金属塑性变形的基本理论共31页文档
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金属的塑性变形
金属的塑性变形
当温度升高到金属的绝对熔化温度的0.4 倍时，金属的原子以某些碎晶或者杂质为核心 会生成新的晶粒，最后全部消除加工硬化现象 。这个现象我们称为“再结晶”。 注意，不同的金属，其再结晶的温度是不 同的。 再结晶使金属获得良好的塑性，同时也由 于新的晶核的生长，使金属获得细小的均匀的 晶粒，进一步提高金属的机械性能。
金属的塑性变形
而纤维组织的明显程度与锻造时的锻造 比有关。金属具有一定的锻造比后，能改变 金属的铸造组织，使内部组织致密，改变晶 粒度，使其细小，金属内部偏析均匀。 所以，为了利用纤维组织的特点，在设 计和制造零件时，应该尽量使工作的最大正 应力方向与纤维方向重合，而最大切应力方 向应该与纤维方向垂直。 再就是在切削加工时尽量避免切断纤维组 织。
金属的塑性变形
② 金属的热变形 热变形：指在再结晶温度以上的 热变形 变形。 变形特点；变形后由于再结晶而形成细小 的晶粒，可使金属获得良好的塑性，获得高 的机械性能。 如，金属压力加工主要是利用热变形进行 的（特别是大中型零件或产品的加工）。而冷 加工主要用于板料冲压、冷挤压等。
金属的塑性变形
金属的塑性变形
一、金属的塑性变形 金属的塑性变形是金属在外力的作用下晶 体的一部分相对于另一部分通过滑移的方式产 生的一种永久的变形。
金属的塑性变形
1、滑移 滑移即是金属晶体在外力的作用下，当外 力增大至使晶体的歪扭程度超过其弹性变形的 允许值时，则晶体的一部分会相对于另一部分 产生滑动位移。 由于滑移引起晶体变形， 当外力去除后，晶体的变形 将不能全部回复原状，从而 使产生永久的变形（即塑性变形）。
金属的塑性变形
艺，对于一些不能用热处理方式来强化的金属，则 可以利用加工硬化来提高零件的强度。 如，采用冷挤压的方法，可用低碳钢来制造一 些表面耐磨的零件，而使简化工艺流程。 ⑵ 回复和再结晶 金属的加工硬化有一个特点，那就是将金属的 温度提高，可以使金属原子消除晶格扭曲，恢复正 常排列，从而消除部分加工硬化。这样的方法称为 “回复”，这时的温度称为“回复温度”。
金属的塑性变形
孪生机制
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。
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。
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。
当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。
金属及合金的塑性变形讲课文档
金属及合金的塑性变形
塑性加工举例
Rolling
模锻
Hot Rolling
Cold Drawing
纳米铜的室温超塑性
6.1 金属的变形特性 拉伸实验与拉伸曲线示意图
一、变形过程中的名词概念
1、应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。
正应力: 同截面垂直的应力称为“正应力” 或“法向应力”。
的工程应力σb ，表示材料对最 大均匀塑性变形的抗力，称为抗
拉强度或强度极限。此后试样出
I II III
IV
现失稳，能承受的总应力下降，
其实颈缩处真实应力依然在上升。
断裂
1. 变形量大至K点，试样 发生断裂。
2. 断裂的实质是原子间承 受的应力超出最大吸引 力，原子间的结合受到 破坏而分离开来。
y e
不能恢复的永久性变形
当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹 性变形，而且还发生塑性变形，即在外力 去除后，其变形不能得到完全的恢复，而 是残留有永久的变形。
塑性变形过程－屈服
1) 屈服：材料开始发生微量 塑性变形。
2) 屈服特点：即使外力不再 增加，试样继续变形，这 种变形属于塑性变形，在 拉伸曲线上会出现屈服平 台或屈服锯齿。只有部分 材料具有这样的特征。
• 当分切应力达到临界 值时，滑移才能开始。
滑移的临界切应力—施密特定律
推动滑移的是在滑移方向上的分 切应力。同一外加应力作用下， 不同滑移系因取向不同，对应的 分切应力也各不相同。
左图中单晶体受拉应力F作用，滑 移面法线方向N与F夹角为f，滑 移方向S和F夹角为 。 注意：滑移方向S、拉力轴F和滑 移面的法线N三者不一定在同一 平面内。
——刚性移动模型失败，应该有更省力的方式 ——位错学说的诞生
塑性加工举例
Rolling
模锻
Hot Rolling
Cold Drawing
纳米铜的室温超塑性
6.1 金属的变形特性 拉伸实验与拉伸曲线示意图
一、变形过程中的名词概念
1、应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。
正应力: 同截面垂直的应力称为“正应力” 或“法向应力”。
的工程应力σb ，表示材料对最 大均匀塑性变形的抗力，称为抗
拉强度或强度极限。此后试样出
I II III
IV
现失稳，能承受的总应力下降，
其实颈缩处真实应力依然在上升。
断裂
1. 变形量大至K点，试样 发生断裂。
2. 断裂的实质是原子间承 受的应力超出最大吸引 力，原子间的结合受到 破坏而分离开来。
y e
不能恢复的永久性变形
当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹 性变形，而且还发生塑性变形，即在外力 去除后，其变形不能得到完全的恢复，而 是残留有永久的变形。
塑性变形过程－屈服
1) 屈服：材料开始发生微量 塑性变形。
2) 屈服特点：即使外力不再 增加，试样继续变形，这 种变形属于塑性变形，在 拉伸曲线上会出现屈服平 台或屈服锯齿。只有部分 材料具有这样的特征。
• 当分切应力达到临界 值时，滑移才能开始。
滑移的临界切应力—施密特定律
推动滑移的是在滑移方向上的分 切应力。同一外加应力作用下， 不同滑移系因取向不同，对应的 分切应力也各不相同。
左图中单晶体受拉应力F作用，滑 移面法线方向N与F夹角为f，滑 移方向S和F夹角为 。 注意：滑移方向S、拉力轴F和滑 移面的法线N三者不一定在同一 平面内。
——刚性移动模型失败，应该有更省力的方式 ——位错学说的诞生
金属及合金的塑性变形
应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下，金属首先发生 弹性变形，应力与应变成正比
关系，遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时， 金属开始发生塑性变形，应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加，金属的加工 硬化效应逐渐显现，应力随之 上升，呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ，金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体（晶粒）组成，晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍，使位错在晶界处塞积，引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形，使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现，未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度和硬度逐渐提高，而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中，位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因，位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望
金属塑性变形理论
当应力超过 σs 后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若欲使试样的应变增 大，则必须相应地增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增
加的现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。当 应力达到 σb 时，试样的均匀变形阶段即告中止，这个最大的应力值 σb 称为材料 的拉伸强度（tensile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength），简 写为 UTS，它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力，是材料受拉时所能承受 的最大载荷的应力，也是机件设计和选材的主要依据。
滑移带 滑移线
o
~2000A
o
~200A
图 4.4 铜变形后出现的滑移带
二、孪生
4’
3’
4 3
2’
2 1’
1
图 4.5 滑移带和滑移线的示意图
孪晶带
孪晶面
孪晶面
图 4.6 孪生示意图
孪生是晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面（twin plain））和晶向发生切变，
Chap8
第4页
如图 4.6 所示，产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变，它是以孪晶面为对称 面与未变形部分相互对称，这种对称的两部分晶体称为孪晶；发生变形的那部分 晶体称为孪晶带（twin band）。
一、多晶体塑性变形的特点
1．变形不均匀 1）各晶粒的变形先后不一。因为各晶粒位向不同，施加同一外力时，那些 受最大或接近最大分解切应力位向的晶粒处于“软位向”状态，而受最小或接近 最小分解切应力位向的晶粒处于“硬位向”状态。所以多晶体金属的塑性变形是 逐批发生的，软位向的晶粒先变形，硬位向的后变形； 2）各晶粒的变形量有大有小； 3）即使在同一晶粒中，变形量亦不相同，晶粒中心变形量小，靠近晶界处 的变形量大。 2．各晶粒间变形协调 多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近的晶粒 相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至ห้องสมุดไป่ตู้能保持晶粒之间的连续性，会造成 空隙而导致材料的破裂。 3．晶界对形变过程的阻碍作用 多晶体中，晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大。这是由于晶界附近晶 格畸变程度大，加之常常聚集有杂质原子，处于高能量状态，对滑移变形时位错 的移动起阻碍作用所致。晶界原子排列越紊乱，滑移抗力就越大。
加的现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。当 应力达到 σb 时，试样的均匀变形阶段即告中止，这个最大的应力值 σb 称为材料 的拉伸强度（tensile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength），简 写为 UTS，它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力，是材料受拉时所能承受 的最大载荷的应力，也是机件设计和选材的主要依据。
滑移带 滑移线
o
~2000A
o
~200A
图 4.4 铜变形后出现的滑移带
二、孪生
4’
3’
4 3
2’
2 1’
1
图 4.5 滑移带和滑移线的示意图
孪晶带
孪晶面
孪晶面
图 4.6 孪生示意图
孪生是晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面（twin plain））和晶向发生切变，
Chap8
第4页
如图 4.6 所示，产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变，它是以孪晶面为对称 面与未变形部分相互对称，这种对称的两部分晶体称为孪晶；发生变形的那部分 晶体称为孪晶带（twin band）。
一、多晶体塑性变形的特点
1．变形不均匀 1）各晶粒的变形先后不一。因为各晶粒位向不同，施加同一外力时，那些 受最大或接近最大分解切应力位向的晶粒处于“软位向”状态，而受最小或接近 最小分解切应力位向的晶粒处于“硬位向”状态。所以多晶体金属的塑性变形是 逐批发生的，软位向的晶粒先变形，硬位向的后变形； 2）各晶粒的变形量有大有小； 3）即使在同一晶粒中，变形量亦不相同，晶粒中心变形量小，靠近晶界处 的变形量大。 2．各晶粒间变形协调 多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近的晶粒 相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至ห้องสมุดไป่ตู้能保持晶粒之间的连续性，会造成 空隙而导致材料的破裂。 3．晶界对形变过程的阻碍作用 多晶体中，晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大。这是由于晶界附近晶 格畸变程度大，加之常常聚集有杂质原子，处于高能量状态，对滑移变形时位错 的移动起阻碍作用所致。晶界原子排列越紊乱，滑移抗力就越大。
金属塑性成型一理论基础PPT资料(正式版)
金属的回复和再结晶示意图 合状金都元 将素沿的着含变量形越方高向，被塑拉性长越，差呈纤维形状分布。
＊热再变 结形晶时温，度变：形T再抗力= 小0. ，塑性好，但工件表面氧化现象严重，因此，工件表面质量比较差。 外向，比基 垂体直金于属纤的维晶方粒向形的状强和度沿、晶塑界性分和布韧的性杂要质高形。 ＊金冷属变 的形塑时性因成存型在工加艺工基硬础化，因此，变形程度不宜过大，以免工件开裂。 反之，拉应力容易使晶体的滑移面分离，容易导致缺陷处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属的塑性越差。 金属塑性成型一理论基础
形抗力低。此时的变形称为热变形。 多晶体塑性变形的特征:
同金一属种 在金加属热，时其，内其部组组织织和结性构能不的同变，化塑分性为也就不同，如：单相固溶体的塑性比多相固溶体好。 反＊之回， 复拉温应度力：容T回易=使( 晶0.体的滑移面分离，容易导致缺陷处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属的塑性越差。
3.应力状态
金属采用
情况不同，所呈现的塑性和变形抗
力也不同。 压应力不容易使晶体的滑移面分离，且气孔、 缩孔、缩松等缺陷的影响也会减小，因此，压 应力的数目越多，金属的塑性越好。反之，拉 应力容易使晶体的滑移面分离，容易导致缺陷 处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属 的塑性越差。
1.细化晶体组织
在金属塑性变形的过程中，坯料内部（坯 料为钢锭）的气孔、缩孔、缩松等缺陷得到焊 合，金属的致密性提高，粗大的铸态组织转变 为细化的再结晶组织，力学性能得以提高。
钢锭变形前后 组织的示意图
2.形成纤维组织
在金属塑性变形的过程中，晶粒除了被细化 外，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形 状都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状分布。 使金属材料的机械性能出现各向异性：沿纤维方 向比垂直于纤维方向的强度、塑性和韧性要高。
＊热再变 结形晶时温，度变：形T再抗力= 小0. ，塑性好，但工件表面氧化现象严重，因此，工件表面质量比较差。 外向，比基 垂体直金于属纤的维晶方粒向形的状强和度沿、晶塑界性分和布韧的性杂要质高形。 ＊金冷属变 的形塑时性因成存型在工加艺工基硬础化，因此，变形程度不宜过大，以免工件开裂。 反之，拉应力容易使晶体的滑移面分离，容易导致缺陷处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属的塑性越差。 金属塑性成型一理论基础
形抗力低。此时的变形称为热变形。 多晶体塑性变形的特征:
同金一属种 在金加属热，时其，内其部组组织织和结性构能不的同变，化塑分性为也就不同，如：单相固溶体的塑性比多相固溶体好。 反＊之回， 复拉温应度力：容T回易=使( 晶0.体的滑移面分离，容易导致缺陷处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属的塑性越差。
3.应力状态
金属采用
情况不同，所呈现的塑性和变形抗
力也不同。 压应力不容易使晶体的滑移面分离，且气孔、 缩孔、缩松等缺陷的影响也会减小，因此，压 应力的数目越多，金属的塑性越好。反之，拉 应力容易使晶体的滑移面分离，容易导致缺陷 处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属 的塑性越差。
1.细化晶体组织
在金属塑性变形的过程中，坯料内部（坯 料为钢锭）的气孔、缩孔、缩松等缺陷得到焊 合，金属的致密性提高，粗大的铸态组织转变 为细化的再结晶组织，力学性能得以提高。
钢锭变形前后 组织的示意图
2.形成纤维组织
在金属塑性变形的过程中，晶粒除了被细化 外，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形 状都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状分布。 使金属材料的机械性能出现各向异性：沿纤维方 向比垂直于纤维方向的强度、塑性和韧性要高。
第三章 金属的塑性变形
来自晶界的影响细晶强化
细晶强化:通过细化晶粒来同时提高强度, 细晶强化:通过细化晶粒来同时提高强度, 塑性,韧性的方法 塑性, 原理:金属的晶粒越细小,①晶界越多, 原理:金属的晶粒越细小, 晶界越多, 其变形抗力越高;②晶粒数目较多,每个晶 其变形抗力越高; 晶粒数目较多, 粒所分担的外力较小; 粒所分担的外力较小;③晶界总量较长且曲 折,裂纹扩展困难. 裂纹扩展困难.
性能变化— 性能变化—产生各向异性
由于纤维组织和形变织构的形成, 由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属 的性能产生各向异性. 的性能产生各向异性.
无
有
制耳" 各向异性导致的铜板 "制耳"
残余内应力的形成
储存能:外力去除后,仍残存在材料内部的 储存能:外力去除后, 畸变能. 畸变能. 储存能的具体表现方式为:宏观残余应力, 储存能的具体表现方式为:宏观残余应力, 微观残余应力及点阵畸变. 微观残余应力及点阵畸变. 按照残余应力平衡范围的不同,通常可将其 按照残余应力平衡范围的不同, 分为三种: 分为三种:
组织变化— 组织变化—亚结构的形成
金属经大的塑性变形时, 金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和 发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同 的小晶块, 而在晶粒内产生亚结构. 的小晶块, 而在晶粒内产生亚结构.
应力形式
任何外力都可以分解为: 任何外力都可以分解为:
一个正应力( 一个正应力(σ) 一个切应力( 一个切应力(τ)
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
细晶强化:通过细化晶粒来同时提高强度, 细晶强化:通过细化晶粒来同时提高强度, 塑性,韧性的方法 塑性, 原理:金属的晶粒越细小,①晶界越多, 原理:金属的晶粒越细小, 晶界越多, 其变形抗力越高;②晶粒数目较多,每个晶 其变形抗力越高; 晶粒数目较多, 粒所分担的外力较小; 粒所分担的外力较小;③晶界总量较长且曲 折,裂纹扩展困难. 裂纹扩展困难.
性能变化— 性能变化—产生各向异性
由于纤维组织和形变织构的形成, 由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属 的性能产生各向异性. 的性能产生各向异性.
无
有
制耳" 各向异性导致的铜板 "制耳"
残余内应力的形成
储存能:外力去除后,仍残存在材料内部的 储存能:外力去除后, 畸变能. 畸变能. 储存能的具体表现方式为:宏观残余应力, 储存能的具体表现方式为:宏观残余应力, 微观残余应力及点阵畸变. 微观残余应力及点阵畸变. 按照残余应力平衡范围的不同,通常可将其 按照残余应力平衡范围的不同, 分为三种: 分为三种:
组织变化— 组织变化—亚结构的形成
金属经大的塑性变形时, 金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和 发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同 的小晶块, 而在晶粒内产生亚结构. 的小晶块, 而在晶粒内产生亚结构.
应力形式
任何外力都可以分解为: 任何外力都可以分解为:
一个正应力( 一个正应力(σ) 一个切应力( 一个切应力(τ)
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
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27.04.2020
3.1 金属塑性变形的基本理论
16
化学成分对可锻性影响
❖ 金属的化学成分不同，可锻性也不同
一般纯金属的可锻性比合金好，而且合金元素 的种类、含量越多，可锻性越差。
27.04.2020
3.1 金属塑性变形的基本理论
17
组织结构对可锻性影响
❖ 成分相同而金属组织结构不同，则可锻 性差别很大：
27.04.2020
3.1 金属塑性变形的基本理论
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冷变形和热变形
❖ 冷变形——再结晶温度以下的变形
由于有加工硬化的存在，故冷变形可提高工件的强度 和硬度，但冷变形不能太大，否则易开裂；
由于没有氧化及温差小，故可获得较高的精度和表面 质量；
❖ 热变形——再结晶温度以上的变形
热变形能以较小的功达到较大的变形，故省力；
❖ 包括锻造和冲压；
❖ 只适合塑性好的金属材料如中、低碳钢； 大多数有色金属及其合金。
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压力加工分类
❖ 锻压 锻造 模锻
自由锻 手工自由锻（打铁）
机器自由锻（锤类、
压力机）
冲压
❖ 挤压
❖ 拉拔
❖ 轧制。
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❖ 当最大正应力与纤维方向重合，或最大切应力与 纤维方向垂直时，受力状况最好，因此，在设计 和制造零件时，应使零件工作时的最大正应力与 纤维方向重合，最大切应力与纤维方向垂直，并 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；
❖ 纤维组织稳定性很高，不能用热处理和其它方法 消除它，只有通过金属的塑性变形，方能改变其 方向和形状。
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晶粒间的滑移
❖ 多晶体的塑性变形
大多数金属都属于多晶体，其塑性变形是所有 单晶粒变形的综合作用，即晶内滑移和晶间的 转动；
每个单晶粒内部的塑性变形仍主要是滑移； 但在多晶体变形中同时伴随有晶粒间的滑移和
转动 。
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影响金属可锻性的因素
❖ 金属的本质（物理特性） 化学成分的影响 组织结构的影响
❖ 加工条件 变形温度 变形速度 应力状态 。
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晶粒内部的滑移
❖ 单晶体的塑性变形的过程
未变形
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金属的再结晶 图3-5
❖ 当温度升高到T再时，金属原子动能增加，原子扩
散能力更高，能以某些碎晶或杂质为核心，重新 生核和成长为新的晶粒，从而完全消除了加工硬 化现象。该过程称为再结晶，此温度称为再结晶 温度，即：
T再 = 0.4 T熔
例 如 ： 钢 的 熔 点 t 熔 为 1535℃ ， 则 t 再 = 0.4 (1535+273)K = 723 K，即钢的再结晶温度t再 = (723-273) ℃ = 450 ℃。
❖ 当温度适当提高时，由于原子动能的增加，原子 扩散能力提高，使晶格畸变程度减轻，内应力明 显减小。使加工硬化部分消除的现象。这一过程 称回复，此温度称回复温度，即
T回=（0.25--0.30）T熔
❖ 生产中对塑性变形后的工件进行低温退火，就是 利用回复的原理。
如碳钢弹簧在冷卷后加热到250~300℃，再缓慢冷却以 消除力应力。
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塑性变形后金属的组织及性能
❖加工硬化 ❖回复 ❖再结晶 ❖冷变形和热变形 ❖纤维组织 。
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金属的可锻性
❖ 金属的可锻性是指进行加工时的难 易程度，（是衡量材料经受压力加 工难易程度的工艺性能）；
❖ 与塑性及变形抗力有关（综合在一 起来衡量）塑性高、变形抗力小， 则可锻性好；反之，则差。
❖ 弹性变形的本质（物理解释）；图3-1
外力应力原子离开平衡位置变形原子位
能增加返回趋势外力消失变形消失弹性
变形
图3-1
图3-3
❖ 金属塑性变形的实质——晶粒内部或晶粒
之间产生的滑移及转动； 图3-2
❖ 由于晶体内部存在大量的缺陷，故实际变形
的应力要比理论小得多，多为位错运动，即
缺陷的转移。
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概论
❖ 3.1 金属塑性变形的基本理论； ❖ 3.2 自由锻； ❖ 3.3 模锻； ❖ 3.4 板料冲压。
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金属压力加工概论
❖ 压力加工是使金属材料在外力作用下产 生塑性变形，（永久变形）以获得所需 形状、尺寸及机械性能的毛坯或零件的 一种热加工工艺；
❖ 无外力、正常晶格
弹性变形
❖ 外力小于屈服极限，弹性变形
弹－塑性变形
❖ 若外力继续增加，超过其屈服强度时，原子间距进一步增加， 原子沿着一定的晶面产生相对滑移（该面称滑移面）
塑性变形
❖ 外力去除后，原子在新的平衡位置上稳定下来，即弹性变形恢 复，但滑移变形保留下来，即塑性变形。
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金属的加工硬化
图3-4，5
❖ 随着变化程度地增加，这种由于塑性变形 在滑移面附近引起晶格的严重畸变，甚至 产生碎晶而引起的强度和硬度的提高，塑 性和韧性下降，这种现象称为加工硬化;
❖ 多数冲压件要利用加工硬化提高零件的强 度。
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金属的回复
图3-5
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金属在塑性Leabharlann 形中的特点❖ 坯料体积不变，只是坯料形状和尺寸的重 新分配的结果（变形工艺）；
❖ 与切削加工比较，压力加工的生产效率高， 且能节约大量金属；
❖ 机械性能高； ❖ 由于坯料在固态下成形，受成形工具的限
制，故产品的截面形状不能太复杂。
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金属塑性变形的基本理论
无加工硬化存在；
晶粒细化，故能获得较高机械性能的再结晶组织；
应用广泛；常用于重要的零件。
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纤维组织
图3-6
❖ 纤维组织——热变形时，晶粒和晶界上的杂质 都被压扁、且沿变形方向拉长，并被保留下来， 这种性能各向异性的组织，称为纤维组织； 图3-7
纯金属及固溶体（如奥氏体）具有较好的可 锻性，而化合物（如渗碳体）则可锻性很差；
金属在单相状态下的可锻性比多相状态时好； 细晶组织可锻性较粗晶组织的可锻性好。