第06章 塑变
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塑变
滑移的实质是位错的运动
对应于位错运动，在滑 移的过程中，只需要位错中 心上面的两列原子（实际为 两个半原子面）向右作微量 的位移，位错中心下面的一 列原子向左作微量的位移， 位错中心便会发生一个原子 间距的右移。由此可见，通 过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原 子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极 少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切 应力便远远小于整体刚性滑移。
位错的塞积
位错运动时，在其 前沿如果有障碍(如晶界、 不可变形的硬质点……)， 就停留不能前进，若同一 位错源不断产生一系列位 错源源而来，在此将产生 塞积。
位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的 后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；② 晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松 弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。
滑移系
滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排 晶面； 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向； 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以 滑移的方式称为“滑移系”。
典型晶格的滑移系
FCC
滑移系对性能的影响
晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大， 材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的 滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心 立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系， 但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁 及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立 方晶格的金属差。
3. 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部 某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比 值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变 形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”； 变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位 体积之比值称为“体积应变”。
第六章 塑性变形习题集-附部分答案
1.简单立方晶体(100)面有1 个[]010=b 的刃位错(a)在(001)面有1 个b =[010]的刃位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折结还是割阶？ (b)在(001)面有1 个b =[100]的螺位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折还是割阶？解：两位错相割后，在位错留下一个大小和方向与对方位错的柏氏矢量相同的一小段位错，如果这小段位错在原位错的滑移面上，则它是扭折；否则是割阶。
为了讨论方便，设(100)面上[]010=b 的刃位错为A 位错，(001)面上b =[010]的刃位错为B 位错，(001)面上b =[100]的螺位错为C 位错。
(a) A 位错与B 位错相割后，A 位错产生方向为[010]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[010]⋅[100]=0，即小段位错是在A 位错的滑移面上，所以它是扭折；而在B 位错产生方向为[ 010 ]的小段位错，B 位错的滑移面是(001)， [010]⋅[001]=0 ，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
(b)A 位错与C 位错相割后，A 位错产生方向为[100]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[100]⋅[100]≠0 ，即小段位错不在A 位错的滑移面上，所以它是割阶；而在C 位错产生方向为[]010的小段位错，C 位错的滑移面是(001)，[][]0001010=•，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
2.下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的2 个同号刃位错AB 和CD ，距离为x ，他们作F-R 源开动。
(a)画出这2 个F-R 源增殖时的逐步过程，二者发生交互作用时，会发生什么情况？(b)若2 位错是异号位错时，情况又会怎样？解：(a)两个位错是同号，当位错源开动时，两个位错向同一方向拱弯，如下图(b)所示。
在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如上图(c)中的P 处所示。
6 金属塑性变形与流动问题
定义：变形体为保持自身的完整和连续， 约束不均匀变形而产生的内力。 特点： （１）附加应力由不均匀变形引起，同 时又限制不均匀变形的自由发展。 （２）附加应力必然互相平衡成对出现。 （即当一处受附加压应力时，另一处必受附 加拉应力）
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。
6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。
6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
材料物理基础-第六章_1_2012
R 达到临界值 CR 即发生屈服 （单晶的屈服强度）
• 另，滑移面上的正应力：
n
21
P cos 2 A0
• 滑移沿特定的晶面和晶向进行 在取向因子最大的滑移系发生滑移和屈服
cos cos 0.5
对于单晶体，不同位向的拉伸结果不同
Anthracene single crystal
滑移到 li 时的分解剪应力表达式为：
sin 2 0 P sin 0 1 2 A li / l0
4
§6.1.1 滑移的晶体学特征 (Crystallography of slip)
• 对抛光的试样进行拉伸实验，在试样表面可观察到滑移带 (Slip bands)
电镜观察：每一滑移带由很多滑移线组成
50m
Slip bands on an aluminium crystal D: 滑移带宽度， Al单晶：400nm, 1000原子间距（Al, a0 = 0.405 nm） l: 滑移带间距， Al单晶：220m, 10000原子间距
• 实际晶体中的位错运动往往以分位错的方式进行
扩展位错 堆垛层错
分位错 分位错
b1 b2 b3
• 位错应变能与 Gb2成正比，E Gb2 • 位错反应（分解）的条件
全位错
bi bk 2 b bk i
• 以 FCC 为例
（几何条件）
2
（能量条件）
HCP: {0001} 1120 2个独立 2个独立 4个独立 往往有孪生变形 参与构成协调变形
{10 10} 1120 {10 11} 1120
14
§6.1.2 分位错与堆垛层错能
• 另，滑移面上的正应力：
n
21
P cos 2 A0
• 滑移沿特定的晶面和晶向进行 在取向因子最大的滑移系发生滑移和屈服
cos cos 0.5
对于单晶体，不同位向的拉伸结果不同
Anthracene single crystal
滑移到 li 时的分解剪应力表达式为：
sin 2 0 P sin 0 1 2 A li / l0
4
§6.1.1 滑移的晶体学特征 (Crystallography of slip)
• 对抛光的试样进行拉伸实验，在试样表面可观察到滑移带 (Slip bands)
电镜观察：每一滑移带由很多滑移线组成
50m
Slip bands on an aluminium crystal D: 滑移带宽度， Al单晶：400nm, 1000原子间距（Al, a0 = 0.405 nm） l: 滑移带间距， Al单晶：220m, 10000原子间距
• 实际晶体中的位错运动往往以分位错的方式进行
扩展位错 堆垛层错
分位错 分位错
b1 b2 b3
• 位错应变能与 Gb2成正比，E Gb2 • 位错反应（分解）的条件
全位错
bi bk 2 b bk i
• 以 FCC 为例
（几何条件）
2
（能量条件）
HCP: {0001} 1120 2个独立 2个独立 4个独立 往往有孪生变形 参与构成协调变形
{10 10} 1120 {10 11} 1120
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§6.1.2 分位错与堆垛层错能
《金属学原理》各章习题及解答(晶体的塑性变形)
C-w1 线上 的极点方向，它的等效滑移系为 DIV和 AII， 这两个滑移系可以开动；如果力轴处于 w1 极点 （[001]） 方向， 它的等效滑移系为 DIV、 AII、CI、CIII、BII、BIV、DI和 AIII，这八 个滑移系可以开动； 如果力轴处于 w1-B 线上 的极点方向，它的等效滑移系为 DI和 AIII， 这两个滑移系可以开动；如果力轴处于 B 的 极点方向， 它的等效滑移系为 DI、 AIII、 AVI、 DVI、C1和 CIII，这六个滑移系可以开动。 如果力轴处于 B-VI线上的极点方向，它的等 效滑移系为 CI、CIII，这两个滑移系可以开 动。 8. 面心立方晶体拉伸时，力轴为[ 1 1 0 ]，写出滑移的等效的滑移系。 解：力轴为[ 1 1 0 ]相当上题极图上的V点，从图看出，它的等效滑移系 AII、AIII、DI和 DIV，即( 1 11 )[ 0 1 1 ]、( 1 11 )[101]、( 1 1 1 )[011]和( 1 1 1 )[ 1 01 ]。 9. 面心立方晶体沿[131]轴拉伸，确定如下滑移系的分切应力：(111)[ 0 1 1 ]、(111)[ 10 1 ]、 (111)[ 1 1 0 ]。拉伸应力为 6.9×105 Pa。 解： 根据拉伸应力σ与滑移系上的分切应力τ间的关系为 τ = σ cos λ cosϕ ， 对于(111)[ 0 1 1 ] 滑移系， [131]与滑移面法线[111]夹角ϕ的余弦 cosϕ以及[131]与滑移方向[ 0 1 1 ]夹角λ的余 弦 cosλ分别是 1+ 3+1 5 cos ϕ = = = 0.870 2 3 11 1+1+1 1+ 3 +1
σc =
τc = 2.4 × 10 5 × 3 × 2 Pa = 5.89 × 105 Pa cosϕ cos λ
σc =
τc = 2.4 × 10 5 × 3 × 2 Pa = 5.89 × 105 Pa cosϕ cos λ
材料科学基础 第七章 材料的塑性变形 (2)
25
第二节 单晶体的塑性变形
第 六 章 塑 性 变 形 第 二 节 单 晶 体 塑 变
26
密排六方： 密排六方：
第 六 章 塑 性 变 形 第 二 节 单 晶 体 塑 变
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
第六章 塑性变形
1
第六章 塑性变形
利用材料的塑性， 利用材料的塑性，我 们可以对材料进行压力 加工（如轧制、锻造、 加工（如轧制、锻造、 挤压、拉拔、冲压等) 挤压、拉拔、冲压等)， 为金属材料的成型提供 了经济有效的途径。 了经济有效的途径。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
第二节 单晶体的塑性变形
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第 六 章 塑 性 变 形 第 二 节 单 晶 体 塑 变
第二节 单晶体的塑性变形
一 滑移 光镜下： 光镜下：滑移带 电境下： 电境下：滑移线 台阶： 台阶： 2 滑移的表象学
铜单晶塑性变形后的滑移带
18
第 六 章 一 滑移 塑 3 滑移系： 滑移系： 性 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些 变 晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。 晶面称为滑移面 晶向称为滑移方向 滑移面， 滑移方向。 形 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。
5
第 六 章 从曲线上可以看出，材料在拉伸过程中，一般经历三个阶段： 从曲线上可以看出，材料在拉伸过程中，一般经历三个阶段： 塑 弹性变形→弹塑变形→ 弹性变形→弹塑变形→断裂 性 弹性变形： 弹性变形： 变 在应力低于弹性极限( 之间保持线性关系: 在应力低于弹性极限(σe)时,σ和ε之间保持线性关系: 形 σ =Eε,其特点是，外力去除后，变形可以完全恢复。 其特点是，外力去除后，变形可以完全恢复。 弹塑变形： 第 弹塑变形： 除了弹性变形外， 当外力大于σe后，小于σb，除了弹性变形外，开始发生 一 均匀塑性变形。其特点是这时若去掉外力，弹性变形部分恢复， 均匀塑性变形。其特点是这时若去掉外力，弹性变形部分恢复， 节 但留下了永久变形，即塑性变形（均匀塑性变形）。 但留下了永久变形，即塑性变形（均匀塑性变形）。 金 断裂： 断裂： 属 之后，试样开始发生不均匀塑性变形 开始发生不均匀塑性变形， 当外力达到σb之后，试样开始发生不均匀塑性变形，产生 变 缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。 缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。 形 概 述
塑性变形-变化
第 六 章
第二节 单晶体的塑性变形
5. 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：只有一组滑移系处于最有利的位置，进行的单 系滑移 多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。
第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形
单滑移
多滑移
第 六 章
第二节 单晶体的塑性变形
对于面心立方，滑移系为 {111}<110>。4个{111}面构成一 个四面体。 对所有的{111}面，φ相同， 对所有的<110>晶向，λ角都相等
e3
A E
e1 e2
C
B
(a)Tc>T>Tb A
L+A L L+C C A
(b)Te3>T>Te1 L+A+C L+A L L+B
L+C
C
B
B
(c)Te2>T>TE A L+A+C L+A L L+A+B L+B L+C L+B+C C A
(d) T=TE L+A+C L+A+B+C L+A+B L+B+C C
0
流变曲线：
S ke
n
n: 形变强化指数，n 越 大，强 化效果越大。
第 六 章
第一节 金属的变形概述
真应力-真应变曲线与标称应力-应变曲线的比较
Y ,
第 一 节 金 属 变 形 概 述
均匀变形
存在颈缩
o
—— 真实应力-对数应变曲线 —— 标称应力-对数应变曲线
材料科学基础第六章
编辑课件
24
• 6.2.1.4 滑移时晶体的转动：晶体被拉伸而 产生滑移时，由于拉力共线的影响，晶面 位向会发生改变, 结果使滑移面和滑移方向 逐渐趋于平行于拉力轴线；而压缩时，晶 面改变的
• 结果使滑
• 移面逐渐
• 趋于与压
• 力轴线垂
• 直。
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25
• 滑移面和滑移方向的改变必然导致斯密特 因子m的改变。
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27
编辑课件
28
• 面心立方金属的滑移系为{111}<110>，4个{111} 面构成一个八面体。当拉力轴为[001]时，
• (1) 对所有{111}面， cosφ=02+02+12/(12+12+12·02+02+12)=1/3 φ=54.7º，
• (2) λ角对[101]，[101] • [011]，[011]也都为45º， • (3) 锥体底面上的两个 • <110>方向与[001]垂 • 直。
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29
• 因此，八面体上有8个滑移系具有相同的取 向因子，当τ=τk时可以同时开动。但由于这 些滑移系有不同位向的滑移面和滑移方向 构成，滑移时有交互作用，产生交割和反 应，使滑移变得困难，产生较强的加工硬 化。
• 当两个以上的滑移
• 面沿同一方向滑移
• 便形成交滑移。
编辑课件
30
• 发生交滑移时， • 晶体表面会出现 • 曲折或波纹状的 • 滑移带。 • 最容易发生交滑 • 移的是体心立方 • 金属，滑移面为 • {110}，{112}和{123}，滑移方向总是<111>。 • 因滑移面不受限制，所以交滑移必是纯螺形位错，
塑变机理
17:39 52
2.1材料的塑性变形机理
小结：晶体（金属）的塑变机理
单晶体：滑移，孪生 多晶体：非同时性、非均匀性； 晶界阻碍滑移 纤维组织、位错胞、织构
2.1材料的塑性变形机理
2.1.2 陶瓷材料的塑性变形 一、单晶陶瓷的塑性 一、结合键对位错运动的影响 二、多晶陶瓷的塑性
三、非晶陶瓷的塑性
＋ ＋
17:39
＋ ＋ ＋ ＋
9
2. 滑移系
2.1材料的塑性变形机理
一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系个数=滑移面数×每个面上的滑移方向数 滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面一般为 {111} ， 滑移方向<110>； 4×3=12个滑移系 Cu,Al,Ni,Au 滑移面 滑移方向
1） 单滑移 只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先 开动时，形成单滑移。 一个晶粒内只有一组平行的滑 移线(带)。 变形量很小的情况下发生。 位错在滑移过程中不与其它位 错交互作用，因此对材料的强 化作用很弱。
17:39 24
2.1材料的塑性变形机理
2） 交滑移：（《材料科学基础》螺位错） 螺位错的交滑移和双交滑移。晶体在两个或多个不 同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
所以，滑移系(111) [011] 上的分切应力为40.8MPa。
5. 滑移时晶体的转动
位向和晶面的变化：
2.1材料的塑性变形机理
（动画）
17:39
力偶σ1及σ2使滑移面 向拉伸轴向转动
20
拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
压缩转动
17:39
2.1材料的塑性变形机理
小结：晶体（金属）的塑变机理
单晶体：滑移，孪生 多晶体：非同时性、非均匀性； 晶界阻碍滑移 纤维组织、位错胞、织构
2.1材料的塑性变形机理
2.1.2 陶瓷材料的塑性变形 一、单晶陶瓷的塑性 一、结合键对位错运动的影响 二、多晶陶瓷的塑性
三、非晶陶瓷的塑性
＋ ＋
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＋ ＋ ＋ ＋
9
2. 滑移系
2.1材料的塑性变形机理
一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系个数=滑移面数×每个面上的滑移方向数 滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面一般为 {111} ， 滑移方向<110>； 4×3=12个滑移系 Cu,Al,Ni,Au 滑移面 滑移方向
1） 单滑移 只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先 开动时，形成单滑移。 一个晶粒内只有一组平行的滑 移线(带)。 变形量很小的情况下发生。 位错在滑移过程中不与其它位 错交互作用，因此对材料的强 化作用很弱。
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2.1材料的塑性变形机理
2） 交滑移：（《材料科学基础》螺位错） 螺位错的交滑移和双交滑移。晶体在两个或多个不 同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
所以，滑移系(111) [011] 上的分切应力为40.8MPa。
5. 滑移时晶体的转动
位向和晶面的变化：
2.1材料的塑性变形机理
（动画）
17:39
力偶σ1及σ2使滑移面 向拉伸轴向转动
20
拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
压缩转动
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第六章塑性变形
吕德斯带危害：因屈服延伸区的不均
匀变形（吕德斯带）使工件表面粗糙
不同。
第六章塑性变形
24
2 应变时效 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
低碳钢时效图
第六章塑性变形
25
三 多相合金的塑性变形
单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。 第二相可通过相变热处理（沉淀强化，时效强化）或 粉末冶金方法（弥散强化）获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类
滑移过程可能采取的空间取向越多塑性越好在其他条件相同时金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114110312cualniau110612fewmo体心立方1211211112few1232424fe00011mgznti10101120mgzrti1011轴向拉力p拉伸轴与滑移面法向on及滑移方向ot的夹角分别为和临界分切应力滑移是在切应力作用下发生的滑移发生的力学条件
发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 3）交滑移 交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上 沿同一滑移方向进行的滑移。
第六章塑性变形
12
多滑移
第六章塑性变形
13
交滑移
第六章塑性变形
14
交滑移和多滑移的区别：
发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交滑移 时会出现曲折或波纹状的滑移带。
交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。可 以同时进行共向滑移。
5）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，所以 在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光 后，虽然表面浮凸可以去掉，但因已变形区的晶体位 向不同，所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶。而滑 移变形后的试样经抛光后滑移带消失。
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18
第三节 多晶体的塑性变形
三、塑性变形过程
整体的均匀化 多晶体材料在外力作用下，首批处于软位向的晶粒 发生滑移，而晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒 尚不能发生滑移，在首批晶粒的晶界附近造成位错堆 积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才 会越过晶界，传递到另一批晶粒中。 随着滑移的发生，晶粒的位向也在发生转动，有位 向硬化的晶粒和软化的晶粒，软位向的晶粒开始滑移 变形。多晶体塑性变形是一批一批晶粒逐步地发生， 从少量晶粒逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐 步发展到较均匀的变形，要比单晶体中复杂得多。
19
第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
1.孪生
20
第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
孪生产生条件 在切应力作用下产生的，所需要的切应力比滑 移要大得多，仅在滑移困难时才会发生。 1) 出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方)； 2) 在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时 产生孪生。
四、增加了残余内应力
塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，主要是 由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。
第一类内应力 材料表层和心、这一部分和那一部分变形不均匀，造成平衡于 它们之间的宏观内应力. 第二类内应力 相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均 匀，会造成微观内应力. 第三类内应力 位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变.
第六章 金属材料的塑性变形
概述 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 塑性变形对材料组织性能的影响
变形后金属的加热变化
金属的热塑性变形
1
一、变形过程中的名词概念
第一节 概述
1. 变形 物体在外力的作用下,其形状和尺寸的改变。 2. 应力 物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。 3. 应变 物体形状尺寸所发生的相对改变。
弹性变形
特点 服从虎克定律，及应 力与应变成正比 实质 在应力的作用下，材料内部原子间距偏离平衡位置，但 未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。 原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力 3 便可以使变形完全恢复。
第一节 概述
三、塑性变形
塑性变形定义
不能恢复的永久性变形叫塑 性变形。
说明 滑移过程，只需要位错中心 上面的两列原子（实际为两 个半原子面）向右作微量的 位移，位错中心下面的一列 原子向左作微量的位移，位 错中心便会发生一个原子间 距的右移。
通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部 的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附 近的极少量的原子作微量的位移即可，需要的临界切 14 应力便远远小于整体刚性滑移。
｛111｝4
<110>3
｛0001｝1
<1000>3
滑移系数
12
12
3
10
第二节 单晶体的滑移
四、滑移与外力方向的关系
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τ c是一 常数，等于或者大于一定 的临界值（临界切应力） 时，滑移才能发生。
11
第二节 单晶体的滑移
五、滑移变形的特点
1. 滑移只能在切应力的作用下发生。 2. 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。 在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结 合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这 种滑移所需要的外加切应力最小。 3. 滑动的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会 在晶体的表面上造成台阶。 4. 滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
第三节 多晶体的塑性变形
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不同，故在同一外力作用 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。
软位向 施密特因子较大(接近1/2)，分切应力较大 的必将首先发生滑移变形； 硬位向 滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平 行或垂直，即施密特因子较小(接近0)的晶粒，它们 所受的分切应力将较小，较难发生滑移。
第四节 塑性变形对组织性能的影响
二、对组织形貌的影响
1. 晶粒变形 金属塑性变形时，随着外形的改变，内 部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被 拉长(拉伸)或压扁(压缩)。变形的程度愈大，则晶 粒形状的改变也愈大。
24
第四节 塑性变形对组织性能的影响
二、对组织形貌的影响
2. 晶界模糊 变形量很大时，晶界变得模糊不 清，原因：位错移出晶粒在边界造成的台阶 使晶界交错，进一步降低了晶界的耐腐蚀性。 3. 纤维组织 在金属变形较大时，材料中的夹 杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。 纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现 出不同的力学性能，即产生一定程度的各向 异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于 垂直方向，等等。
对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的，如有织构的金 属板材冲制筒形零件，不同方向上塑性的差别较大，深冲后零 件的边缘不齐出现“制耳”现象；另外在不同方向上变形不同， 制成的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带 来好处，制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压 27 器的效率。
第四节 塑性变形对组织性能的影响
第三节 多晶体的塑性变形
一、多晶体的塑性变形协调性
多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界 处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两 边的变形需要达到互相协调。 为满足协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发 生运动，即以滑移方式产生塑性变形效果，需要临近 晶粒作出相应的变形。晶界两边的晶粒取向不一样， 靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，要求邻 近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身 晶粒除了变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统 同时动作才行。所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍 15 作用，增加了滑移要求的外力。
第三类内应力占绝大部分，是变形金属强化的主要原因。但耐腐蚀性下降。 第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步加工会打破原有平衡，引起材料的变 形；或者和零件使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要用退火的办法 尽量将其消除。 28
第五节 变形后金属的加热变化
引言
1) 冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等 性能变化，在很多情况下并不是人门希望的，可以通 过加热引起的组织变化来改变这些性能。 2)在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增 加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内 能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量 的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子 在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向 发展，造成组织和性能的变化。
26
第四节 塑性变形对组织性能的影响
三、变形织构的产生
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, 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。
滑移
晶体材料塑性变形的基本方式。
非晶体材料 原子为无规则堆积，像液体一样只能以 流动方式来进行，衡量变形难易程度的参数为粘度。 在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形 状的为固体。
5
第二节 单晶体的滑移
一、滑移概念
滑移 滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的 6 另一部分发生的相对滑动。
2.蠕变 所谓蠕变是指材料在高温下(高于0.3Tm)的变形不 仅与应力有关，且和应力作用时间有关。蠕变现象可 看着在应力作用下原子的扩散。原子的定向流动本身 可造成材料的变形。
21
第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
3.粘滞性流动 在液体状态下，原子呈无规则排列，没有固定的 形状，处于可流动的状态。液体的流动性用黏度来度 量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材料就处于 固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着是过冷的 液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克服黏度的 阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的形状和尺 寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视为一种塑 性变形。
第二节 单晶体的滑移
二、滑移过程说明
在切应力的作用下，晶格发生弹性歪扭，进一步将使 晶格发生滑移； 外力去除后，原子到了新的平衡位置，晶体不能恢复 到原来的形状，保留永久的变形。 大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面 将出现滑移台阶。
7
第二节 单晶体的滑移
三、滑移与晶体结构的关系
16
第三节 多晶体的塑性变形
二、晶界对滑移的影响
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。 原因 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。 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。 17
12
第二节 单晶体的滑移
六、滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上 的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切 应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错 从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的 13 滑移。
第二节 单晶体的滑移
六、滑移的实质是位错的运动
第三节 多晶体的塑性变形
二、晶界对滑移的影响
位错的塞积 一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作， 位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位 向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞 积起来； 加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸 变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。 晶界的存在可以提高材料的强度。 对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强 度和晶粒大小有以下关系： d 晶粒的平均直径，k为比例常数。即霍尔-佩奇 (Hall-Petch)关系。
第三节 多晶体的塑性变形
三、塑性变形过程
整体的均匀化 多晶体材料在外力作用下，首批处于软位向的晶粒 发生滑移，而晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒 尚不能发生滑移，在首批晶粒的晶界附近造成位错堆 积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才 会越过晶界，传递到另一批晶粒中。 随着滑移的发生，晶粒的位向也在发生转动，有位 向硬化的晶粒和软化的晶粒，软位向的晶粒开始滑移 变形。多晶体塑性变形是一批一批晶粒逐步地发生， 从少量晶粒逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐 步发展到较均匀的变形，要比单晶体中复杂得多。
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第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
1.孪生
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第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
孪生产生条件 在切应力作用下产生的，所需要的切应力比滑 移要大得多，仅在滑移困难时才会发生。 1) 出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方)； 2) 在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时 产生孪生。
四、增加了残余内应力
塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，主要是 由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。
第一类内应力 材料表层和心、这一部分和那一部分变形不均匀，造成平衡于 它们之间的宏观内应力. 第二类内应力 相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均 匀，会造成微观内应力. 第三类内应力 位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变.
第六章 金属材料的塑性变形
概述 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 塑性变形对材料组织性能的影响
变形后金属的加热变化
金属的热塑性变形
1
一、变形过程中的名词概念
第一节 概述
1. 变形 物体在外力的作用下,其形状和尺寸的改变。 2. 应力 物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。 3. 应变 物体形状尺寸所发生的相对改变。
弹性变形
特点 服从虎克定律，及应 力与应变成正比 实质 在应力的作用下，材料内部原子间距偏离平衡位置，但 未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。 原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力 3 便可以使变形完全恢复。
第一节 概述
三、塑性变形
塑性变形定义
不能恢复的永久性变形叫塑 性变形。
说明 滑移过程，只需要位错中心 上面的两列原子（实际为两 个半原子面）向右作微量的 位移，位错中心下面的一列 原子向左作微量的位移，位 错中心便会发生一个原子间 距的右移。
通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部 的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附 近的极少量的原子作微量的位移即可，需要的临界切 14 应力便远远小于整体刚性滑移。
｛111｝4
<110>3
｛0001｝1
<1000>3
滑移系数
12
12
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第二节 单晶体的滑移
四、滑移与外力方向的关系
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τ c是一 常数，等于或者大于一定 的临界值（临界切应力） 时，滑移才能发生。
11
第二节 单晶体的滑移
五、滑移变形的特点
1. 滑移只能在切应力的作用下发生。 2. 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。 在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结 合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这 种滑移所需要的外加切应力最小。 3. 滑动的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会 在晶体的表面上造成台阶。 4. 滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
第三节 多晶体的塑性变形
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不同，故在同一外力作用 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。
软位向 施密特因子较大(接近1/2)，分切应力较大 的必将首先发生滑移变形； 硬位向 滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平 行或垂直，即施密特因子较小(接近0)的晶粒，它们 所受的分切应力将较小，较难发生滑移。
第四节 塑性变形对组织性能的影响
二、对组织形貌的影响
1. 晶粒变形 金属塑性变形时，随着外形的改变，内 部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被 拉长(拉伸)或压扁(压缩)。变形的程度愈大，则晶 粒形状的改变也愈大。
24
第四节 塑性变形对组织性能的影响
二、对组织形貌的影响
2. 晶界模糊 变形量很大时，晶界变得模糊不 清，原因：位错移出晶粒在边界造成的台阶 使晶界交错，进一步降低了晶界的耐腐蚀性。 3. 纤维组织 在金属变形较大时，材料中的夹 杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。 纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现 出不同的力学性能，即产生一定程度的各向 异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于 垂直方向，等等。
对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的，如有织构的金 属板材冲制筒形零件，不同方向上塑性的差别较大，深冲后零 件的边缘不齐出现“制耳”现象；另外在不同方向上变形不同， 制成的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带 来好处，制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压 27 器的效率。
第四节 塑性变形对组织性能的影响
第三节 多晶体的塑性变形
一、多晶体的塑性变形协调性
多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界 处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两 边的变形需要达到互相协调。 为满足协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发 生运动，即以滑移方式产生塑性变形效果，需要临近 晶粒作出相应的变形。晶界两边的晶粒取向不一样， 靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，要求邻 近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身 晶粒除了变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统 同时动作才行。所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍 15 作用，增加了滑移要求的外力。
第三类内应力占绝大部分，是变形金属强化的主要原因。但耐腐蚀性下降。 第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步加工会打破原有平衡，引起材料的变 形；或者和零件使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要用退火的办法 尽量将其消除。 28
第五节 变形后金属的加热变化
引言
1) 冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等 性能变化，在很多情况下并不是人门希望的，可以通 过加热引起的组织变化来改变这些性能。 2)在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增 加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内 能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量 的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子 在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向 发展，造成组织和性能的变化。
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第四节 塑性变形对组织性能的影响
三、变形织构的产生
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, 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。
滑移
晶体材料塑性变形的基本方式。
非晶体材料 原子为无规则堆积，像液体一样只能以 流动方式来进行，衡量变形难易程度的参数为粘度。 在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形 状的为固体。
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第二节 单晶体的滑移
一、滑移概念
滑移 滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的 6 另一部分发生的相对滑动。
2.蠕变 所谓蠕变是指材料在高温下(高于0.3Tm)的变形不 仅与应力有关，且和应力作用时间有关。蠕变现象可 看着在应力作用下原子的扩散。原子的定向流动本身 可造成材料的变形。
21
第三节 多晶体的塑性变形
四、其他塑性变形方式
3.粘滞性流动 在液体状态下，原子呈无规则排列，没有固定的 形状，处于可流动的状态。液体的流动性用黏度来度 量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材料就处于 固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着是过冷的 液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克服黏度的 阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的形状和尺 寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视为一种塑 性变形。
第二节 单晶体的滑移
二、滑移过程说明
在切应力的作用下，晶格发生弹性歪扭，进一步将使 晶格发生滑移； 外力去除后，原子到了新的平衡位置，晶体不能恢复 到原来的形状，保留永久的变形。 大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面 将出现滑移台阶。
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第二节 单晶体的滑移
三、滑移与晶体结构的关系
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第三节 多晶体的塑性变形
二、晶界对滑移的影响
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。 原因 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。 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。 17
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第二节 单晶体的滑移
六、滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上 的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切 应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错 从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的 13 滑移。
第二节 单晶体的滑移
六、滑移的实质是位错的运动
第三节 多晶体的塑性变形
二、晶界对滑移的影响
位错的塞积 一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作， 位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位 向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞 积起来； 加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸 变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。 晶界的存在可以提高材料的强度。 对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强 度和晶粒大小有以下关系： d 晶粒的平均直径，k为比例常数。即霍尔-佩奇 (Hall-Petch)关系。