金属学与热处理第五章 金属及合金的塑性变形
金属材料及热处理考试知识点
《金属材料及热处理》考试知识点考试要求要求学生全面、系统的掌握“金属学与热处理”课程的基础理论、基本知识和基本技能，并能灵活运用金属学与热处理理论分析和解决工程的实际问题的综合能力。
考试知识点（一）金属的晶体结构1、金属的宏观特性。
2、金属的晶体结构；晶体学基础——晶体结构、空间点阵、晶格常数、晶向指数和晶面指数、晶面间距。
三种典型金属晶体结构。
3、实际金属的晶体结构；晶体缺陷——点缺陷、位错和面缺陷。
（二）纯金属的结晶1、金属结晶的基本规律——结晶的两个基本过程，冷却曲线、过冷度。
2、金属结晶的基本条件——结晶的动力学条件、热力学条件和结构条件。
3、形核——均匀形核与非均匀形核。
4、长大——液/固界面的微观结构、晶核的长大机制与晶体的长大形态及温度梯度。
5、结晶理论的应用——结晶理论在实际生产中的具体应用。
（三）合金相结构与二元相图1、合金的相结构——合金、组元、系（统）、相（变）、相平衡、固溶体与金属化合物（中间相）。
2、二元合金相图概论——相图、相律，杠杆定律的应用。
3、匀晶相图——结晶规律、平衡结晶和不平衡结晶。
4、共晶相图——结晶规律、平衡结晶的组织与不平衡结晶组织。
5、包晶相图——结晶规律、平衡结晶的组织与不平衡结晶组织。
6、金属铸锭的组织与缺陷——合金铸锭的三晶区和铸锭组织的缺陷。
（四）铁碳合金1、铁碳相图——基本相的组成及相图的特点。
2、铁碳合金的平衡结晶——铁碳合金的分类，平衡结晶过程及其组织形貌。
3、含碳量的影响——掌握含碳量对铁碳合金平衡组织、机械性能和工艺性能的影响。
（五）金属及合金的塑性变形1、金属的应力-应变曲线——应力-应变曲线、弹性极限、屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。
2、(金属)单晶体的塑性变形——滑移、滑移系、位错的运动和增殖、弗兰克－瑞德源、位错的交割与塞积。
3、多晶体的塑性变形——晶粒尺寸对塑性变形的影响,Hall-Patch公式。
4、合金的塑性变形——合金相对塑性变形的影响，固溶强化、弥散强化、沉淀强化、加工硬化。
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。
材料科学基础-第五章_金属及合金的塑性变形
出，则会在金属表面形成一条滑移线。
位错运动时的原子位移
显然，位错越容易滑动，则晶体越容易发生塑性变形。
结论：
位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
②位错运动的点阵阻力
当柏氏矢量为b 的位错从一个对称位置移到另一个对称位置时，晶体能量
当螺型位错在某一滑移面上移动受到阻碍时，它可离开原滑移面而沿另一 个与原滑移面有着共同滑移方向的晶面继续移动，这一过程称为交滑移。
单晶体拉伸变形过程
a)原试样；b)自由滑移变形；c)受夹头限制时的变形
滑移时晶体转动 的规律：
试样中部的滑移面 朝着与拉伸轴平行的
方向发生转动，使
增大。
在两端夹头处，滑 移不能进行，晶面必 然发生某种弯曲以适 应中间部分的晶体位 向变化。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
称为硬取向。
当取向因子介于0～0.5之间时，s 较大，晶体开始滑移，即产生塑性变
形需要较大的拉应力。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
例1 在面心立方晶胞[001]上施加一69MPa的应力，试求滑
移系(111) [101]上的分切应力。
解：首先确定该滑移系对拉力轴的相对取向。
真实应力：
σt
F A
真实应变：
dε dL L
总应变：
ε t
L dL
L
dε
ln ln(1 )
L L0
L0
真应力－应变曲线上不出现
在载荷达到最大值后的下降，
而是随变形的进行，载荷不断
金属学及热处理_第五章_金属的塑性变形和再结晶资料
滑移线和滑移带示意图
金属经塑性变形后，晶体结构未发生变化，滑移带两 侧的晶体取向也未发生变化。滑移带之间或滑移线之 间的晶体片层未发生变形。
5.2 单晶体的塑性变形
5.2.1 滑移
金属中的滑移是 沿着一定的晶面 和晶面上一定的 晶向进行的。 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
滑移面通常是金属晶体中的密排面，而滑移方面则是最 密排方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起 来组成一个滑移系。不同晶体有不同的滑移系。滑移系 越多，滑移可能采取的空间取向越多，金属的塑性越好。
5.2 单晶体的塑性变形
5.2.2 滑移的位错机制
（1）位错的运动与晶体的滑移
在切应力作用下，没有任何缺陷的理想晶体的上 下两部分沿滑移面作整体刚性滑移所需要的临界 切应力很大，实际值很小。
铜的理论计算临界分切应力为1500MPa，而实测 值仅为0.98MPa，相差一千多倍。
实际晶体中存在位错，晶体的滑移是通过位错在 切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。
始截面面积F0的百分比称为断面收缩率Φ： Φ＝(F0- Fk)/F0×100%
5.1 金属的变形特性
5.1.2 金属的弹性变形
金属弹性变形的实质是金属的晶格结构在外力作用 下产生的弹性畸变。所加外力小于原子间结合力， 外力去除后，变形完全恢复。在弹性变形阶段应力
与应变呈线性关系，即：σ＝Eε, E=σ/ε
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力－应变曲线
• 金属的塑性变形：
应力大于σe时开始塑性变形。 应力达到σs和σ0.2时开始明显 塑性变形。
低碳钢拉伸应力应变曲线
σs表示金属开始产生屈服现象时的应力－－屈服极限。 金属的弹性变形量一般不超过1％。
第5章 金属的塑性变形
塑性变形及随后的加热，对金属材料组织和性能有 显著的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加 热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正 确确定加工工艺
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶 金属的热塑性变形
1
第一节 单晶体的塑性变形 一、单晶体纯金属的塑性变形
T再与ε的关系
如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
39
2）、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素， 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著 提高。
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3）、再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；
延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。
3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个 晶粒是各向异性的，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 （晶向）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。 24
在应力低于弹性极限σ e时， 材料发生的变形为弹性变形； 应力在σ e到σ b之间将发生的变 形为均匀塑性变形；在σ b之后 将发生颈缩；在K点发生断裂。
s e
弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位 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，原子间结合力便可 2 以使变形的塑性：fcc＞bcc＞chp
8
哪个滑移系先滑移？
当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的 临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。
金属学与热处理试题及答案
复习自测题绪论及第一章金属的晶体结构自测题(一)区别概念1．屈服强度和抗拉强度；2．晶体和非晶体；3 刚度与强度(二)填空1．与非金属相比，金属的主要特性是2．体心立方晶胞原子数是，原子半径是，常见的体心立方结构的金属有。
3．设计刚度好的零件，应根据指标来选择材料。
是材料从状态转变为状态时的温度。
4 TK5 屈强比是与之比。
6．材料主要的工艺性能有、、和。
7 材料学是研究材料的、、和四大要素以及这四大要素相互关系与规律的一门科学；材料性能取决于其内部的，后者又取决于材料的和。
8 本课程主要包括三方面内容：、和。
(三)判断题1．晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。
( )2．因为面心立方和密排六方晶体的配位数和致密度都相同，因此分别具有这两种晶体结构的金属其性能基本上是一样的。
( )3．因为单晶体具有各向异性，多晶体中的各个晶粒类似于单晶体，由此推断多晶体在各个方向上的性能也是不相同的。
( )4．金属的理想晶体的强度比实际晶体的强度高得多。
5．材料的强度高，其硬度就高，所以其刚度也大。
(四)改错题1．通常材料的电阻随温度升高而增加。
3．面心立方晶格的致密度为0．68。
4．常温下，金属材料的晶粒越细小时，其强度硬度越高，塑性韧性越低。
5．体心立方晶格的最密排面是｛100｝晶面。
(五) 问答题1．从原子结合的观点来看，金属、陶瓷和高分子材料有何主要区别?在性能上有何表现?2．试用金属键结合的方式，解释金属具有良好导电性、导热性、塑性和金属光泽等基本特性。
(六) 计算作图题1．在一个晶胞中，分别画出室温纯铁(011)、(111)晶面及[111)、[011)晶向。
2．已知一直径为11．28mm，标距为50mm的拉伸试样，加载为50000N时，试样的伸长为0.04mm。
撤去载荷，变形恢复，求该试样的弹性模量。
3．已知a-Fe的晶格常数a=0.28664nm，γ-Fe的晶格常数a=0.364nm。
哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件金属的塑性变形ppt
04 试验标准
GB/T228.1-2010、ASTM E8/E8M-13等。
压缩试验
定义
压缩试验是测定材料在静压力作 用下变形与破坏的力学性能试验 。它可以模拟材料在承受静载荷 时的变形和破坏行为，评估材料 的抗压强度和塑性。
目的
压缩试验可以用来评估材料的抗 压强度、屈服点和塑性等力学性 能，为工程结构的设计和使用提 供依据。
03
金属的塑性变形应用
塑性变形在工业中的应用
1 2 3
生产制造
通过塑性变形工艺，可以生产出各种形状的零 部件和产品，如锻件、冲压件、挤压件等。
设备安装
利用塑性变形的原理，可以通过冷装、热装等 方法，将大型设备安装到预定位置，提高设备 的稳定性和可靠性。
维修维护
在一些设备的维修和维护中，也常常需要应用 塑性变形的原理，如矫正、校直等。
孪晶
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生平移 ，并形成与主晶面平行的新晶面。这种变形机制主要受到晶体结构和相变的影响 。
晶界与界面
晶界
晶体之间的边界，是晶体结构中的缺陷之一。在塑性变形过 程中，晶界可以成为位错滑移的障碍，从而影响材料的塑性 变形行为。
界面
不同相之间的接触面，如金属与非金属之间的界面。界面可 以影响材料的强度、硬度等力学性能，并对塑性变形产生影 响。
01
在结构材料的加工过程中，常常需要应用塑性变形的原理，如
钢材的轧制、拉拔等。
结构材料的性能改善
02
通过塑性变形，可以改善结构材料的性能，如提高材料的强度
、硬度、韧性等。
结构材料的应用
03
在建筑、航空航天、汽车等领域中，也常常需要应用塑性变形
金属学及热处理 第五章 金属的塑性变形和再结晶
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力－应变曲线
• 拉伸曲线的最高点所代表的应力 为抗拉极限强度σb 。
低碳钢拉伸应力应变曲线
试样断裂后标距长度伸长量ΔL(Lk-L0)与原始标距长度L0 的百分比称为延伸率δ： δ＝(Lk-L0)/ L0 ×100% 试样的原始截面面积F0和断裂时的截面面积Fk之差与原 始截面面积F0的百分比称为断面收缩率Φ ： Φ ＝(F0- Fk)/F0×100%
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体中一个晶粒发生变形，在晶界附近产生位错塞 积，引起应力集中。应力集中大小与塞积位错数目有 关。晶粒越小，位错塞积距离越小，应力集中越小， 引发相邻晶粒变形的机会越小，需要外力越大，表现 出强度越高。
这就是霍尔－佩奇 （ Hall-Petch ） 公 式 的物理本质。 位错塞积示意图
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力－应变曲线
• 金属的塑性变形： 应力大于σe时开始塑性变形。 应力达到σs和σ0.2时开始明显 低碳钢拉伸应力应变曲线 塑性变形。 σs表示金属开始产生屈服现象时的应力－－屈服极限。 金属的弹性变形量一般不超过1％。 σ0.2表示金属的残余应变达到0.2%时的应力 －－条件屈服极限。
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体晶粒细小均匀时，一定体积内晶粒数目多。形 相同变形量下，变形分散在较多晶粒内进行，变形较 均匀，引起应力集中小，使材料在断裂之前能承受较 大的变形量，可以得到较大的延伸率。因此，晶粒小 小，不仅室温强度高，而且具有较好的塑性。
晶粒越细，晶界曲折，不利于裂纹扩展，断裂吸收的 能量高，因此表现出良好的韧性。 在工业生产中，要设法获得细小均匀的晶粒组织，具 有较高的综合性能。
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第五章金属及合金的塑性变形
(一)填空题
1. 硬位向是指，其含义是
2．从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是
3．由于位错的性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。
4. 加工硬化现象是指，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力，
造成加工硬化的根本原因是。
5．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是、。
6．．金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强度，塑性。
7．常温下使用的金属材料以晶粒为好，而高温下使用的金属材料以晶粒为好。
8．面心立方结构的金属有滑移系，它们是。
9．体心立方结构的金属有滑移系，它们是。
10．密排六方结构的金属有滑移系，它们是。
11．单晶体金属的塑性变形都是作用下发生的，常沿着晶体中和发生。
12 金属经冷塑性变形后，其组织和性能会发生变化，如、、、等等。
13．拉伸变形时，晶体转动的方向是转到。
14．位错密度的定义是，单位为。
15 晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的倍。
16．内应力是指，它分为、、、三种。
17 滑移系是指，面心立方晶格的滑移面为，滑移系方向
为，构成个滑移系。
(二)判断题
1 金属在均匀塑性变形时，若外力与滑移面相平行，则意味着不可能进行塑性变形。
2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个
3．滑移变形不会引起晶体结构的变化。
4 因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相
同。
（）
5．在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。
（）6 孪生变形所需要的切应力要比滑移变形所需要的切应力小得多。
（）7．金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。
（）
8 单晶体主要变形的方式是滑移，其次是孪生。
（）
9．细晶粒金属的强度高，塑性也好。
（）
10．反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。
（）
11．喷丸处理及表面辊压能显著提高材料的疲劳强度。
（）
12．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。
（）
13．晶界处滑移的阻力最大。
( )
14．滑移变形的同时伴随有晶体的转动，因此，随变形度的增加，不仅晶格位向要发生变化，而且晶格类型也要发生变化。
( )
15．滑移变形不会引起晶格位向的改变，而孪生变形则要引起晶格位向的改变。
( ) 16．面心立方晶格一般不会产生孪生变形；密排六方晶格金属因滑移系少，主要以孪生方式产生变形。
( )
(三)选择题
1．能使单晶体产生塑性变形的应力为( )
A．正应力B．切应力
2．面心立方晶体受力时的滑移方向为( )
A (111>
B <110>
C <100>
D <112>
3．体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系，但其塑性变形能力是不同的，其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向( )
A．少B．多 C 相等D．有时多有时少
4．冷变形时，随着变形量的增加，金属中的位错密度( )。
A．增加 B 降低C无变化D．先增加后降低
5．钢的晶粒细化以后可以( )。
A．提高强度 B 提高硬度 C 提高韧性D．既提高强度硬度，又提高韧性6．加工硬化现象的最主要原因是( )。
A．晶粒破碎细化 B 位错密度增加 C 晶粒择优取向D．形成纤维组织7．面心立方晶格金属的滑移系为( )。
A．<111><110} B．<110><111} C．(100><110} D．(100><111}
8 用铝制造的一种轻型梯子，使用时挠度过大但未塑性变形。
若要改进，应采取下列( )
措施
A 采用高强度铝合金
B 用钢代替铝
C 用高强度镁合金D．改进梯子的结构设计
(四)改错题
1．塑性变形就是提高材料塑性的变形。
2．滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向则是原子密度最小的方向
3．晶界处原子排列紊乱，所以其滑移阻力最小。
(五)问答题
1．试述金属经冷塑性变形后，其结构、组织与性能所发生的变化过程，分析发生变化的实质。
2．试述加工硬化对金属材料的强化作用，这些变化有什么实际意义?试举一些有用的例子，也举一些有害的事实。
3．增加金属中的位错密度，是强化金属材料的途径之一。
那么，降低位错密度是否会使金
属材料的强度降低?无位错的金属材料强度是否最低?为什么?
4．用低碳钢板冲压成型的零件，冲压后发现各部位的硬度不同?为什么? 如何解决? 5．口杯采用低碳钢板冷冲而成，如果钢板的晶粒大小很不均匀，那么冲压后常常发现口杯底部出现裂纹，这是为什么?
6．面心立方、体心立方和密排六方金属的主要塑性变形方式是什么?温度、形变速度对其有何影响?
7．指出面心立方、体心立方和密排六方晶体中的滑移面。
为什么滑移面为密排面，滑移方向是密排方向?
8．试阐述为什么金属的实际强度比理论强度低得多?
9．试用多晶体的塑性变形过程来阐述为什么晶粒越细的金属的强度、硬度越高、塑性、韧性也越好?
10．何谓加工硬化?产生原因及其消除方法是什么?
11．试述内应力的分类及其对材料性能的影响。
12．有些机器零件常采用表面喷丸处理从而大大提高零件的使用寿命，这是什么原因? (六) 作图题
1．画出α—Fe和γ—Fe的晶胞，在晶胞中指出发生滑移的一个晶面，在这个晶面上发生滑移的一列晶向。