第二章 金属的塑性变形与再结晶
实验七 材料的塑性变形和再结晶
滑移变形具有以下特点: ①滑移在切应力作用下产生(图2)。
图 2 晶体在切应力作用下的变形
②滑移沿原子密度最大的晶面和晶 向发生。
滑移常沿晶体 中原子密度最 大的晶面和晶 向发生，因为 原子密度最大 的晶面之间间 距最大，点阵 阻力最小，原 子密度最大晶 向上原子间最 短，结合力最 弱，因此产生 滑移所需切应 力最小。
因此，一般在室温使用的 结构材料都希望获得细小而均 匀的晶粒。因为细晶粒不仅使 材料具有较高的强度、硬度， 而且也使它具有良好的塑性和 韧性，即具有良好的综合力学 性能。故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
2.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形后，金属在组织和性能方面发生四个方面的变化： 1）产生纤维组织，性能由各向同性趋于各向异性。
• 变形金属在加热中一般经历三个过程： （1）回复 （2）再结晶 （3）晶粒长大
变形金属加热时组织和性能变化示意图
回复 再结晶
晶粒长大
组 织
变 内应力
化
性
能 变
强度
化
晶粒度 塑性
（1）回复
（2）再结晶
• 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。
再结晶温度（T再）： 通常指经大变形度（70~80%）的变形后，在规定
图5a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。纯铁在低温 下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图5b所示，在 这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶
100
b 铁的变形孪晶
图5 变形孪晶光学显微形貌
100
工业纯铁压缩变形——滑移线
纯锌冲击变形——孪晶
2.多晶体的塑性变形
金属的塑性变形与再结晶
实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填）五、讨论、心得（必填）一、实验目的1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。
二、实验原理金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。
在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。
(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。
冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。
金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。
当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。
同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。
金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。
若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。
1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。
此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。
但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。
2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。
金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶一、实验目的：1、了解显微镜下滑移线、变形孪晶和退火孪晶特征。
2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。
3、讨论冷加工变形对再结晶晶粒大小的影响。
二、实验内容：1、观察工业纯铁冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶，黄铜或纯铜的退火孪晶。
2、观察工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的显微组织。
3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小。
三、实验内容讨论：1、显微镜下的滑移线与变形孪晶：当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。
我们之所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所致。
滑移线的形状取决于晶体结构和位错运动，有直线形的，有波浪形的，有平行的，有互相交叉的，显示了滑移方式的不同。
变形量越大，滑移线愈多、愈密。
在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以进行滑移变形。
孪晶可以看成是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。
由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下，孪晶区是一条较浅或较深的带。
在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。
除变形孪晶外，有些金属如黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。
滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。
如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。
制备孪晶试样时，是先经塑性变形，然后再抛光腐蚀，可见：（1）对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到，而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看见。
（2）滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。
滑移线和磨痕的区别在于前者是不会穿过晶界的。
2、冷变形后金属的显微组织和机械性能冷加工变形后，晶粒的大小、形状及分布都会发生改变。
第二章 金属材料的塑性变形与性能
9
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
10
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）
28
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。
29
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
11
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。
12
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。
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒， 如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢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。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，
必有力求恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进 行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复 过程的进行。 加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
金属的塑性变形与再结晶
实验六 金属的塑性变形与再结晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals ）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1． 观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征；2． 了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3． 讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1． 显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。
所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
机材课后答案
第二章金属的塑性变形与再结晶一、名词解释滑移、滑移系、滑移线、滑移带、孪生；软位向、硬位向；回复、再结晶；织构、加工硬化。
二、判断是非1.金属晶体的滑移是在正应力作用下产生的。
2.经塑性变形后，金属的晶粒变细，故金属的强度、硬度升高。
3.室温下铜的塑性比铁好，这是因为铜的滑移系比铁的多。
4.冷变形金属在再结晶过程中会改变其晶体结构。
5.用冷拉紫铜管制造输油管，在冷弯以前应进行去应力退火，以降低硬度、提高塑性，防止弯曲裂纹产生。
6.热加工纤维组织（流线）可以通过热处理方法给予消除。
7.铸件、锻件、冲压件都可以通过再结晶退火，来消除加工硬化，降低硬度。
8.材料的弹性模量Ｅ愈大，则材料的塑性愈好。
三、填空1.常见的金属的塑性变形方式有（）和（）两种类型。
2.铜的多晶体要比单晶体的塑性变形抗力（），这是由于多晶体的（）和（）阻碍位错运动造成的。
3.金属的晶粒愈细小，则金属的强度、硬度愈（）、塑性韧性愈（），这种现象称为（）强化。
金属随塑性变形程度的增加，其强度、硬度（），塑性、韧性（），这种现象称为（）。
金属经塑性变形以后，金属的晶粒（），亚晶粒（），位错（）。
4.金属晶体的滑移是通过（）运动来实现的，而不是晶体一部分相对另一部分的刚性滑动，因此实际临界（）应力值很小。
5.纯金属结晶后进一步强化的唯一方法是依靠（）来实现的，降低纯金属强度的工艺方法通常采用（）。
6.塑性金属材料制造的零件，在工作过程中一旦过载，零件不会立即断裂而是发生（），使强度（）。
7.多晶体金属经过大量塑性变形后，各晶粒的晶格某些位向趋向一致，这种结构称为（），此时金属呈现明显的（）性，这种结构用热处理（）消除。
金属再结晶后的晶粒大小与（）和（）有关。
工业金属不能在（）变形度进行变形，否则再结晶后的晶粒（），使机械性能（）。
8.铸钢锭经过热轧后，粗大的晶粒会（），缩松、气孔等缺陷会（），并且还会出现（）组织。
9.用热轧圆钢通过锻造生产零件毛坯，应力求使流线与零件所受最大拉应力方向（），与切应力或冲击力方向（）。
金属的塑性变形与再结晶
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
金属的塑性变形与再结晶返回
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋 于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能， 恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
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一个滑移面和 一个滑移面和 滑移面 其上的一个 滑移方向构 滑移方向构 成一个滑移 成一个滑移 系。
晶格
三种典型金属晶格的滑移系
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
滑移面 {110} {110}
{111} {111}
滑移 方向
11
滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越多 滑移的可能性越大 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 滑移方向对塑性的贡献比滑移面 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 好于体心立方晶格 体心立方晶格好于密排六方晶格。 体心立方晶格好于密排六方晶格。 好于密排六方晶格
23
二、多晶体金属的塑性变形
双晶粒试样的拉伸实验表明，晶界处较粗， 双晶粒试样的拉伸实验表明，晶界处较粗，这说明 晶界的变形抗力大，变形较小。 晶界的变形抗力大，变形较小。 24
Cu-4.5Al合金晶 合金晶 界的位错塞积
25
㈠晶界及晶粒位向的影响
1、晶界的影响 晶界处原子排列紊乱， 晶界处原子排列紊乱， 杂质原子较多， 杂质原子较多，增大了其 晶格的畸变，因而在该处 晶格的畸变， 滑移时位错运动受到的阻 滑移时位错运动受到的阻 力较大，难以发生变形， 力较大，难以发生变形， 具有较高的塑性变形抗力。 具有较高的塑性变形抗力。 塑性变形抗力
12
⑶滑移时，晶体两部分的相对 滑移时， 位移量是原子间距的整数倍。 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， 滑移线， 台阶，称滑移线，若干条滑移 滑移带。 线组成一个滑移带 线组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
13
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和 面上滑移方向向最大切应力方向转动。 面上滑移方向向最大切应力方铸锭中的缺陷便于使用 （2）获得规定形状和尺寸的零件和产品 （3）改变钢的组织和性能
2
压力 加工
塑性 变形
随后的 加热
组织 发生↑
性能得 到改善 性能 变坏
了解塑性变形的本质与塑 了解塑性变形的本质与塑 本质 性变形及加热时组织的变化 组织的变化， 性变形及加热时组织的变化， 有助于发挥金属的性能潜力， 有助于发挥金属的性能潜力， 性能潜力 正确确定加工工艺。 正确确定加工工艺。 确定加工工艺
细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好， 细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好，韧 性也较好。 性也较好。 工程上通常希望获得细小而均匀的晶粒组织， 工程上通常希望获得细小而均匀的晶粒组织， 从而具有较高的综合力学性能。 从而具有较高的综合力学性能。
30
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
一、 塑性变形对金属组织结构的影响
14
A0
最大切应力方向
σ σn τm τb
转动的原因： 转动的原因： 晶体滑移后使
滑移方向
正应力分量和 正应力分量和 切应力分量组 切应力分量组
τS σ n’
τ S’ τb’τm’ σ’
15
滑移面
成了力偶. 成了力偶.
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
16
图4-5 滑移时晶体转动示意图
17
2、滑移的机理 、
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应 刚性整体滑动所需的理论 个数量级。 力值比实际测量临界切应力值大3 ～ 4个数量级。 值比实际测量临界切应力值大 个数量级 例如: 对铜， 例如 对铜，按刚性整体滑动计算出的临界切应力为 而其实际测定值仅为1.0 1540 MN/m2，而其实际测定值仅为 MN/m2。
滑移
位错运动
晶体滑移并不是 在切应力作用下， 晶体滑移并不是，在切应力作用下，一 滑移并不是， 部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相 对的整体移动 整体移动。 对的整体移动。
22
二、多晶体金属的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同， 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。 在许多晶界，变形复杂。
8
1、滑移变形的特点 ：
⑴ 滑移只能在切应力的作用 下发生。 下发生。产生滑移的最小 切应力称临界切应力 切应力称临界切应力. 临界切应力
9
滑移常沿晶体中原子密 ⑵ 滑移常沿晶体中 原子密 度最大的晶面和晶向发生。 度最大的晶面和晶向发生。 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， 晶向之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑移所 结合力最弱， 需切应力最小。 需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 晶面 分别叫做滑移面 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 密排面
第二章 金属的塑性变形与再结晶
金属材料通过冶炼、获得铸锭， 金属材料通过冶炼、获得铸锭，铸锭中存在各种 冶炼 铸锭 各样的缺陷粗大晶粒区，组织疏松，杂质偏析，气 各样的缺陷粗大晶粒区，组织疏松，杂质偏析， 缺陷粗大晶粒区 孔、裂纹等。 裂纹等。 解决方法： 解决方法：
— 压力加工
1
压力加工
金属材料在外力作用下发生的一种塑性变形过程。 金属材料在外力作用下发生的一种 塑性变形过程。（ 工业生 塑性变形过程 产上将钢锭锻造 挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、 锻造、 成各种型钢 产上将钢锭锻造 、 挤压、 轧制 、拉拔 成各种 型钢 、钢板 、 钢 或者钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程。 钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程 管或者钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程。）
织构有时使材料的加工成形性能恶化。 织构有时使材料的加工成形性能恶化。
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变形织构的各相异性是明显的。 变形织构的各相异性是明显的。其不均匀的塑 性变形会使薄板冲压产生“制耳”现象。 性变形会使薄板冲压产生“制耳”现象。
制耳示意图
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3 晶粒破碎形成亚晶粒
随着变形的增大→位错密度明显增大→ 随着变形的增大→位错密度明显增大→位错 不均匀分布→晶粒破碎成细碎的亚晶粒。 不均匀分布→晶粒破碎成细碎的亚晶粒。
5万吨水压机 万吨水压机
3
↑
↑
↑
第二章 金属的塑性变形与再结晶
教学目的：掌握金属塑性变形(主要是滑移变形) 教学目的：掌握金属塑性变形(主要是滑移变形)的 塑性变形 特点，塑性变形对金属组织与性能的影响(特别是加 特点，塑性变形对金属组织与性能的影响(特别是加 组织与性能的影响 工硬化)以及回复与再结晶规律。 工硬化)以及回复与再结晶规律。 本章重点： 本章重点： 1、金属塑性变形及其特点 2、塑性变形对金属组织与性能的影响 3、回复与再结晶 本章难点： 本章难点：塑性变形对金属组织与性能的影响
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一、单晶体金属的塑性变形 塑性变形的形式： 塑性变形的形式： 滑移和孪生。 滑移和孪生。
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金属常以滑移方式发生塑性变形。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 ㈠ 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对 滑移是指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。 于另一部分发生滑动位移的现象。
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2 产生织构，出现各向异性 产生织构，
当变形量很大时 原来位向不同的晶粒 当变形量很大时，原来位向不同的晶粒 很大 滑移产生的转动，将取得接近一致 产生的转动 接近一致的结构 因滑移产生的转动，将取得接近一致的结构 称变形织构，又称择优取向。 变形织构，又称择优取向。 择优取向
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变形织构根据加工变形方式的不同主要有两种类型： 变形织构根据加工变形方式的不同主要有两种类型： 拉拔引起的织构称为丝织构; 拉拔引起的织构称为丝织构; 引起的织构称为丝织构 轧制引起的织构称为板织构。 轧制引起的织构称为板织构。 引起的织构称为板织构
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2、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同， 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 为了保持金属的连续性， 变形，则必以弹性变形来与之协调。 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。 这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。 便成为塑性变形晶粒的变形阻力
滑移不是刚性滑动，而是位错运动的结果。 滑移不是刚性滑动，而是位错运动的结果。
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晶体通过位错运动产生滑移时， 晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少 数原子发生移动， 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 间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错 的易动性。 的易动性。
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1. 产生加工硬化
1040钢(0.4%C) 钢
黄铜 黄铜 铜 1040钢 钢 (0.4%C)
由于晶粒间的这种 相互约束， 相互约束，使得多晶 体金属的塑性变形 体金属的塑性变形 抗力提高。 抗力提高。
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（二）晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细，其强度越高。 1 金属的晶粒越细，其强度越高。
晶界总面积 ↑→ 位错障碍 ↑→ 金属晶 粒越细 粒越细 具有不同位向的晶粒 ↑→ 金 属 的 强 度
↑
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金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 2 金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。
金属晶 ↑→ 粒越细 粒越细 单位体积内 晶粒数目 ↑→ 有利于滑移的 位向的晶粒数 ↑
→
变形越均匀
→
减少应力集中
避免断裂
金属的塑性、 金属的塑性、韧性 ↑