第七章 金属的塑性变形

第九章金属的塑性变形

1. 金属塑性成形在国民经济中的作用

金属塑性成形是金属加工方法之一。它是利用金属的塑性——金属产生塑性变形的能力，使金属在外力作用下成形的一种加工方法。因而也称为金属塑性加工或金属压力加工。

常见的金属压力加工方法，如轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等，都是利用金属的塑性而进行成形加工的。通常，轧制、拉拔、挤压是生产型材、板材、管材和线材等金属材料的加工方法，属于冶金工业领域，而锻造、冲压则通常是利用金属材料来制造机器零件的加工方法，属于机械制造工业领域。

金属塑性成形方法的主要优点有：

1．金属材料经过相应的塑性加工后，其组织、性能都能得到改善和提高，特别是对于铸造组织，效果更为显著。例如铸锭必须通过锻造、轧制或挤压，才能使其结构致密、组织改善、性能提高。

2．金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移，而不需靠部分地切除金属的体积，因而制件的材料利用率高，流线分布合理，从而也提高了制件的强度。

3．用塑性成形方法得到的工件可以达到较高的精度。近年来，应用先进的技术和设备，不少零件已达到少、无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮，其齿形部分精度可不经切削加工直接使用，精锻叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。

4．塑性成形方法具有很高的生产率。这一点对于金属材料的轧制、拉丝、挤压等工艺尤其明显。随着锻压生产机械化的发展，机械零件的生产情况也是如此。例如，在12000×10kN（1）机械压力机上锻造汽车用的六拐曲轴仅需40s；在曲柄压力机上压制一个汽车覆盖件仅需几秒钟。

由此可见，利用金属塑性成形方法，不但能获得强度高、性能好、形状复杂和精度高的工件，而且具有生产率高、材料消耗少等优点，因而在国民经济中得到广泛的应用。特别是在汽车、拖拉机、宇航、船舶、军工、电器和日用品等工业部门中，塑性成形更是主要的加工方法。

2 金属塑性成形方法的分类

金属塑性成形方法可分为轧制、拉拔和挤压三大类。每类又包括多种加工方法，

形成各自的工艺领域。

轧制是使金属锭料或坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间(直线的或异型的)，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法(见表1-1a)。这是由大截面材料变为小截面材料的常用加工过程。利用轧制方法可生产出型材、板材和管材。

拉拔是将中等截面的坯料拉过有一定形状的模孔，以获得小截面的坯料的塑性成形方法（表1-1b）。利用拉拔方法可以获得棒材、管材、和线材。

挤压是将在筒体中的大截面坯料或锭料一端加压，使金属从模孔中挤出，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料的塑性成形方法（表1-1c、d）。因为挤压是在三向受较大的压应力状态下的成形过程，所以更适于生产低塑性材料的型材和管材。

表1-1 塑性成形方法分类

以上几种金属材料的塑性成形方法，一般在加热状态下进行，但有时也可在室温

下进行，视具体条件下金属的塑性和具体要求而定。这些方法通常都用于连续生产等截面金属材料，因而有很高的生产率。

机械制造中的塑性成形方法也称锻压加工，包括锻造和冲压两大方面。

锻造属体积成形，就是通过金属体积的转移和分配来获得机器零件(毛坯)的塑性成形方法。为使金属易于成形和有较好的塑性，锻造多在热态下进行，所以锻造也常称为热锻。

锻造通常分自由锻和模锻两大类。自由锻一般是在锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或块料锻成特定形状和尺寸的加工方法。表l-1 中的e—平砧下镦粗即为一例。进行自由锻时不使用专用模具，因而锻件的尺寸精度低，生产率也不高，所以自由锻主要用于单件、小批生产或大锻件的生产。

模锻是适于大批量生产的锻造方法，锻件的成形要用适合于每个锻件的模具来进行，表1-1f、g 是两种模锻形式。由于模锻时金属的成形由模具控制，因此模锻件就有相当精确的外形和尺寸，也有相当高的生产率。

由于生产技术的发展，锻造中也引入了挤、轧等变形方式来生产锻件，例如用辊锻方法生产连杆；用三辊横轧方法生产长轴锻件；用挤压方法生产汽阀、转向节等等。这样就扩展了锻造工艺的领域，促使生产率得到进一步的提高。

近年来，随着技术的发展以及锻压设备能力的增加、新模具材料的应用，对于某些中、小型锻件采用了不加热或少加热的锻造方法，即所谓冷锻、冷挤或温锻、温挤等工艺。这样，一方面节约了能源，另方面减少或免除了氧化、脱碳等缺陷，这就为提高锻件的精度创造了条件，是实现少无切削的重要途径。

冲压和上述各种体积成形方法不同，它属于板料成形，是利用专门的模具对板料进行塑性加工的方法，故也称板料冲压。同时，由于一般都在室温下进行，故也常称为冷冲压。板料冲压时厚度基本不发生变化。板料冲压的基本方式有冲裁、弯曲、拉延(表l-1h)成形等多种工序。

各种塑性成形方法，除上述生产上的特点而外，在变形区的应力状态、变形状态和金属流动性质等方面也各有特点，如表1-1 所示。表中的应力、应变状态只是从总体的角度上表示了变形区域中主应力、应变的正或负，没有表示出大小，因而是近似的分析方法。成形过程中变形区域不变的属稳定塑(性)流(动)，变形区域随变形过程而变化的属非稳定塑(性)流(动)。仔细观察可以发现，机器零件的塑性加工多数属于非稳定塑流过程。当然非稳定塑流过程比稳定塑流要复杂得多。

3 金属塑性成形原理课程的目的和任务

金属塑性成形方法多种多样，具有各自的特点，但它们在塑性变形的金属学和力学方面则有着共同的基础和规律。金属塑性成形原理课程的目的就在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续地工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础，因此，本课程的任务是：

1．阐明金属塑性变形的金属学基础，研究金属的塑性变形行为以及外部条件对塑性和流动应力的影响，以便获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能。

2．阐明应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用，从而科学地确定变形体中的应力、应变分布和所需的变形力和功，为选择锻压设备吨位和设计模具提供依据。

3．阐述塑性成形时的金属流动规律和变形特点，以便确定适当的锻压工步和合理的坯料尺寸，使工件顺利成形。

4 金属塑性成形理论的发展概述

金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理一化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。本世纪四十年代，在大学中设立了这门课程，并出版了相应的教科书。

金属塑性变形的物理和物理化学方面所研究的内容，属于金属学范畴。本世纪三十年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理作出了科学的解释。

金属材料的永久变形能力——塑性，也是变形物理方面的一个主要研究内容。1912年卡尔曼(V on Karman)对大理石和红砂石的著名压缩试验，揭示了通常认为是脆性的石料在三向压应力下却能发生塑性变形(大约ε＝8％)的事实。1964年勃立奇曼(P．W．Bridgman)在3万atm(3040MPa)下对中碳钢试棒进行拉伸试验，获得了99％的断面收缩率，由此建立了静水压力能提高材料塑性的概念。合适的加工温度、速度条件也能创造良好的塑性状态。例如，近年来，一些难变形合金、耐热合金，通过利用先进的成形技术，如等温锻造、超塑性成形等，均可以获得满意的结果。

金属塑性成形原理的另一重要内容是塑性成形力学，它是在塑性理论发展和应用中逐渐形成的。塑性理论的发展历史可追溯到1864 年，当时，法国工程师屈雷斯加(H．Tresca)首先提出了最大剪应力屈服准则，即屈雷斯加屈服准则。1870年圣维南(B．Saint—Venant)第一次利用屈雷斯加屈服准则求解了管子受弹塑性扭转和弯曲时

的应力，随后又研究了平面应变方程式。同年，列维(M．Levy)按圣维南的观点提出了三维问题的方程式和平面问题方程式的线性化方法。但后来一段时间，塑性理论发展缓慢，直到本世纪初才有所进展。德国学者在这方面有很大贡献。1913 年密席斯(V on Mises)从纯数学角度提出了另一新的屈服准则——密席斯屈服准则。1923 年汉基(H．Hencky)和普朗特(L．Prandtl)论述了平面塑性变形中滑移线的几何性质。1930 年，劳斯(A．Reuss)根据普朗特的观点提出了考虑弹性应变增量应力应变关系式。至此，塑性理论的基础已

经奠定。到四十年代以后，由于工业生产的需要，塑性理论在很多国家中相继发展，利用塑性理论求解塑性成形问题的各种方法陆续问世，塑性成形力学逐渐形成并不断得到充实。

第一次将塑性理论用于金属塑性加工的学者可认为是德国的卡尔曼。他在1925年用初等方法分析了轧制时的应力分布，其后不久，萨克斯（G.Sachs）和齐别尔（E.Siebel）在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法——切块法（slab method）,即后来所称的主应力法。五十年代中，苏联学者翁克索夫（yH K C O B）提出了一个实质上与主应力法相似的方法——近似平衡方程和近似塑性条件的联解法，并对镦粗时接触表面上的摩擦力分布提出了新见解。

近二十年来，应用滑移线理论求解金属塑性成形问题的工作和论文逐渐增多。现在，滑移线方法除应用于求解各向同性硬化材料的平面变形问题外，人们还正在研究用它来求解平面应力问题、轴对称问题和各向异性材料方面的问题。

五十年代，英国学者约翰逊(W．Johoson)和日本学者工藤(H．Kudo)等人，根据极值原理提出了一个比滑移线法简单的求极限载荷的上限法。利用该方法计算出的塑性成形载荷一般高于真实载荷，因此称之谓上限法。其后，对于复杂形状的工件，又发展出了所谓单元上限法。

在五十年代中，美国学者汤姆生(E．G．Thomsen)等提出了视塑性法(VisioPlasticity)，这是一种由实验结果和理论计算相结合的方法。利用该方法，可以根据实验求得的速度场计算出变形体内的应变场和应力场。

近年来已开始用有限元方法来研究金属塑性成形方面的问题。国内外一些学者对镦粗，挤压、摩擦等问题的有限元解发表过不少文章。一般认为有限元法是预测变形体应力、应变、应变速度和温度分布的强有力的手段。

塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作。近年来电子计算机技术的

引入，对塑性成形问题的求解起了很大促进作用。有限元方法过程复杂，计算工作繁重，必须借助电子计算机才能演算；而其他解法中的一些求解过程，如作滑移线场、求应力分布、确定分流点、标定摩擦系数等，都需经大量的计算工作，利用电子计算机，运用数值计算方法，可以快速地获得较精确的解答，或可直接画出滑移线场和相应的曲线，极大地提高了解题的效率。可以相信，在金属塑性成形理论今后的发展中，计算技术会愈来愈发挥它的作用，电子计算机的应用也必将日益广泛。

第五章 金属及合金的塑性变形 复习题

第五章《金属及合金的塑性变形》复习题 一、名词解释： 1.滑移、临界分切应力、取向因子、滑移系统、多滑移和交滑移、孪生、软取 向和硬取向、几何软化和几何硬化、弗兰克-瑞德位错源、细晶强化、霍尔佩奇（Hall-Petch）经验公式、加工硬化、纤维组织、形变织构。 二、填空题： 1．一个与其上的一个组成一个。 2．加工硬化现象是指，。3．加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的根本原因是，。 4．金属塑性变形是的结果，滑移是的结果。所以，金属塑性变形的实质是。一切阻碍位错运动的因素都能提高金属的。5．金属塑性变形的基本方式是和。 6．单晶体拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于方向；压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向。 7．多晶体的塑性变形过程比单晶体更为复杂，其两个主要因素是和。 三、判断题： 1．金属结晶后，晶粒越粗大，其力学性能越好。（） 2．在体心立方晶格中，滑移面为｛110｝×6，而滑移方向为〈111〉×2，所以滑移系为12。（） 3．滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。（） 4．因为BCC晶格与FCC晶格具有相同数量的滑移系，所以两种晶体的塑性变

形能力完全相同。（） 5．孪生变形所需要的切应力要比滑移变形时所需的小得多。（） 四、选择题： 1．多晶体金属的晶粒越细小，则其:（） a．强度越高、塑性越好；b．强度越低、塑性越差； c．强度越高、但塑性变差；d．强度越低、但塑性较好。 2．能使单晶体产生塑性变形的应力为：（） a．正应力；b．切应力；c．复合应力。 3．面心立方晶格的晶体在受力时的滑移方向：（） a．〈111〉；b．〈110〉；c．〈100〉。 4．体心立方与面心立方晶格具有相同数量的滑移系，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。 5．加工硬化使：（） a．强度增大，塑性降低；b．强度增大，塑性增大； c．强度减小，塑性增大；d．强度减小，塑性降低。 五、问答题： 1．晶粒大小对金属力学性能有何影响？常用的细化晶粒的方法有哪些？ 回答要点：晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性就越好。 细化晶粒的方法：1）增加过冷度；2）变质处理；3）附加振动。 2．晶格结构分别为密排六方、体心立方、面心立方的Zn、α-Fe、Cu的塑性在通常情况下不同，说明谁好谁差并解释产生的主要原因。 回答要点：Zn为密排六方晶格，α-Fe为体心立方晶格，Cu 为面心立方晶格，所以Zn的塑性最差，α-Fe其次，Cu的塑性最好。因为密排六方晶格的滑移系最少，而体心立方晶格与面心立方晶格虽然滑移系相同，但前者的滑移方

第五章 金属合金的塑性变形 -

第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生； 临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小

分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的 移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大，金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的

根本原因是位错密度提高，变形抗 力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的 强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快，晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 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

第四章 塑性变形(含答案)

第四章塑性变形（含答案） 一、填空题（在空白处填上正确的内容） 1、晶体中能够产生滑移的晶面与晶向分别称为________和________，若晶体中这种晶面与晶向越多，则金属的塑性变形能力越________。 答案：滑移面、滑移方向、好（强） 2、金属的再结晶温度不仅与金属本身的________有关，还与变形度有关，这种变形度越大，则再结晶温度越________。 答案：熔点、低 3、晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象称为________。答案：滑移 4、由于________和________的影响，多晶体有比单晶体更高的塑性变形抗力。 答案：晶界、晶粒位向（晶粒取向各异） 5、生产中消除加工硬化的方法是________。 答案：再结晶退火 6、在生产实践中，经冷变形的金属进行再结晶退火后继续升高温度会发生________现象。答案：晶粒长大 7、金属塑性变形后其内部存在着残留内应力，其中________内应力是产生加工硬化的主要原因。 答案：第三类（超微观） 8、纯铜经几次冷拔后，若继续冷拔会容易断裂，为便于继续拉拔必须进行________。 答案：再结晶退火 9、金属热加工时产生的________现象随时被再结晶过程产生的软化所抵消，因而热加工带来的强化效果不显著。 答案：加工硬化 10、纯铜的熔点是1083℃，根据再结晶温度的计算方法，它的最低再结晶温度是________。答案： 269℃ 11、常温下，金属单晶体塑性变形方式有________和________两种。 答案：滑移、孪生 12、金属产生加工硬化后会使强度________，硬度________；塑性________，韧性________。答案：提高、提高、降低、降低 13、为了合理地利用纤维组织，正应力应________纤维方向，切应力应________纤维方向。答案：平行（于）、垂直（于） 14、金属单晶体塑性变形有________和________两种不同形式。 答案：滑移、孪生 15、经过塑性变形的金属，在随后的加热过程中，其组织、性能和内应力将发生一系列变化。大致可将这些变化分为________、________和________。 答案：回复、再结晶、晶粒长大 16、所谓冷加工是指金属在________以下进行的塑性变形。 答案：再结晶温度

05 金属材料热处理 第五章 金属及合金的塑性变形 教案

第五章 金属及合金的塑性变形 一、教学目的 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质； 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响； 3 揭示加工硬化的本质与意义。 二、 教学内容 （1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。 三、 重点与难点 重点： （1）塑性变形的宏观变形规律与微观机制 （2）晶体缺陷对塑性变形的影响； （3）金属塑性变形后的组织与性能； （4）加工硬化的本质及实际意义，残余应力； 难点： （1）塑性变形的位错机制 （2）形变织构与纤维组织的差别 §5-1 金属的变形特性 一、应力-应变曲线 拉伸曲线：表示金属在拉伸时伸长量与外力的关系曲线。 应力-应变曲线：为了对不同长短、粗细的试样进行比较，将拉伸曲线中的纵、横坐标分别改为应力（σ=P/A0）和应变（ε=（l-l0）/l0），即为应力-应变曲线。

由于拉伸时，横截面积每时每刻都在改变，而计算应力是一直用原始横截面积A 0，故所得应力不是真实应力，因此也称为名义应力-应变曲线。 二、真应力-应变曲线 当拉伸一个l 0长的均匀圆柱体时，其真应变εT 应按每一瞬时的长度（l 1，l 2，l 3，…）计算： 022*******ln )(0l l l dl l l l l l l l l l l l T ==+?+?+=∑∫?L ε （1） 该式表明，采用真应变时，总应变与逐步递增的应变之和相等，但按工程应变计算时，两者并不相等。例如：两试样一次拉伸l 0→l 2或分两次拉伸l 0→l 1→l 2，若按真应变计算，存在： 02 1201ln ln ln l l l l l l =+ 若按工程应变计算，则： 002112001l l l l l l l l l ?≠?+? 在拉伸试样出现颈缩之前，真应变εT 与工程应变ε之间有以下关系： 1,10000+=?=?=εεl l l l l l l 则Q )1ln(ln 0+==∴εεl l T （2） 此外，真应力σT 的计算定义为： A P T =σ （3） 同样，计算真应力时，由于有：A 0l 0=A l =常数，故： )1(0000+====εσσl l A P A A A P A P T （4） 二、弹性变形与弹性模量 在应力-应变曲线的起始弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系，且具有可逆性，即遵循虎克定律。 在拉伸条件下，弹性范围内的真应力与真应变关系为σT =C εT ，其中比例常数C 为拉伸曲线的起始斜率，称为弹性模量，它反映材料抵抗弹性变形的能力。由于工程应力-应变曲线与真应力-应变曲线在弹性区基本一致，故习惯上用σ=E ε表示，而切变条件下，该关系为：τ=G γ。其中，E 和G 分别为正弹性模量和切变弹性模量，两者关系为： )1(2ν+=E G （5） 式中，ν为泊松比，表示单轴拉伸时横向缩短与纵向伸长的比值，一般金属多在0.30~0.35之间。 当晶体发生弹性变形时，外力所做的功W 相当于应力-应变曲线的弹性直线

第三章 金属的塑性变形与再结晶

第三章　金属的塑性变形与再结晶 塑性变形是塑性加工（如锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等）的基础。大多数钢和有色金属及其合金都有一定的塑性，因此它们均可在热态或冷态下进行塑性加工。 塑性变形不仅可使金属获得一定形状和尺寸的零件、毛坯或型材，而且还会引起金属内部组织与结构的变化，使铸态金属的组织与性能得到改善。因此，研究塑性变形过程中的组织、结构与性能的变化规律，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料都具有重要意义。 第一节　金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。 1畅滑移 滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（即滑移面）发生相对的滑动。 滑移是金属塑性变形的主要方式。 图3－1　单晶体滑移示意图单晶体受拉伸时，外力F 作用在滑移面上的应力f 可分解为正 应力σ和切应力τ，如图３－１所示。正应力只使晶体产生弹性伸 长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断。切应力则使晶体产生弹 性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑 移。 图３－２所示为单晶体在切应力作用下的变形情况。单晶体未 受到外力作用时，原子处于平衡位置（图３－２ａ）。当切应力较小 时，晶格发生弹性歪扭（图３－２ｂ），若此时去除外力，则切应力消 失，晶格弹性歪扭也随之消失，晶体恢复到原始状态，即产生弹性变 形；若切应力继续增大到超过原子间的结合力，则在某个晶面两侧 的原子将发生相对滑移，滑移的距离为原子间距的整数倍（图３－２ｃ）。此时如果使切应力消失，晶格歪扭可以恢复，但已经滑移的原子不能回复到变形前的位置，即产生塑性变形（图３－２ｄ）；如果切应力继续增大，其他晶面上的原子也产生滑移，从而使晶体塑性变形继续下去。许多晶面上都发生滑移后就形成了单晶体的整体塑性变形。 一般，在各种晶体中，滑移并不是沿着任意的晶面和晶向发生的，而总是沿晶体中原子排列最紧密的晶面和该晶面上原子排列最紧密的晶向进行的。这是因为最密晶面间的面间距和最密晶向间的原子间距最大，因而原子结合力最弱，故在较小切应力作用下便能引起它们之间的相对 3 3

第五章金属的塑性变形与再结晶全解

第五章金属的塑性变形与再 结晶 目的：掌握金属在塑性变形后组织与性能的变化。 要求： 1、掌握塑性变形对金属组织和性能的影响； 2、了解冷变形金属在加热过程中的变化，掌握回复和 再结晶的概念及其应用； 3、明确金属冷加工和热加工的区别。 重点：塑性变形对金属组织和性能的影响、回复和再结晶的概念及其应用。 §5-1 金属的塑性变形 一、单晶体金属的塑性变形 1、单晶体金属的塑性变形只能在切应力作用下发 生； 2、单晶体金属的塑性变形在晶体原子最密排面上 沿最密排方向进行； 3、单晶体金属的塑性变形伴随着晶体的转动；

二、多晶体金属的塑性变形 1、多晶体金属的组织、结构特点对塑性变形的影响 1）各晶粒形状、大小不同，成分、性能不均匀，各相邻晶粒的晶格位向不同：塑性变形抗力增大；相互约束、 阻碍；应力、应变分布不均匀；相互协调、适应。 2）存在大量晶界，晶内与晶界性能不同，晶界易聚集杂质，晶格排列紊乱：晶格畸变增大，滑移位错运动阻 力增大，难以变形，塑性变形抗力增大。晶粒越细，

强度越高：晶界总面积增加，周围不同取向的晶粒数越多，塑性变形抗力越大；晶粒越细，塑性、韧性越好：晶粒越细，单位体积中的晶粒数越多，变形量分散到更多晶粒中进行，产生较均匀的变形，不致造成局部应力集中，引发裂纹的产生和扩展，断裂前可发生较大塑性变形量。 工业上，常用压力加工、热处理方法细化晶粒，提高性能。 2 、多晶体金属的塑性变形过程 多晶体金属中各晶粒的 晶格位向不同，所受分切应 力不同，塑性变形在不同晶 粒中逐批进行，是个不均匀 过程。 软位向：晶格位向与外力处于或接近45°角的晶粒所受分切应力最大，首先发生塑性变形。 硬位向：晶格位向与外力处于或接近平行或垂直的晶粒所受分切应力最小，难以进行塑性变形。 多晶体金属的塑性变形是一批一批晶粒逐步发生，由少数晶粒发生塑性变形逐渐趋于大量晶粒发生塑性变形，由不均匀变形逐渐趋于较均匀变形。 §5-2 塑性变形对组织和性能的影 响 一、塑性变形对组织的影响 1、 晶粒形状发生变化： 沿变形方向被拉长，形成纤维组织； 2、 晶粒内产生亚结构：

复习资料：第5章 金属塑性变形的物理基础

复习资料：第5章金属塑性变形的物理基础 1.简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。 答：滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。 孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。 2.设有一简单立方结构的双晶体，如图所示， 如果该金属的滑移系是{100} <100>，试问 在应力作用下，该双晶体中哪一个晶体首先 发生滑移？为什么？ 答：晶体Ⅰ首先发生滑移，因为Ⅰ受力的方向接近软取向，而Ⅱ接近硬取向。 3.试分析多晶体塑性变形的特点。 答：①多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。 ②多晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。 ③多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。 ④多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强 度高。金属的塑性越好。 4. 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？ 答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。 5. 合金的塑性变形有何特点？ 答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。 单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用，多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形

状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。 根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显著的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。 6. 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？ 答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带； 晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状； 晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。 对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。 即产生了加工硬化。 7. 什么是加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？ 答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。 加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。 8. 什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？ 答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。

第五章--金属的塑性与变形抗力

金属的塑性变形抗力 摘要：塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形力。金属抵抗变形之力，称为变形抗力。变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用平均单位面积变形力表示其大小。当压缩变形时，变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，故亦称单位流动压力。 关键字：塑性 变形抗力 1、金属塑性的概念 所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 金属塑性的大小，可用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。一般通常称压力加工时金属塑性变形的限度，或“塑性极限”为塑性指标 2、塑性和柔软性 应当指出，不能把塑性和柔软性混淆起来。不能认为金属比较软，在塑性加工过程中就不易破裂。柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。不要认为变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。 3、塑性指标 表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有： （1）拉伸试验时的延伸率（δ）与断面收缩率（ψ）。 （2）冲击试验时的冲击韧性αk 。 （3）扭转试验的扭转周数n 。 （4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量。 （5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。 4、一些因素对塑性的影响规律 A 化学成分的影响 （1）碳 %L L l -=δ%00F F F -=ψ

随着含碳量的增加，渗碳体的数量也增加，塑性的降低 （2）磷 磷一般说来是钢中有害杂质，磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。 （3）硫 硫是钢中有害杂质，它在钢中几乎不溶解，而与铁形成FeS，FeS与Fe的共晶体其熔点很低，呈网状分布于晶界上。当钢在800～1200℃范围内进行塑性加工时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化而导致加工件开裂，这种现象称为热脆（或红脆）。另外，硫化物夹杂促使钢中带状组织形成，恶化冷轧板的深冲性能，降低钢的塑性。 （4）氮 590℃时，氮在铁素体中的溶解度最大，约为0.42％；但在室温时则降至0.01％以下。若将含氮量较高的钢自高温较快地冷却时，会使铁素体中的氮过饱和，并在室温或稍高温度下，氮将逐渐以Fe4N形式析出，造成钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大大降低，使钢变脆，这种现象称为时效脆性。 （5）氢 对于某些含氢量较多的钢种（即每１００克钢中含氢达２毫升时就能降低钢的塑性），热加工后又较快冷却，会使从固溶体析出的氢原子来不及向钢表面扩散，而集中在晶界、缺陷和显微空隙等处而形成氢分子（在室温下原子氢变为分子氢，这些分子氢不能扩散）并产生相当大的应力。在组织应力、温度应力和氢析出所造成的内应力的共同作用下会出现微细裂纹，即所谓白点，该现象在中合金钢中尤为严重。 （6）铜 实践表明，钢中含铜量达到0.15％～0.30％时，钢表面会在热加工中龟裂。 （7）硅 含硅量在0.5％以上时，由于加强了形成铁素体的趋势，对塑性产生不良影响。在硅钢中，当含硅量大于2.0％时，使钢的塑性降低。当含硅量达到4.5％