金属塑性变形的物理基础PPT课件
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金属塑性变形的力学基础应力应变分析 ppt课件
d∈ dl l
而试样从初始长度l0到终了长度l1，如果变形过程中主轴不变，可沿拉伸方向对 d ∈进行积分，求出总应变
∈ l1 dl ln l1
l0 l
l0
（15-32）
∈反映了物体变形的实际情况，称为对数应变或真实应变，
它能真实地反映变形的累积过程，表示在应变主轴方向不变的情况下应变增 量的总和。在大塑性变形中，主要用对数应变来反映物体的变形程度。
∈+ ln 2l0 ln 2 l0
压缩一半时
∈- ln 0.5l0 ln 2 l0
负号表示应变方向相反。而用相对应变时，以上情况分别为
0.5l0 l0 50％
l0
2l0 l0 100％
l0
因而，相对应变为不可比应变。
前面提到的体积不变条件用对数应变表示更准确。设变形体的原始长、
d ij =
dx d xy d xz
. dy d yz
.
. dz
（15-28）
应变增量是塑性成形理论中最重要的概念之一。塑性变形是一个大变形过程， 在变形的整个过程中，质点在某一瞬时的应力状态一般对应于该瞬时的应变增量。 可以采用无限小的应变增量来描述某一瞬时的变形情况，而把整个变形过程看作是 一系列瞬时应变增量的积累。
∈ ln l1 ln l0 l ln(1 ) 2 3 4 ∧
l0
l0
234
（15-33）
从上式可以看出对数应变∈和相对应变ε的关系，即只有当变形程度很小时，相 对应变ε才近似等于对数应变∈。变形程度越大，误差也越大。这就是为什么相对应 变适用于小变形的情况，对数应变适用于大变形的情况。一般认为，当变形程度超 过10％时，就要用对数应变来表达。
金属塑性变形的力学基础
11.1 金属塑性变形的物理基础
铬 对含铬量为0.7～1.0％的铬钢来讲，影响其变形抗力的不是铬， 而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比其相应含碳量的碳 钢高5～10％。 高碳铬钢GCr6～GCrl5(含铬量0.45～1.65％)的 变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素也是碳。 镍 镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但是，对25NiA，30NiA和 13Ni2A等来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。含镍量较高的钢 (Ni25~Ni28)，这种差别是很大的。 在许多情况下，在钢中同时加入几种合金元素，例如在钢中加 入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。 12CrNi3A钢的变形抗力比45号碳钢高出20％。Cr18Ni9Ti钢 的变形抗力比碳钢提高50％。
第二节金属热态下的塑性变形
1.热塑性变形时软化过程
（3）静态回复
在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的 过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向 自由能降低的方向转变的过程。
（4）静态再结晶
在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动 能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等 轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属 的静态再结晶。
热轧和热挤时，动、静态回复和再结晶的示意图。
图4-10 动、静回复和再结晶示意
4.2.2热塑性变形机理 第二节金属热态下的塑性变形
2.热塑性变形的机理 变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、 晶界滑移和扩散蠕变。 一般来说，晶内滑移是最主要和常见的 （1）晶内滑移 热变形的主要机理仍然是晶内滑移。高温时 原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、 攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多， 滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界 对位错运动阻碍作用减弱。
《塑性变形》课件
CHAPTER 03
塑性变形的基本规律
屈服准则
条件屈服准则
屈服准则描述了材料在受力时开始发 生屈服的条件。对于金属材料，常用 的屈服准则是Von Mises屈服准则， 它基于等效应力来判断是否达到屈服 。
物理意义
屈服准则反映了材料在复杂应力状态 下的屈服行为，对于理解塑性变形的 微观机制和预测材料的塑性流动具有 重要意义。
塑性变形
目录
• 塑性变形的定义与分类 • 塑性变形的物理本质 • 塑性变形的基本规律 • 塑性变形对材料性能的影响 • 塑性变形的主要应用领域 • 塑性变形的研究现状与展望
CHAPTER 01
塑性变形的定义与分类
塑性变形的定义
塑性变形是指金属在应力作用下发生的不可逆的形状变化。当金属受到外力作用 时，原子或分子的位置会发生相对变化，导致宏观尺度上金属的形状和尺寸发生 改变。
塑性变形的实验研
究
通过实验手段对塑性变形的过程 进行观察和测量，探究变形过程 中的应力应变行为、微观结构演 化等现象。
塑性变形的数值模
拟
随着计算机技术的不断发展，数 值模拟方法在塑性变形领域的应 用越来越广泛，能够对复杂变形 过程进行模拟和分析。
研究展望
塑性变形的本构模型
进一步完善塑性变形的本构模型，提高模型的预测精度和适用范围， 探究更复杂的应力应变行为和微观结构演化机制。
高速塑性变形和低速塑性变形 。高速塑性变形是指变形速率 非常高的塑性变形，而低速塑 性变形则是在相对较低的速率 下发生的。
单调塑性变形和循环塑性变形 。单调塑性变形是指金属在单 向或循环应力作用下发生的塑 性变形，而循环塑性变形则是 指金属在交变应力作用下的塑 性变形。
CHAPTER 02
金属塑性变形的物理基础
第二节金属热态下的塑性变形
01
02
03
04
第二节金属热态下的塑性变形 1.热塑性变形时软化过程
23% Option 1
30% Option 2
热塑性变形时软化过程
静态回复 在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向自由能降低的方向转变的过程。
静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属的静态再结晶。
01
02
03
04
05
06
3.合金的塑性变形
(一) 单相固溶体的塑性变形 2 固溶强化 （3）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服。这种现象叫做应变时效。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离的大小与它距孪生面的距离成正比。每一晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点阵常数的若干分之一。
01
晶体以何种方式变形，取决于那张变形需要的切应力低。
02
常温下滑移切应力低于孪生，很低温度下，孪生低于滑移。
03
变形速度的增加可促使晶体的孪生化，如高速冲击。
热轧和热挤时，动、静态回复和再结晶的示意图。
图4-10 动、静回复和再结晶示意
热塑性变形机理
第二节金属热态下的塑性变形 2.热塑性变形的机理 变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变。 一般来说，晶内滑移是最主要和常见的；孪生多在高温变形时发生，但对刘芳晶系金属，这种机理起重要作用。晶界滑移和扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用。 （1）晶内滑移 热变形的主要机理仍然是晶内滑移。高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。
金属材料的塑性变形课件
热轧工艺
总结词
热轧工艺是一种在高温下对金属材料进行塑性变形的加工方法，通过将金属材料加热至一定温度后进 行轧制，使其发生塑性变形。
详细描述
热轧工艺通常在高温下进行，将金属材料加热至其塑性变形温度范围后进行轧制。在轧制过程中，金 属材料的晶格结构发生变化，导致其形状和尺寸发生改变。热轧工艺可以生产出大尺寸、形状简单的 金属制品，广泛应用于钢铁、铜、铝等金属材料的加工。
金属材料的塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生相对移动
。
孪生
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生较大的相 对移动，但不改变晶体的对称性
的变形方式。
晶界滑移
晶界在切应力的作用下发生相对 移动，使整个晶体发生变形。
形加工，以确保其性能和安全性。
05
金属材料塑性变形的挑战与展 望
金属材料塑性变形的挑战
01
加工硬化
金属在塑性变形过程中，随着 变形程度的增加，材料的强度 和硬度逐渐提高，导致继续变 形所需的应力不断增加。这使 得金属的塑性变形变得困难， 甚至可能导致加工中止。
02
温度影响
金属材料的塑性变形受温度影 响较大。在低温环境下，金属 材料的塑性变形能力会显著降 低，可能导致脆性断裂。而在 高温环境下，金属可能会发生 氧化、腐蚀等反应，影响其力 学性能。
锻造工艺
总结词
锻造工艺是一种通过施加外力使金属材 料发生塑性变形的加工方法，通常在高 温或室温下进行。
VS
详细描述
锻造工艺可以通过多种方式实现，如自由 锻、模锻等。在锻造过程中，金属材料被 施加外力，使其发生塑性变形，以获得所 需的形状和性能。锻造工艺可以生产出高 强度、高韧性的金属制品，广泛应用于航 空、汽车、船舶等领域的金属加工。
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8
面心立方 : Al Ni Cu γ-Fe
9
体心立方 : Cr V Mo W α-Fe β-Ti
10
密排六方 : Zn Mg Be α-Ti等 c/a=1.57-1.64
11
2．3 实际金属的晶体结构：
晶体分为单晶体和多晶体： 单晶体：单晶体是一块以原子或原子团为单位沿着空间的前后、
由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒 的各向异性被互相抵消，因而多晶体一般不显示方向 性，称之为各向同性。
14
实际金属晶体中存在的各种缺陷：
在实际金属的晶体中，原子并非固定不动，而是以晶 格结点——平衡位置为中心不停地作热振动，原子的规则排 列由于种种原因受到干扰和破坏，存在着一系列的缺陷。
常见的缺陷： 点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。
15
线缺陷： ：长度范围内存在晶体的微观缺陷。
刃型位错
螺型位错
ห้องสมุดไป่ตู้16
混合型位错 （螺型+刃型 ）
Dislocation line
Fig. 1.48: A mixed dislocation.
From Principles of Electronic M aterials and Devices, Second Edition, S.O . Kasap (© M cG raw-Hill, 2002) http://M ask.Ca
6
晶面 ：晶体中，由原子组成的平面 晶向 ：晶体中，由原子组成的直线
7
2．2 三种常见的晶格
如上述，晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工 业上使用的几十种金属中，最常见的金属晶格结构有下面三种：
面心立方 : Al Ni Cu γ-Fe 体心立方 : Cr V Mo W α-Fe β-Ti 密排六方 : Zn Mg Be α-Ti等
产生了拉伸变形。这时由于原子间距离增大，原子间的排斥力便减小，原子间的 吸引力必将增大，超过排斥力的吸引力和拉应力平衡。外力除去，新的平衡消失， 原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。同样，晶体在压应力的作用下，原 子间距离缩短，排斥力大于吸引力，与压力建立新的平衡。外力除去，原子便回 到原来的平衡位置，晶体恢复原状。
第2章 金属塑性变形概述
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
金属的晶体结构 三种常见的晶格 实际金属的晶体结构： 弹性变形和塑性变形 多晶体的塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响
1
2.1 金属的晶体结构
一切固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可 分为两大类：晶体和非晶体。 晶体和非晶体:
17
面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表
面的缺陷。
晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表面的缺陷:
晶体外表面原子缺陷 所处的环境与晶体内部的原子不同，原子只有一侧被内层原子包
围，另一例则暴露在其他介质中。因此，表面原子所受的作用力不是均 匀对称的，它们就会偏离平衡位置，处于能量较高的畸变状态。
晶体内表面的缺陷 主要有晶界、亚晶界等。晶界对金属的机械、物理及化学性能以及
一空间格子，即假想处于平衡状态的各原子都位于该 空间格子的各结点上。这种描述原子排列形式的空间 格子，简称晶格。
图 晶格
5
晶胞： 晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元，称为晶 胞 格。常晶数胞（的或各点边阵尺常寸数）a、。b单、位c，为即埃原（子A间,1距A 离1，08称厘为米晶）。
各种晶体的主要差别，就在于晶格形式和晶格常数 的不同。
当原子间距离过大时，吸引力大于排斥力，原子互相吸引，自动 靠近；当原子间距离过近时，排斥力大于吸引力，原子便互相排 斥，自动离开。当原子间时，吸引力和排斥力恰好相等，原子既 不会自动靠近，也不会自动离开，恰好处于平衡位置。
4
几个概念：
晶体 : 原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 . 晶格 : 通过直线把晶体内各原子中心联结起来，构成
12
金属的结构：
工业用金属是在凝固时产生大量的结晶核心，然 后晶核长大，完成的结晶过程，它们由许多尺寸很小、 位向不同的小晶体或晶粒组成，是多晶体。
13
晶体由于内在结构不同而表现出：
单晶体的各向异性： 由于单晶体在于不同的晶面晶向上，原子排列不
同，原子的密度和原子间的结合力大小不同，因而引 起机械、物理、化学性能的差异。 多晶体的各向同性：
晶体内部的转变都有重要的影响。
Foreign im pur S e lf-in te rstitia V oid, vacancy Strained bond G rain boundar Broken bond (dangling bond
18
2.4 单晶体的弹性变形和塑性变形
弹、塑性变形：
晶体的弹性变形
所谓晶体，系原子（或分子）在三维空间作有规则 的周期性重复排列的固体，而非晶体就不具备这一特 点，这是两者的根本区别。所有固态金属和合金都是 晶体。
2
金属原子间的结合形式：
金属内原子间的作用力：
图2．1金属键的模型
图2．2双原子作用模型
3
金属内原子间的作用力：
金属内原子都处在异号电荷的吸引力和同号电荷的排斥力的作用 下。一种是相互吸引作用，它来自金属正离子与周围电子气之间 的静电吸引力，它促使原子彼此接近；另一种是相互排斥作用， 它来自正离子与正离子之间和电子与电子之间的静电排斥力，它 促使原子彼此离开。
物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后
能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性
变形。
弹塑性物质：金属和合金在外力的作用下既能产生弹性变形，也能产生塑性变形。
单晶体发生弹性变形的原因： 当晶体在拉应力的作用下，使原子离开了原来的平衡位置，原子间距离增大，
左右、上下三个方向整整齐齐地堆垛成的固体。（可以在实验室 生成） 晶 粒：由许多位向基本一致的晶胞组成，类似单晶体，称为晶 粒或小晶体。（晶粒在显微镜下可以看到） 多晶体：多晶体则是由许多取向不同的晶粒组成的一块固体，多 晶体中的每一个晶粒内部都有严格的周期性，但是晶粒之间没有 周期性的联系。 晶界 :就是相邻晶粒的边界,它是两个位向不同晶粒之间的过渡区.
面心立方 : Al Ni Cu γ-Fe
9
体心立方 : Cr V Mo W α-Fe β-Ti
10
密排六方 : Zn Mg Be α-Ti等 c/a=1.57-1.64
11
2．3 实际金属的晶体结构：
晶体分为单晶体和多晶体： 单晶体：单晶体是一块以原子或原子团为单位沿着空间的前后、
由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒 的各向异性被互相抵消，因而多晶体一般不显示方向 性，称之为各向同性。
14
实际金属晶体中存在的各种缺陷：
在实际金属的晶体中，原子并非固定不动，而是以晶 格结点——平衡位置为中心不停地作热振动，原子的规则排 列由于种种原因受到干扰和破坏，存在着一系列的缺陷。
常见的缺陷： 点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。
15
线缺陷： ：长度范围内存在晶体的微观缺陷。
刃型位错
螺型位错
ห้องสมุดไป่ตู้16
混合型位错 （螺型+刃型 ）
Dislocation line
Fig. 1.48: A mixed dislocation.
From Principles of Electronic M aterials and Devices, Second Edition, S.O . Kasap (© M cG raw-Hill, 2002) http://M ask.Ca
6
晶面 ：晶体中，由原子组成的平面 晶向 ：晶体中，由原子组成的直线
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2．2 三种常见的晶格
如上述，晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工 业上使用的几十种金属中，最常见的金属晶格结构有下面三种：
面心立方 : Al Ni Cu γ-Fe 体心立方 : Cr V Mo W α-Fe β-Ti 密排六方 : Zn Mg Be α-Ti等
产生了拉伸变形。这时由于原子间距离增大，原子间的排斥力便减小，原子间的 吸引力必将增大，超过排斥力的吸引力和拉应力平衡。外力除去，新的平衡消失， 原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。同样，晶体在压应力的作用下，原 子间距离缩短，排斥力大于吸引力，与压力建立新的平衡。外力除去，原子便回 到原来的平衡位置，晶体恢复原状。
第2章 金属塑性变形概述
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
金属的晶体结构 三种常见的晶格 实际金属的晶体结构： 弹性变形和塑性变形 多晶体的塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响
1
2.1 金属的晶体结构
一切固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可 分为两大类：晶体和非晶体。 晶体和非晶体:
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面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表
面的缺陷。
晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表面的缺陷:
晶体外表面原子缺陷 所处的环境与晶体内部的原子不同，原子只有一侧被内层原子包
围，另一例则暴露在其他介质中。因此，表面原子所受的作用力不是均 匀对称的，它们就会偏离平衡位置，处于能量较高的畸变状态。
晶体内表面的缺陷 主要有晶界、亚晶界等。晶界对金属的机械、物理及化学性能以及
一空间格子，即假想处于平衡状态的各原子都位于该 空间格子的各结点上。这种描述原子排列形式的空间 格子，简称晶格。
图 晶格
5
晶胞： 晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元，称为晶 胞 格。常晶数胞（的或各点边阵尺常寸数）a、。b单、位c，为即埃原（子A间,1距A 离1，08称厘为米晶）。
各种晶体的主要差别，就在于晶格形式和晶格常数 的不同。
当原子间距离过大时，吸引力大于排斥力，原子互相吸引，自动 靠近；当原子间距离过近时，排斥力大于吸引力，原子便互相排 斥，自动离开。当原子间时，吸引力和排斥力恰好相等，原子既 不会自动靠近，也不会自动离开，恰好处于平衡位置。
4
几个概念：
晶体 : 原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 . 晶格 : 通过直线把晶体内各原子中心联结起来，构成
12
金属的结构：
工业用金属是在凝固时产生大量的结晶核心，然 后晶核长大，完成的结晶过程，它们由许多尺寸很小、 位向不同的小晶体或晶粒组成，是多晶体。
13
晶体由于内在结构不同而表现出：
单晶体的各向异性： 由于单晶体在于不同的晶面晶向上，原子排列不
同，原子的密度和原子间的结合力大小不同，因而引 起机械、物理、化学性能的差异。 多晶体的各向同性：
晶体内部的转变都有重要的影响。
Foreign im pur S e lf-in te rstitia V oid, vacancy Strained bond G rain boundar Broken bond (dangling bond
18
2.4 单晶体的弹性变形和塑性变形
弹、塑性变形：
晶体的弹性变形
所谓晶体，系原子（或分子）在三维空间作有规则 的周期性重复排列的固体，而非晶体就不具备这一特 点，这是两者的根本区别。所有固态金属和合金都是 晶体。
2
金属原子间的结合形式：
金属内原子间的作用力：
图2．1金属键的模型
图2．2双原子作用模型
3
金属内原子间的作用力：
金属内原子都处在异号电荷的吸引力和同号电荷的排斥力的作用 下。一种是相互吸引作用，它来自金属正离子与周围电子气之间 的静电吸引力，它促使原子彼此接近；另一种是相互排斥作用， 它来自正离子与正离子之间和电子与电子之间的静电排斥力，它 促使原子彼此离开。
物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后
能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性
变形。
弹塑性物质：金属和合金在外力的作用下既能产生弹性变形，也能产生塑性变形。
单晶体发生弹性变形的原因： 当晶体在拉应力的作用下，使原子离开了原来的平衡位置，原子间距离增大，
左右、上下三个方向整整齐齐地堆垛成的固体。（可以在实验室 生成） 晶 粒：由许多位向基本一致的晶胞组成，类似单晶体，称为晶 粒或小晶体。（晶粒在显微镜下可以看到） 多晶体：多晶体则是由许多取向不同的晶粒组成的一块固体，多 晶体中的每一个晶粒内部都有严格的周期性，但是晶粒之间没有 周期性的联系。 晶界 :就是相邻晶粒的边界,它是两个位向不同晶粒之间的过渡区.