第十講塑性成形課件

工程材料學(xué)第十講塑性成形工程材料學(xué)第十講2

單晶體試樣受拉力時，作用在晶體內(nèi)一定的晶面上的外力F可分解為正應(yīng)力N和切應(yīng)力N。正應(yīng)力只使晶格產(chǎn)生彈性伸長，并在超過原子間結(jié)合力時將晶體拉斷；而切應(yīng)力則可在晶格產(chǎn)生彈性歪扭之后進一步造成滑移，從而引起塑性變形。單晶體的塑性變形2單晶體試樣受拉力時，作用在晶體內(nèi)一定的晶面上3

晶體在正應(yīng)力作用下，原子間距c增大，原子離開平衡位置（b），原于間的引力抵抗拉力，試圖恢復(fù)原狀而處于彈性變形狀態(tài)，所以當外力除去，原子恢復(fù)到原來位置，金屬的顯微組織也無變化。如果正應(yīng)力超過原子間引力，則晶體就被拉斷（c）。3晶體在正應(yīng)力作用下，原子間距c增大，原子離4當切應(yīng)力小時，晶體發(fā)生彈性變形(b)，當切應(yīng)力增大到一定值后，晶體一部分相對另一部分沿著滑移面相對滑移，滑移的距離為原子間距離的整倍數(shù)(c)。這時除去外力后，晶體中的原子不能回復(fù)到它原來位置（d），這就產(chǎn)生了塑性變形。單晶體的塑性變形的基本方式為滑移和孿生，但一般在大多數(shù)情況下都是以滑移方式進行。4當切應(yīng)力小時，晶體發(fā)生彈性變形(b)，當切應(yīng)力增大到一定值5滑移

晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分相對于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生相對的滑動，即晶體中產(chǎn)生層片之間的相對位移，這種位移在應(yīng)力去除后不能恢復(fù)。大量的層片間滑動的積累，就構(gòu)成金屬的宏觀塑性變形。單晶體滑移示意圖及實物圖5滑移晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分相對于另一6

能夠產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，相應(yīng)地稱為滑移面和滑移方向，滑移通常是沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向進行的。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系，滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。6能夠產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，相應(yīng)地稱為滑移7

若將表面拋光的單晶體金屬試樣進行適量的拉伸塑性變形后，在光鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)試樣表面有許多互相平行的線條，它們被稱為滑移帶。若進一步用TEM作高倍觀察，則發(fā)現(xiàn)每條滑移帶都是由許多密集的互相平行的更細的滑移線和臺階所組成。對滑移線觀察表明，晶體的塑性變形是不均勻的，滑移只是分別地集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間和晶體層片間則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間相對位移而已。7若將表面拋光的單晶體金屬試樣進行適量的拉伸8銅中的滑移帶滑移帶和滑移線示意圖8銅中的滑移帶滑移帶和滑移線示意圖9

晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨著取向的改變，即晶面發(fā)生轉(zhuǎn)動。圖中給出的是一單晶試樣作拉伸試驗時的情景，單晶體受拉伸應(yīng)力產(chǎn)生滑移時，如不受夾頭限制，則拉伸軸線將逐漸偏移，使試樣兩端的拉力不處于同一軸線上。但實際上由于夾頭的限制，拉伸軸線方向不能改變，這樣就必須使晶體中的晶面作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。其結(jié)果使滑移面和滑移方向，逐漸趨向與拉力軸線平行的方向。9晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨著取向的改10滑移的機理

金屬在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移是通過滑移面上的位錯，沿著滑移方向不斷發(fā)生運動的結(jié)果。由于實際晶體中存在有位錯，在切應(yīng)力作用下，位錯中心移動一個原子間距。當位借線在切應(yīng)力作用下移動時，滑移就逐漸發(fā)展，在位錯移動到晶體表面時，晶體就沿其滑移面產(chǎn)生了一個原子間距的滑移量。而大量的(n個)位錯沿著同一滑移面移到晶體表面，就形成了顯微鏡下所觀察到的滑移臺階，結(jié)果晶體就產(chǎn)生了塑性變形。10滑移的機理金屬在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移是11多晶體的塑性變形

多晶體中各晶粒內(nèi)部的基本變形方式與單晶體相同，即仍是以滑移等方式進行的，但由于晶粒之間位向不同和晶界的存在，多晶體的塑性變形要復(fù)雜得多。11多晶體的塑性變形多晶體中各晶粒內(nèi)部的基本12

只包含兩個晶粒的試樣拉伸時在遠離晶界處變形很明顯，而晶界附近則變形很少，產(chǎn)生了所謂“竹節(jié)現(xiàn)象”。說明晶界處的塑性變形抗力(強度)比晶體高。這是由于晶界處原于排列混亂，晶格畸變較大，并且常有雜質(zhì)存于其間，使滑移過程中的位錯移動受到阻礙。晶界越多，多晶體塑性交形抗力越高。同時，由于多晶體中各個晶粒的空間位向不同，也會增加變形抗力。相鄰晶粒位向差越大，則滑移阻力越大。12只包含兩個晶粒的試樣拉伸時在遠離晶界處變13塑性變形對組織和性能的影響

（1）晶粒變形金屬塑性變形時，在外形變化的同時，內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生變化。通常是晶粒沿變形方向被壓扁或拉長。變形度愈大，晶粒形狀變化愈大。變形量很大時，晶粒變成細條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維組織。這將導(dǎo)致金屬的性能產(chǎn)生各向異性，例如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。13塑性變形對組織和性能的影響（1）晶粒變形14變形前后晶粒形狀示意圖14變形前后晶粒形狀示意圖15

（2）亞結(jié)構(gòu)細化

金屬晶體的塑性變形是借位錯在應(yīng)力作用下不斷地增殖和移動而進行的。在金屬未變形或少量變形時，位錯的分布一般是均勻的，隨著變形增大，由于位錯運動和交互作用，出現(xiàn)位錯不均勻分布并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒，同時，在亞晶界上聚集大量位錯，亞晶界愈多。位錯密度愈大，金屬塑性變形抗力愈大。15（2）亞結(jié)構(gòu)細化16變形亞結(jié)構(gòu)示意圖16變形亞結(jié)構(gòu)示意圖17

（3）產(chǎn)生形變織構(gòu)

在塑性變形過程中，當變形量很大時，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于變形方向，稱為絲織構(gòu)。另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制平面和軋制方向，稱為板織構(gòu)。17（3）產(chǎn)生形變織構(gòu)18a)為低碳鋼或純鐵經(jīng)過高度冷拔后形成的絲織構(gòu)；b)為低碳鋼高度冷軋后的板織構(gòu)。18a)為低碳鋼或純鐵經(jīng)過高度冷拔后形成的絲織構(gòu)；19

金屬中形變織構(gòu)的形成會使其性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，甚至退火也很難消除。它在大多數(shù)情況下是不利的。如沖壓薄板零件時，形變織構(gòu)將帶來不均勻的塑性變形，造成筒形工件四周邊緣不整齊的所謂“制耳”現(xiàn)象。但生產(chǎn)上有時也利用織構(gòu)現(xiàn)象來提高硅鋼片的某一方向的磁導(dǎo)率，使鐵損大大減小，變壓器的效率大大提高。冷沖壓制耳現(xiàn)象a)無制耳b)有制耳19金屬中形變織構(gòu)的形成會使其性能呈現(xiàn)出明顯20殘余應(yīng)力

在塑性變形金屬中，由于各部分變形的不均勻性，將造成變形內(nèi)應(yīng)力，又稱殘余內(nèi)應(yīng)力。按殘余內(nèi)應(yīng)力作用范圍及特性不同，可分為以下三大類：宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力及晶格畸變應(yīng)力。20殘余應(yīng)力在塑性變形金屬中，由于各部分變形的21

(1)宏觀殘余應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)

由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，稱為宏觀殘余應(yīng)力，如金屬桿彎曲、拉絲所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。21(1)宏觀殘余應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)22

(2)微觀殘余應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)

晶粒與晶粒之間以及同一晶粒的不同區(qū)域之間，因變形不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力。22(2)微觀殘余應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)23

(3)晶格畸變應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)

多晶體金屬在塑性變形后由于位錯、空位等晶體缺陷增加，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置而造成晶格畸變，這種由于晶格畸變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，稱為晶格畸變應(yīng)力。它在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)維持相互平衡，是存在于變形金屬中最重要的殘余應(yīng)力，約占總殘余應(yīng)力的90％以上，這是形變強化的主要原因之一。23(3)晶格畸變應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)24加工硬化（形變強化）

是指隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高而塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。加工硬化也稱作形變強化，它是由于金屬的塑性變形而引起的金屬性能方面的變化。純銅（實線）和低碳鋼（虛線）冷塑性變形對力學(xué)性能的影響24加工硬化（形變強化）是指隨變形度的增大，25加工硬化的實際意義

首先，它是一種非常重要的強化手段，可用來提高金屬的強度，這對于那些不能用熱處理方法強化的合金尤其重要。

其次，加工硬化有利于金屬進行均勻變形，因為金屬已變形部分得到強化時，繼續(xù)的變形將主要在未變形部分中發(fā)展。

第三，它可保證金屬零件和構(gòu)件的工作安全性，因為金屬具有較好的形變強化能力，能防止短時超載引起的突然斷裂。25加工硬化的實際意義首先，它是一種非常重要26

但加工硬化也有不利的一面。由于材料塑性的降低，結(jié)金屬材料進一步冷塑性變形帶來困難。為了使金屬材料能繼續(xù)變形加工，必須進行中間熱處理，以消除形變強化。這就增加了成本，降低了生產(chǎn)率。26但加工硬化也有不利的一面。由于材料塑性27

塑性變形對外力所作功的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱而散耗，只有不到10%的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力而殘留在金屬中，使內(nèi)能增加。為了消除殘余應(yīng)力所引起的變形、開裂等有害作用，生產(chǎn)中必須增加消除殘余應(yīng)力的專門的工序(主要通過熱處理)。27塑性變形對外力所作功的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱28

但是，在某些情況下，殘余應(yīng)力的存在也會產(chǎn)生有利作用。例如借適當?shù)墓に嚪椒?如噴丸處理、滲碳、滲氮等)在零件表面造成殘余壓應(yīng)力，則將提高疲勞強度。塑性變形除了影響力學(xué)性能以外，也會使金屬某些物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加、化學(xué)活性增大、而耐蝕性則降低等。28但是，在某些情況下，殘余應(yīng)力的存在也會產(chǎn)29回復(fù)與再結(jié)晶

經(jīng)過冷塑性變形的金屬，不僅其組織結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生了變化，而且還存在殘余內(nèi)應(yīng)力，使金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了使其組織結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)或改善其物理、化學(xué)、力學(xué)性能，可以對金屬進行加熱。隨加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。29回復(fù)與再結(jié)晶經(jīng)過冷塑性變形的金屬，不僅其30回復(fù)

回復(fù)階段是指加熱溫度不高時，由于原子擴散能力不很大，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯變化，僅強度和硬度略有降低，而塑性略有增大，但殘余應(yīng)力顯著下降，其物理和化學(xué)性能也部分地恢復(fù)到變形前的這一階段。在工業(yè)上，為保持金屬經(jīng)冷塑性變形后的高強度，往往采用回復(fù)處理，以降低內(nèi)應(yīng)力，適當提高塑性。30回復(fù)回復(fù)階段是指加熱溫度不高時，由于原子31再結(jié)晶

溫度進一步增加時，由于原子擴散能力增大，使被拉長而呈纖維狀的晶粒又變?yōu)榈容S晶粒，同時使加工硬化現(xiàn)象消除，這一過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后的晶粒內(nèi)部晶格畸變消失，位錯密度下降，殘余應(yīng)力與加工硬化現(xiàn)象也完全消失，因而金屬的強度、硬度顯著下降，而塑性則顯著上升，結(jié)果使變形金屬的組織和性能基本上恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)。31再結(jié)晶溫度進一步增加時，由于原子擴散能力32再結(jié)晶溫度

再結(jié)晶不是在恒溫下而是在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，一般所說的再結(jié)晶溫度是指開始再結(jié)晶的溫度。生產(chǎn)上常規(guī)定在1h內(nèi)能完成再結(jié)晶的最低溫度為再結(jié)晶溫度。它與金屬的熔點、純度、冷塑性變形程度籌因素有關(guān)。32再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是在恒溫下而是在一個33

金屬的冷塑性變形程度愈大，再結(jié)晶的傾向愈大，再結(jié)晶開始溫度愈低。當冷塑性變形程度達到一定量后，再結(jié)晶溫度將趨于某一個穩(wěn)定值此溫度就是通常指的再結(jié)晶溫度。大量實驗證明，各種純金屬再結(jié)晶溫度等于其熔點的40%。因此，熔點越高的材料其再結(jié)晶溫度越高。33金屬的冷塑性變形程度愈大，再結(jié)晶的傾向愈34

金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元素，因阻礙原子擴散和晶界遷移，可顯著提高再結(jié)晶溫度。例如高純度鋁(99.999%)的再結(jié)晶溫度為80C，而工業(yè)純鋁(99.0%)的再結(jié)晶溫度提高到290C。

每種金屬都有對提高其再結(jié)晶溫度最有效的元素，例如對鋼有Mo和W，對鋁有Be和Zr。34金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元35

加熱速度和保溫時間也影響再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶是一個擴散過程，需要一定的時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生，而保溫時間越長，再結(jié)晶溫度愈低?？紤]到再結(jié)晶溫度受許多因素的影響，同時為了縮短退火周期，生產(chǎn)上采用的再結(jié)晶退火溫度，通常比最低再結(jié)晶溫度高100~200C。35加熱速度和保溫時間也影響再結(jié)晶溫度。再36冷變形金屬加熱時組織和性能的變化36冷變形金屬加熱時組織和性能的變化37金屬的再結(jié)晶溫度與變形量之間的關(guān)系37金屬的再結(jié)晶溫度與變形量之間的關(guān)系38晶粒長大

再結(jié)晶過程完成之后，如果再繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，金屬的晶粒將會以互相吞并的方式繼續(xù)長大。這種不均勻的長大過程類似于再結(jié)晶的形核(較大穩(wěn)定亞晶粒生成)和長大(吞食周圍的小亞晶粒)的過程，所以稱為第二次再結(jié)晶。晶粒長大對力學(xué)性能的影響是很不利的，應(yīng)當盡量避免。38晶粒長大再結(jié)晶過程完成之后，如果再繼39晶粒長大示意圖a)和b)晶界移動以減小晶界面積；c)小晶粒被吞并39晶粒長大示意圖a)和b)晶界移動以減小晶界面積；c)小40影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素

晶粒大小影響金屬的強度、塑性和韌性，因此生產(chǎn)上非常重視控制再結(jié)晶后的晶粒度。影響再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素，是加熱溫度和冷變形量。

（1）加熱溫度的影響加熱溫度愈高，原子擴散能力愈強，則晶界愈易遷移，晶粒長大也愈快。40影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素晶粒大小41

（2）冷變形量的影響

金屬冷變形量的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形愈不均勻，再結(jié)晶退火后的晶粒愈大。變形度很小時，因不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變。當變形度達到2~10%時，金屬中少數(shù)晶粒變形，變形分布很不均勻，所以再結(jié)晶時生成的晶核少，晶粒大小相差極大，非常有利于晶粒發(fā)生吞并過程而很快長大，結(jié)果得到極粗大的晶粒。41（2）冷變形量的影響42

再結(jié)晶時，使金屬獲得異常粗大晶粒的冷變形量稱為臨界變形度。生產(chǎn)上應(yīng)盡量避免臨界變形度的加工。超過臨界變形之后，隨變形度的增大，晶粒的變形愈強烈和均勻，再結(jié)晶核心愈來愈多，再結(jié)晶后的晶粒愈細小。如工業(yè)上冷金屬，一般都采用30~60%的變形量，但當變形度過大(約90％)時，在某些金屬(如鐵)中，又會出現(xiàn)再結(jié)晶后晶粒再次粗化的現(xiàn)象。一般認為，這與金屬中的織構(gòu)形成有關(guān)。42再結(jié)晶時，使金屬獲得異常粗大晶粒的冷變形43再結(jié)晶退火加熱溫度對晶粒度的影響（左圖）和金屬冷變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（右圖）43再結(jié)晶退火加熱溫度對晶粒度的影響（左圖）和金屬冷變形度對44金屬的熱加工

塑性變形在生產(chǎn)上主要作為一種重要的加工工藝應(yīng)用于金屬的成形加工。由于冷塑性變形加工抗力大，所以對尺寸大或難以進行冷塑性變形加工的金屬，生產(chǎn)上往往來用熱塑性變形加工(即熱加工)。44金屬的熱加工塑性變形在生產(chǎn)上主要作為一種45金屬的熱加工與冷加工

在金屬學(xué)上，冷加工和熱加工不是根據(jù)變形時金屬是否加熱，而是根據(jù)金屬的再結(jié)晶溫度來區(qū)分的。在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形為冷加工；在再結(jié)晶溫度以上的塑性加工為熱加工。冷加工時塑性變形引起加工硬化；熱加工時塑性變形引起的加工硬化，被隨即發(fā)生的回復(fù)、再結(jié)晶的軟化作用所消除，使金屬始終保持穩(wěn)定的塑性狀態(tài)。所以熔點高的金屬再結(jié)晶溫度高，熱加工溫度也應(yīng)高。45金屬的熱加工與冷加工在金屬學(xué)上，冷加工和熱46

鎢的最低再結(jié)晶溫度約為1200C，它的熱加工濕度至少要比這個溫度高，低于這個溫度就屬于冷加工。而鉛、錫等低熔點金屬再結(jié)晶溫度低于室溫，它們在室溫下的變形已屬于熱加工，是所謂的不硬化金屬。

46鎢的最低再結(jié)晶溫度約為1200C，它47在一般情況下，熱加工可應(yīng)用于截面尺寸較大、變形量較大、材料在室溫下硬脆性較高的金屬制品；冷加工則一般適于制造截面尺寸較小、材料塑性較好、加工精度較高與表面粗糙度要求較小的金屬制品。47在一般情況下，熱加工可應(yīng)用于截面尺寸較大、48金屬熱加工對組織和性能的影響

熱加工不引起金屬的加工硬化，但因有回復(fù)和再結(jié)晶過程產(chǎn)生，金屬的組織和性能也發(fā)生顯著變化。

（1）消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷通過熱加工(熱軋、鍛造等)可使金屬毛坯中的氣孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，將粗大的柱狀晶粒與枝晶變?yōu)榧毿【鶆虻牡容S晶粒，改善夾雜物、碳化物的形態(tài)、大小與分布，其結(jié)果可使金屬材料致密程度與力學(xué)性能提高。48金屬熱加工對組織和性能的影響熱加工不引起49

（2）細化晶粒熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶作用，一般可使晶粒細化，因而可以提高金屬的力學(xué)性能。但熱加工金屬的晶粒大小與變形程度和終止加工的溫度有關(guān)。變形程度小，終止加工的溫度過高，再結(jié)晶晶核長大又快，加工后得到粗大晶粒；相反則得到細小晶粒。但終止加工溫度不能過低，否則造成形變強化及殘余應(yīng)力。因此，制定正確的熱加工工藝規(guī)范，對改善金屬的性能有重要的意義。49（2）細化晶粒50

（3）形成鍛造流線

金屬內(nèi)部的夾雜物(如MnS等)在高溫下具有一定的塑性，在熱變形過程中，金屬錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使金屬錠中枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐漸與變形方向一致，使之變成條帶狀、線狀或片層狀，在宏觀試樣上沿著變形方向呈現(xiàn)為一條條的細線，這就是熱變形金屬中的流線。由一條條流線勾劃出來的這種組織稱為熱變形纖維組織。50（3）形成鍛造流線51

由于鍛造流線的出現(xiàn)，使金屬材料的性能，在不同的方向上有明顯的差異。通常沿流線的方向，其抗拉強度及韌性高，而抗剪強度低。在垂直于流線方向上，抗剪強度較高，而抗拉強度較低。51由于鍛造流線的出現(xiàn)，使金屬材料的性能，52

熱處理方法是不能消除或改變工件中的流線分布的，而只能依靠適當?shù)乃苄宰冃蝸砀纳屏骶€的分布。在某些場合下，不希望金屬材料中出現(xiàn)各向異性，此時須采用不同方向的變形(如鍛造時采用鐓粗與拔長交替進行)以打亂流線的方向性。52熱處理方法是不能消除或改變工件中的流線分53

（4）形成帶狀組織

若鋼在鑄態(tài)下存在嚴重的夾雜物偏析，或熱變形加工時的溫度過低，則在鋼中常出現(xiàn)沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植嫉娘@微組織，稱為帶狀組織。帶狀組織使鋼的性能變壞，特別是橫向的塑性、韌性降低。鋼中的帶狀組織53（4）形成帶狀組織鋼中的帶狀組織54Theend!Thanksforattention!54Theend!工程材料學(xué)第十講塑性成形工程材料學(xué)第十講56

單晶體試樣受拉力時，作用在晶體內(nèi)一定的晶面上的外力F可分解為正應(yīng)力N和切應(yīng)力N。正應(yīng)力只使晶格產(chǎn)生彈性伸長，并在超過原子間結(jié)合力時將晶體拉斷；而切應(yīng)力則可在晶格產(chǎn)生彈性歪扭之后進一步造成滑移，從而引起塑性變形。單晶體的塑性變形2單晶體試樣受拉力時，作用在晶體內(nèi)一定的晶面上57

晶體在正應(yīng)力作用下，原子間距c增大，原子離開平衡位置（b），原于間的引力抵抗拉力，試圖恢復(fù)原狀而處于彈性變形狀態(tài)，所以當外力除去，原子恢復(fù)到原來位置，金屬的顯微組織也無變化。如果正應(yīng)力超過原子間引力，則晶體就被拉斷（c）。3晶體在正應(yīng)力作用下，原子間距c增大，原子離58當切應(yīng)力小時，晶體發(fā)生彈性變形(b)，當切應(yīng)力增大到一定值后，晶體一部分相對另一部分沿著滑移面相對滑移，滑移的距離為原子間距離的整倍數(shù)(c)。這時除去外力后，晶體中的原子不能回復(fù)到它原來位置（d），這就產(chǎn)生了塑性變形。單晶體的塑性變形的基本方式為滑移和孿生，但一般在大多數(shù)情況下都是以滑移方式進行。4當切應(yīng)力小時，晶體發(fā)生彈性變形(b)，當切應(yīng)力增大到一定值59滑移

晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分相對于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生相對的滑動，即晶體中產(chǎn)生層片之間的相對位移，這種位移在應(yīng)力去除后不能恢復(fù)。大量的層片間滑動的積累，就構(gòu)成金屬的宏觀塑性變形。單晶體滑移示意圖及實物圖5滑移晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分相對于另一60

能夠產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，相應(yīng)地稱為滑移面和滑移方向，滑移通常是沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向進行的。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系，滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。6能夠產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，相應(yīng)地稱為滑移61

若將表面拋光的單晶體金屬試樣進行適量的拉伸塑性變形后，在光鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)試樣表面有許多互相平行的線條，它們被稱為滑移帶。若進一步用TEM作高倍觀察，則發(fā)現(xiàn)每條滑移帶都是由許多密集的互相平行的更細的滑移線和臺階所組成。對滑移線觀察表明，晶體的塑性變形是不均勻的，滑移只是分別地集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間和晶體層片間則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間相對位移而已。7若將表面拋光的單晶體金屬試樣進行適量的拉伸62銅中的滑移帶滑移帶和滑移線示意圖8銅中的滑移帶滑移帶和滑移線示意圖63

晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨著取向的改變，即晶面發(fā)生轉(zhuǎn)動。圖中給出的是一單晶試樣作拉伸試驗時的情景，單晶體受拉伸應(yīng)力產(chǎn)生滑移時，如不受夾頭限制，則拉伸軸線將逐漸偏移，使試樣兩端的拉力不處于同一軸線上。但實際上由于夾頭的限制，拉伸軸線方向不能改變，這樣就必須使晶體中的晶面作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。其結(jié)果使滑移面和滑移方向，逐漸趨向與拉力軸線平行的方向。9晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨著取向的改64滑移的機理

金屬在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移是通過滑移面上的位錯，沿著滑移方向不斷發(fā)生運動的結(jié)果。由于實際晶體中存在有位錯，在切應(yīng)力作用下，位錯中心移動一個原子間距。當位借線在切應(yīng)力作用下移動時，滑移就逐漸發(fā)展，在位錯移動到晶體表面時，晶體就沿其滑移面產(chǎn)生了一個原子間距的滑移量。而大量的(n個)位錯沿著同一滑移面移到晶體表面，就形成了顯微鏡下所觀察到的滑移臺階，結(jié)果晶體就產(chǎn)生了塑性變形。10滑移的機理金屬在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移是65多晶體的塑性變形

多晶體中各晶粒內(nèi)部的基本變形方式與單晶體相同，即仍是以滑移等方式進行的，但由于晶粒之間位向不同和晶界的存在，多晶體的塑性變形要復(fù)雜得多。11多晶體的塑性變形多晶體中各晶粒內(nèi)部的基本66

只包含兩個晶粒的試樣拉伸時在遠離晶界處變形很明顯，而晶界附近則變形很少，產(chǎn)生了所謂“竹節(jié)現(xiàn)象”。說明晶界處的塑性變形抗力(強度)比晶體高。這是由于晶界處原于排列混亂，晶格畸變較大，并且常有雜質(zhì)存于其間，使滑移過程中的位錯移動受到阻礙。晶界越多，多晶體塑性交形抗力越高。同時，由于多晶體中各個晶粒的空間位向不同，也會增加變形抗力。相鄰晶粒位向差越大，則滑移阻力越大。12只包含兩個晶粒的試樣拉伸時在遠離晶界處變67塑性變形對組織和性能的影響

（1）晶粒變形金屬塑性變形時，在外形變化的同時，內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生變化。通常是晶粒沿變形方向被壓扁或拉長。變形度愈大，晶粒形狀變化愈大。變形量很大時，晶粒變成細條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維組織。這將導(dǎo)致金屬的性能產(chǎn)生各向異性，例如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。13塑性變形對組織和性能的影響（1）晶粒變形68變形前后晶粒形狀示意圖14變形前后晶粒形狀示意圖69

（2）亞結(jié)構(gòu)細化

金屬晶體的塑性變形是借位錯在應(yīng)力作用下不斷地增殖和移動而進行的。在金屬未變形或少量變形時，位錯的分布一般是均勻的，隨著變形增大，由于位錯運動和交互作用，出現(xiàn)位錯不均勻分布并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒，同時，在亞晶界上聚集大量位錯，亞晶界愈多。位錯密度愈大，金屬塑性變形抗力愈大。15（2）亞結(jié)構(gòu)細化70變形亞結(jié)構(gòu)示意圖16變形亞結(jié)構(gòu)示意圖71

（3）產(chǎn)生形變織構(gòu)

在塑性變形過程中，當變形量很大時，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于變形方向，稱為絲織構(gòu)。另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制平面和軋制方向，稱為板織構(gòu)。17（3）產(chǎn)生形變織構(gòu)72a)為低碳鋼或純鐵經(jīng)過高度冷拔后形成的絲織構(gòu)；b)為低碳鋼高度冷軋后的板織構(gòu)。18a)為低碳鋼或純鐵經(jīng)過高度冷拔后形成的絲織構(gòu)；73

金屬中形變織構(gòu)的形成會使其性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，甚至退火也很難消除。它在大多數(shù)情況下是不利的。如沖壓薄板零件時，形變織構(gòu)將帶來不均勻的塑性變形，造成筒形工件四周邊緣不整齊的所謂“制耳”現(xiàn)象。但生產(chǎn)上有時也利用織構(gòu)現(xiàn)象來提高硅鋼片的某一方向的磁導(dǎo)率，使鐵損大大減小，變壓器的效率大大提高。冷沖壓制耳現(xiàn)象a)無制耳b)有制耳19金屬中形變織構(gòu)的形成會使其性能呈現(xiàn)出明顯74殘余應(yīng)力

在塑性變形金屬中，由于各部分變形的不均勻性，將造成變形內(nèi)應(yīng)力，又稱殘余內(nèi)應(yīng)力。按殘余內(nèi)應(yīng)力作用范圍及特性不同，可分為以下三大類：宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力及晶格畸變應(yīng)力。20殘余應(yīng)力在塑性變形金屬中，由于各部分變形的75

(1)宏觀殘余應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)

由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，稱為宏觀殘余應(yīng)力，如金屬桿彎曲、拉絲所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。21(1)宏觀殘余應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)76

(2)微觀殘余應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)

晶粒與晶粒之間以及同一晶粒的不同區(qū)域之間，因變形不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力。22(2)微觀殘余應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)77

(3)晶格畸變應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)

多晶體金屬在塑性變形后由于位錯、空位等晶體缺陷增加，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置而造成晶格畸變，這種由于晶格畸變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，稱為晶格畸變應(yīng)力。它在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)維持相互平衡，是存在于變形金屬中最重要的殘余應(yīng)力，約占總殘余應(yīng)力的90％以上，這是形變強化的主要原因之一。23(3)晶格畸變應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)78加工硬化（形變強化）

是指隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高而塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。加工硬化也稱作形變強化，它是由于金屬的塑性變形而引起的金屬性能方面的變化。純銅（實線）和低碳鋼（虛線）冷塑性變形對力學(xué)性能的影響24加工硬化（形變強化）是指隨變形度的增大，79加工硬化的實際意義

首先，它是一種非常重要的強化手段，可用來提高金屬的強度，這對于那些不能用熱處理方法強化的合金尤其重要。

其次，加工硬化有利于金屬進行均勻變形，因為金屬已變形部分得到強化時，繼續(xù)的變形將主要在未變形部分中發(fā)展。

第三，它可保證金屬零件和構(gòu)件的工作安全性，因為金屬具有較好的形變強化能力，能防止短時超載引起的突然斷裂。25加工硬化的實際意義首先，它是一種非常重要80

但加工硬化也有不利的一面。由于材料塑性的降低，結(jié)金屬材料進一步冷塑性變形帶來困難。為了使金屬材料能繼續(xù)變形加工，必須進行中間熱處理，以消除形變強化。這就增加了成本，降低了生產(chǎn)率。26但加工硬化也有不利的一面。由于材料塑性81

塑性變形對外力所作功的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱而散耗，只有不到10%的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力而殘留在金屬中，使內(nèi)能增加。為了消除殘余應(yīng)力所引起的變形、開裂等有害作用，生產(chǎn)中必須增加消除殘余應(yīng)力的專門的工序(主要通過熱處理)。27塑性變形對外力所作功的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱82

但是，在某些情況下，殘余應(yīng)力的存在也會產(chǎn)生有利作用。例如借適當?shù)墓に嚪椒?如噴丸處理、滲碳、滲氮等)在零件表面造成殘余壓應(yīng)力，則將提高疲勞強度。塑性變形除了影響力學(xué)性能以外，也會使金屬某些物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加、化學(xué)活性增大、而耐蝕性則降低等。28但是，在某些情況下，殘余應(yīng)力的存在也會產(chǎn)83回復(fù)與再結(jié)晶

經(jīng)過冷塑性變形的金屬，不僅其組織結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生了變化，而且還存在殘余內(nèi)應(yīng)力，使金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了使其組織結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)或改善其物理、化學(xué)、力學(xué)性能，可以對金屬進行加熱。隨加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。29回復(fù)與再結(jié)晶經(jīng)過冷塑性變形的金屬，不僅其84回復(fù)

回復(fù)階段是指加熱溫度不高時，由于原子擴散能力不很大，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯變化，僅強度和硬度略有降低，而塑性略有增大，但殘余應(yīng)力顯著下降，其物理和化學(xué)性能也部分地恢復(fù)到變形前的這一階段。在工業(yè)上，為保持金屬經(jīng)冷塑性變形后的高強度，往往采用回復(fù)處理，以降低內(nèi)應(yīng)力，適當提高塑性。30回復(fù)回復(fù)階段是指加熱溫度不高時，由于原子85再結(jié)晶

溫度進一步增加時，由于原子擴散能力增大，使被拉長而呈纖維狀的晶粒又變?yōu)榈容S晶粒，同時使加工硬化現(xiàn)象消除，這一過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后的晶粒內(nèi)部晶格畸變消失，位錯密度下降，殘余應(yīng)力與加工硬化現(xiàn)象也完全消失，因而金屬的強度、硬度顯著下降，而塑性則顯著上升，結(jié)果使變形金屬的組織和性能基本上恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)。31再結(jié)晶溫度進一步增加時，由于原子擴散能力86再結(jié)晶溫度

再結(jié)晶不是在恒溫下而是在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，一般所說的再結(jié)晶溫度是指開始再結(jié)晶的溫度。生產(chǎn)上常規(guī)定在1h內(nèi)能完成再結(jié)晶的最低溫度為再結(jié)晶溫度。它與金屬的熔點、純度、冷塑性變形程度籌因素有關(guān)。32再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是在恒溫下而是在一個87

金屬的冷塑性變形程度愈大，再結(jié)晶的傾向愈大，再結(jié)晶開始溫度愈低。當冷塑性變形程度達到一定量后，再結(jié)晶溫度將趨于某一個穩(wěn)定值此溫度就是通常指的再結(jié)晶溫度。大量實驗證明，各種純金屬再結(jié)晶溫度等于其熔點的40%。因此，熔點越高的材料其再結(jié)晶溫度越高。33金屬的冷塑性變形程度愈大，再結(jié)晶的傾向愈88

金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元素，因阻礙原子擴散和晶界遷移，可顯著提高再結(jié)晶溫度。例如高純度鋁(99.999%)的再結(jié)晶溫度為80C，而工業(yè)純鋁(99.0%)的再結(jié)晶溫度提高到290C。

每種金屬都有對提高其再結(jié)晶溫度最有效的元素，例如對鋼有Mo和W，對鋁有Be和Zr。34金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元89

加熱速度和保溫時間也影響再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶是一個擴散過程，需要一定的時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生，而保溫時間越長，再結(jié)晶溫度愈低?？紤]到再結(jié)晶溫度受許多因素的影響，同時為了縮短退火周期，生產(chǎn)上采用的再結(jié)晶退火溫度，通常比最低再結(jié)晶溫度高100~200C。35加熱速度和保溫時間也影響再結(jié)晶溫度。再90冷變形金屬加熱時組織和性能的變化36冷變形金屬加熱時組織和性能的變化91金屬的再結(jié)晶溫度與變形量之間的關(guān)系37金屬的再結(jié)晶溫度與變形量之間的關(guān)系92晶粒長大

再結(jié)晶過程完成之后，如果再繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，金屬的晶粒將會以互相吞并的方式繼續(xù)長大。這種不均勻的長大過程類似于再結(jié)晶的形核(較大穩(wěn)定亞晶粒生成)和長大(吞食周圍的小亞晶粒)的過程，所以稱為第二次再結(jié)晶。晶粒長大對力學(xué)性能的影響是很不利的，應(yīng)當盡量避免。38晶粒長大再結(jié)晶過程完成之后，如果再繼93晶粒長大示意圖a)和b)晶界移動以減小晶界面積；c)小晶粒被吞并39晶粒長大示意圖a)和b)晶界移動以減小晶界面積；c)小94影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素

晶粒大小影響金屬的強度、塑性和韌性，因此生產(chǎn)上非常重視控制再結(jié)晶后的晶粒度。影響再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素，是加熱溫度和冷變形量。

（1）加熱溫度的影響加熱溫度愈高，原子擴散能力愈強，則晶界愈易遷移，晶粒長大也愈快。40影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素晶粒大小95

（2）冷變形量的影響

金屬冷變形量的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形愈不均勻，再結(jié)晶退火后的晶粒愈大。變形度很小時，因不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變。當變形度達到2~10%時，金屬中少數(shù)晶粒變形，變形分布很不均勻，所以再結(jié)晶時生成的晶核少，晶粒大小相差極大，非常有利于晶粒發(fā)生吞并過程而很快長大，結(jié)果得到極粗大的晶粒。41（2）冷變形量的影響96

再結(jié)晶時，使金屬獲得異常粗大晶粒的冷變形量稱為臨界變形度。生產(chǎn)上應(yīng)盡量避免臨界變形度的加工。超過臨界變形之后，隨變形度的增大，晶粒的變形愈強烈和均勻，再結(jié)晶核心愈來愈多，再結(jié)晶后的晶粒愈細小。如工業(yè)上冷金屬，一般都采用30~60%的變形量，但當變形度過大(約90％)時，在某些金屬(如鐵)中，又會出現(xiàn)再結(jié)晶后晶粒再次粗化的現(xiàn)象。一般認為，這與金屬中的織構(gòu)形成有關(guān)。42再結(jié)晶時，使金屬獲得異常粗大晶粒的冷變形97再結(jié)晶退火加熱溫度對晶粒度的影響（左圖）和金屬冷變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（右圖）43再結(jié)晶退火加熱溫度對晶粒度的影響（左圖）和金屬冷變形度對98金屬的熱加工

塑性變形在生產(chǎn)上主要作為一種重要的加工工藝應(yīng)用于金屬的成形加工。由于冷塑性變形加工抗力大，所以對尺寸大或難以進行冷塑性變形加工的金屬，生產(chǎn)上往往來用熱塑性變形加工(即熱加工)。44金屬的熱加工塑性變形在生產(chǎn)上主要作為一種99金屬的熱加工與冷加工

在金屬學(xué)上，冷加工和熱加工不是根