第三章金屬材料的塑性變形

第三章金屬材料的塑性變形第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

3.1單晶體和多晶體的塑性變形

3.1.1單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形有兩種,即滑移和孿生。

1.滑移

滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生的滑動。當對一單晶體試樣進行拉伸時，外力（F）在某晶面上產(chǎn)生的應(yīng)力可分解為垂直于該晶面的正應(yīng)力（σ）及平行于該晶面的切應(yīng)力（τ）。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，而切應(yīng)力則可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進一步使晶體發(fā)生滑移?；频慕Y(jié)果會在晶體的表面留下滑移痕跡，稱為滑移帶。

1.2.第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

滑移變形具有以下特點：⑴滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進行。

⑵滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。⑶滑移時晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍。滑移是通過位錯的運動來實現(xiàn)的。

⑷滑移的同時必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的結(jié)果，使滑移面趨向與拉伸軸平行。第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

2.孿生

在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和晶向（攣晶方向）相對于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。

孿生與滑移的區(qū)別是：1）孿生所需要的臨界切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速。2）孿生通過晶格切變使晶格位向改變，發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶帶或?qū)\晶。3）孿晶中每層原子沿孿生方向的相對位移距離是原子間距的分數(shù)，而滑移時滑移面兩側(cè)晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍。

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3.1.2多晶體的塑性變形1.不均勻的塑性變形過程

在多晶體中，各個晶粒內(nèi)原子排列的位向不一致，這樣不同晶粒的滑移系的取向就會不同。當對多晶體施以拉伸時，作用在不同晶?；葡瞪系姆智袘?yīng)力會有差別，分切應(yīng)力最大的那些晶粒最先開始滑移，有些晶粒所受到的分切應(yīng)力最小，最難發(fā)生滑移，由此可見，多晶體金屬的塑性變形將會在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個不均勻的塑性變形過程。

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2.晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊?/p>

在多晶體中晶粒間有位向差，使變形不能同時進行。當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形，則必須要產(chǎn)生彈性變形來與之協(xié)調(diào)配合，就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙滑移的進行。

3.晶界對塑性變形的影響

在多晶體中存在晶界，其原子排列不規(guī)則，當位錯運動到這一區(qū)域附近時將會受到晶界的阻礙而堆積起來，形成位錯塞積。欲使變形繼續(xù)進行，就必須要增加外力，即變形抗力增大。金屬晶粒越細，同體積的晶界越多，因而變形抗力越大，金屬的強度越大。

另外，金屬晶粒越細，在外力作用下有利于滑移和能夠參與滑移的晶粒數(shù)目也越多，使一定的變形量分散在更多的晶粒之中，表現(xiàn)出塑性的提高。因此，細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。

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3.2.1形變強化現(xiàn)象⑴產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象隨著塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也稱形變強化。

⑵使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。⑶影響金屬的物理、化學性能金屬經(jīng)塑性變形后，使電阻增大，耐蝕性降低。

3.2金屬的形變強化第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

（三）塑性變形對金屬組織與性能的影響3.2.2塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)的變化

⑴纖維組織形成金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向被拉長或壓扁。當拉伸變形量很大時，晶粒變成細條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。

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⑵亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯密度的增大和位錯間的交互作用，使位錯分布變得不均勻。大量的位錯聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。

⑶形變織構(gòu)的產(chǎn)生由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動，當變形量達到一定程度（70%以上）時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向的結(jié)果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構(gòu)。

第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三殘余應(yīng)力:金屬表層與心部的變形量不同會形成表層與心部之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力；晶粒彼此之間或晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻會形成微觀內(nèi)應(yīng)力；因位錯等晶格缺陷增多而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。3.2.3塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的危害:(1)降低工件的承載能力(2)使工件的形狀和尺寸發(fā)生變化(3)降低工件的耐蝕性第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

3.3塑性變形金屬在加熱時組織和性能變化

3.3.1回復(fù)

對變形后的金屬在較低溫度下進行加熱，會發(fā)生回復(fù)?；貜?fù)不能使金屬的晶粒大小和形態(tài)發(fā)生明顯的變化，故金屬的強度和硬度只略有降低，塑性略有升高。工業(yè)上常利用回復(fù)過程對變形金屬進行去應(yīng)力退火，以降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。

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3.3.2再結(jié)晶

1.再結(jié)晶

當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，被拉長及破碎的晶粒通過重新生核、長大，變成新的均勻、細小的等軸晶粒。這個過程稱為再結(jié)晶。變形金屬發(fā)生再結(jié)晶后，其強度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除。

2.再結(jié)晶溫度及其影響因素

再結(jié)晶不是一個恒溫過程，而是發(fā)生在一個溫度范圍之內(nèi)。能夠進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點有如下關(guān)系：式中的溫度單位為絕對溫度（K）。金屬的熔點越高，其再結(jié)晶溫度也越高。

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影響再結(jié)晶溫度的主要因素有以下幾點：⑴金屬的預(yù)先變形程度，金屬的預(yù)先變形程度越大，其晶體缺陷就越多，組織越不穩(wěn)定，因而再結(jié)晶溫度便越低。當預(yù)先變形程度達到一定數(shù)值之后，再結(jié)晶溫度趨于定值。

⑵金屬的純度金屬中存在的微量雜質(zhì)和合金元素，特別是那些高熔點元素，常常會阻礙原子的擴散和遷移，可顯著提高金屬的再結(jié)晶溫度。⑶加熱速度和保溫時間提高加熱速度會使再結(jié)晶溫度被推遲到較高溫度下發(fā)生。而保溫時間越長，再結(jié)晶溫度越低。第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

（三）晶粒長大

再結(jié)晶后晶粒的長大受以下幾個因素的影響：

1.加熱溫度和時間的影響

加熱溫度越高，時間越長，晶粒便越大。

2.預(yù)先變形程度的影響

當變形度達到2%～10%時，金屬中變形極不均勻，只有部分晶粒發(fā)生變形，形成的再結(jié)晶晶核少，可以充分長大，從而造成再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。

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3.3.4冷加工和熱加工凡在金屬的再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形稱為冷加工；而在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形稱為熱加工。熱加工通常不會帶來強化效果。

1）熱加工提高了金屬的致密度，明顯改善材料的塑性和韌性。2）熱加工可獲得細小均勻、等軸的再結(jié)晶晶粒，從而使金屬的力學性能全面提高。

熱加工可使各種可變形的夾雜物會沿變形方向拉長呈流線分布，也稱纖維組織。熱加工時應(yīng)力求使流線合理分布。纖維組織不能用熱處理方法消除.3.3.5金屬纖維組織及其應(yīng)用第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三進入下一節(jié)3.4塑性加工性能及影響因素(3)應(yīng)力狀態(tài)的影響3.4.1塑性加工性能及其指標塑性、變形抗力3.4.2塑性加工性能的影響因素1.金屬的本質(zhì)(1)化學成分的影響