金属材料的塑性变形
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
第二章 金属材料的塑性变形与性能
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根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力 b）压缩载荷 —压力 c）弯曲载荷 --弯力 d）剪切载荷--剪切力 e）扭转载荷--扭转力
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2.内力 （1）定义 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在 材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 （2）大小 内力大小与外力相等。 （3）注意 内力和外力不同于作用力和反作用力。
2
§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 （包括：弹性变形和塑性的现象。
c）磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
3
2.常见塑性变形形式 1）轧制 （板材、线材、棒材、型材、管材）
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2）应用范围 主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、 调质处理后的各种软钢或硬度较低的 材料。 3）优、缺点 优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均 性能；适合对毛坯及半成品测定。 缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料； 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
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2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义 采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。 2）表示方法
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3.应力 （1）定义 单位面积上所受到的力。 （2）计算公式 σ= F/ S（ MPa/mm2 ） 式中： σ——应力； F ——外力； S ——横截面面积。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段： 弹性变形 弹-塑性变形 断裂。 1.特点 弹性变形： 金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
金属材料的塑性指标
金属材料的塑性指标金属材料的塑性指标是评价金属材料塑性能力的重要参数，它直接影响着金属材料的加工性能和使用寿命。
塑性指标是金属材料在受力作用下发生塑性变形的能力，通常包括屈服强度、延伸率、硬度等参数。
下面将介绍金属材料的塑性指标及其影响因素。
1. 屈服强度。
屈服强度是金属材料在拉伸试验中发生塑性变形时的应力值。
通常情况下，金属材料在拉伸过程中，一开始是弹性变形，应力增加时，金属材料进入塑性变形阶段，此时的应力值即为屈服强度。
屈服强度是金属材料抗拉伸变形的能力指标，对于金属材料的加工性能和使用寿命有着重要的影响。
2. 延伸率。
延伸率是金属材料在拉伸试验中发生塑性变形时的变形量与原始长度的比值。
它是评价金属材料塑性变形能力的重要指标之一。
一般来说，延伸率越大，金属材料的塑性变形能力越强，抗拉伸性能越好。
延伸率是评价金属材料加工性能的重要参数，对于金属材料的成型加工具有重要意义。
3. 硬度。
硬度是金属材料抵抗外力侵入的能力。
它是金属材料抗压缩、抗划伤的能力的指标。
硬度高的金属材料具有较强的抗压缩、抗划伤能力，通常用于制造耐磨损的零部件。
硬度是金属材料的重要力学性能指标，对于金属材料的使用寿命和耐磨性能有着重要的影响。
影响金属材料塑性指标的因素有很多，主要包括金属材料的成分、晶粒度、热处理工艺等。
金属材料的成分直接影响着其塑性指标，一般来说，含碳量较低的金属材料具有较高的塑性指标。
晶粒度是影响金属材料塑性指标的重要因素，晶粒度较小的金属材料具有较高的塑性指标。
热处理工艺对金属材料的塑性指标也有着重要的影响，合理的热处理工艺能够提高金属材料的塑性指标。
总之，金属材料的塑性指标是评价金属材料塑性能力的重要参数，它直接影响着金属材料的加工性能和使用寿命。
了解金属材料的塑性指标及其影响因素对于正确选择金属材料、合理设计零部件具有重要的意义。
希望本文能够对您有所帮助。
第六章 金属材料的塑性变形
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5. 产生变形织构 金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各 向异性，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。
ys 0 kd
1/ 2
式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经验公式， 但又表达了一个晶界影响的普遍规律。该公式常称为霍尔-佩 奇(Hall-Petch)关系。
8
另一方面，晶界数量的增加则材料的晶粒愈细，不仅强度愈高， 而且塑性与韧性也较高。因为晶粒愈细，单位体积中的晶粒数 便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生， 晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不 致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而 断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。 所以在工业上通过各种方法(凝固、压力加工、热处理)使材 料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力学性能的有效途径
之一。
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三、塑性变形过程
局部不均匀性： 在多晶体金属中，由于每个晶 粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的 分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶 粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力 便不同。取向因子较大(接近1/2)，分切应力较 大的必将首先发生滑移变形，通常称这种位向 的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方 向处于或接近于与外力相平行或垂直，即取向 因子较小(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它 们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由 此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位 向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐 批发生，是个不均匀的塑性变形过程。
第四章金属材料的塑性变形与再结晶
滑移方向上原子间距的 小于孪生方向上的原
整数倍，较大。
子间距，较小。
很大，总变形量大。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切 压力 一般先发生滑移
所需临界分切应力远高于 滑移
滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果 分位错运动的结果 34
(二) 多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂
① 晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷
② 晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿 过。
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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。
36
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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(4) 几何硬化：由晶粒转动引 起 由于加工硬化, 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。
未变形纯铁
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
变形20%纯铁中的位错
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2 对力学性能的影响
利弊
d. 孪生本身对金属塑性变形的贡献不大，但形成 的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动， 间接对塑性变形有贡献。
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总结
滑移
孪生
相同点
晶体位向
位移量 不 同 对塑变的贡献 点
变形应力
变形条件
1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不 改变结构。 不改变（对抛光面 改变，形成镜面对称关系 观察无重现性）。 （对抛光面观察有重现性）
1、晶粒取向和晶界对塑性变形的影响
第六章 金属材料性能与塑性变形
？？？
减震
恒力碟簧支吊架
第二节 弹性变形
1.2.5 滞弹性
（1）突然加载OA，产生瞬时应 变Oa ,而后产生附加应变Ah （2）快速卸载Be，产生瞬时应 变He 而后产生附加应变eO
滞弹性
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附 加弹性应变的现象。
产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。
P 载 荷 (N)
b
e p Pp s
(MPa) k
Pk
0
lk b （低碳钢的拉伸力-伸长曲线）
l
lu
l伸长 0 (mm)
p
b
k
u
（低碳钢的应力-应变曲线）
k
(%)
低碳钢的应力-应变曲线 (M Pa) b k
a
a′
0a段 aa ′段 a ′b段
弹性变形 阶段 塑性变形 阶段
但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变 形机理取代弹性变形
第二节 弹性变形
1.2.2 胡克定律
(一) 简单应力状态的胡克定律 1．单向拉伸
y
y
2．剪切和扭转
x z y
E
y
E
（1-1）
G
E G 3．E、G的关系 2(1 )
断口特征
第一节 应力－应变曲线
1.1.1 脆性材料的拉伸性能
在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
材料完全脆性的－ 曲线
弹性变形阶段 应力-应变成正比
E G
金属的塑性变形和断裂分析课件
腐蚀速率
金属腐蚀的速度，通常以单位 时间内腐蚀的深度或质量损失
表示。
腐蚀防护采用涂层、电镀、缓来自剂等措 施来减缓金属的腐蚀速率。
提高金属抗疲劳和抗腐蚀的方法
材料选择
选择具有优异抗疲劳和抗腐蚀 性能的材料，如不锈钢、钛合
金等。
表面处理
采用喷涂、电镀、化学镀等表 面处理技术，提高金属表面的 耐腐蚀性能。
金属的塑性变形和断 裂分析课件
目录
CONTENTS
• 金属的塑性变形 • 金属的断裂分析 • 金属的塑性和韧性 • 金属的强度和硬度 • 金属的疲劳和腐蚀
01 金属的塑性变形
塑性变形的定义
塑性变形：金属在受到外力作用 时，发生的不可逆的形状变化。
塑性变形是一种不可逆的永久变 形，即使外力撤去，也无法恢复
温度
温度对金属的塑性变形有显著影响，温度升高， 金属的塑性增加，更容易发生塑性变形。
应变速率
应变速率越快，金属的塑性越差；应变速率越慢 ，金属的塑性越好。这是因为应变速率快时，金 属内部的应变硬化速度跟不上应变速率，导致金 属容易发生断裂。
02 金属的断裂分析
断裂的定义和分类
总结词
断裂是金属材料在受力过程中发生的永久性结构变化，通常表现为突然的开裂或分离。
强度和硬度在一定程度上可以相互转换，但转换公式因材料和测试方法 而异。
强度和硬度的关系对于材料的选择和应用具有重要的指导意义，例如在 机械零件的设计和制造中，需要根据零件的工作条件和要求合理选择材 料的强度和硬度。
05 金属的疲劳和腐蚀
金属的疲劳
疲劳定义
金属在循环应力作用下 ，经过一段时间后发生
提高金属塑性和韧性的方法
合金化
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第三章金属材料的塑性变形
形变强化
：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大而大为提高，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。
形变强化现象可以用来提高金属材料的强度
回复：
加工硬化后的金属，在加热到一定温度后，原子获得热能，使原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，消除了晶格扭曲，加工硬化部分得以消除。
这一过程称为“回复”，这时候的温度称为回复温度，即
T回=（0.25~0.3）T熔
上式中T回-以热力学温度表示的金属回复温度
T熔-以热力学温度表示的金属熔化温度
再结晶：
当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的0.4倍时，金属原子获得更多热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新结晶，从而消除了残余应力和加工硬化现象。
这个过程称为再结晶，这时的温度称为最低再结晶温度
T再=0.4T熔
T再-以热力学温度表示的金属最低再结晶温度
冷变形，再再结晶温度下的变形叫冷变形，变形过程中无再结晶现象，变形后的金属只具有形变强化现象。
生产中常用冷变形提高产品性能。
热变形，在再变形温度下的变形叫热变形，变形后金数具有再结晶组织，而无形变强化痕迹。
金属塑型加工多采用热变形
纤维组织及其应用
铸锭再塑型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了变形，他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，纤维组织使得金属在性能上具有方向性，对金属的变形质量也产生了影响。
纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除。