纖維化越明顯。纖維化越明顯。 如（熱軋），熱擠壓如（熱軋），熱擠壓變形前組織變形前組織 變形后組織變形后組織 流流線線流線：塑性變形時(shí)，金屬中流線：塑性變形時(shí)，金屬中夾雜物、第二相等夾雜物、第二相等沿沿 變形方向分布排列。變形方向分布排列。低碳鋼熱加工后的流線低碳鋼熱加工后的流線三、熱變形纖維組織的應(yīng)用三、熱變形纖維組織的應(yīng)用l “流線流線”使材料具有各向異性：使材料具有各向異性：平行于流線方向抗平行于流線方向抗拉強(qiáng)度高、塑性好拉強(qiáng)度高、塑性好垂直于流線方向抗垂直于流線方向抗剪強(qiáng)度高、塑性差剪強(qiáng)度高、塑性差l 應(yīng)使應(yīng)使“流線流線”合理

19、分布：合理分布： 使零件承受的最大使零件承受的最大正正應(yīng)力應(yīng)力平行平行于于纖維方向纖維方向； 使零件承受的最大使零件承受的最大切切應(yīng)力應(yīng)力垂直垂直于于纖維方向纖維方向。用用軋軋材材切切削削用用鍛鍛造造加加工工金屬掛鉤中流線金屬掛鉤中流線四四 高溫蠕變高溫蠕變n高溫蠕變的三個(gè)階段高溫蠕變的三個(gè)階段減速蠕變階段，恒速蠕變階段，加速蠕變階段減速蠕變階段，恒速蠕變階段，加速蠕變階段n機(jī)理機(jī)理位錯(cuò)滑移、攀移位錯(cuò)滑移、攀移原子遷移（擴(kuò)散蠕變）原子遷移（擴(kuò)散蠕變）晶界滑動(dòng)（細(xì)晶促進(jìn)高溫蠕變）晶界滑動(dòng)（細(xì)晶促進(jìn)高溫蠕變）第四節(jié)第四節(jié) 塑性加工性能及其影響因素塑性加工性能及其影響因素一、塑性加工性能及其指標(biāo)一、塑性加工性能及其指標(biāo)塑性加工：通過(guò)使材料塑性變形而獲得具有一定塑性加工：通過(guò)使材料塑性變形而獲得具有一定 形狀、尺寸和質(zhì)量的零件的加工方法。形狀、尺寸和質(zhì)量的零件的加工方法。塑性加工性能：金屬材料通過(guò)塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)塑性加工性能：金屬材料通過(guò)塑性加工獲得優(yōu)質(zhì) 零件的難易程度。零件的難易程度。塑性加工性能指標(biāo)：塑性加工性能指標(biāo)：塑性塑性、變形抗力變形抗力。 塑性越好、變形抗力越小，則塑性加工性能越好