第八章材料的塑性变形 第三章我们介绍了金属的铸态组织。铸态组织往往具有晶粒粗大、组织不均 匀、成分偏析以及材质不致密等缺陷,所以金属材料经冶炼浇注后大多数要进行 各种压力加工(如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等),制成型材和工件。金属 材料经压力加工(塑性变形)后,不仅外形尺寸发生了改变,而且内部组织和性 能也会发生很大的变化。经塑性变形的金属材料绝大多数还要进行退火,退火又 会使金属材料的组织和性能发生与形变相反的变化,这个过程称为回复与再结 晶。塑性变形、回复与再结晶是相互影响、紧密联系的。讨论这些过程的实质与 规律,对于深入了解金属材料各项杋械性能指标的本质,充分发挥材料强度的潜 力,正确制定和改进金属压力加工工艺,提高产品质量及合理用材等都有重要的 意义。本章讨论金属的塑性变形,下一章讨论变形金属的回复与再结晶。 8-1金属变形的三个阶段 金属在外力(载荷)的作用下,首先发生弹性变形。载荷增加到一定值以后, 除了发生弹性变形外,同时还发生塑性变形,即弹塑性变形。继续増加载荷,塑 性变形也将逐渐增大,直至金属发生断裂。由此可见,金属在外力作用下的变形 过程可以分为三个连续的阶段:弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。 拉伸试验测得的低碳钢的应力一应变曲线如图41所示。 图41低碳钢的应力一应变曲线 在工程应用中,应力和应变是按照下式计算的 应力(工程应力) P Ao 应变(工程应变)g=1=1 (4.2) Chap8 第1页
Chap8 第1页 第八章 材料的塑性变形 第三章我们介绍了金属的铸态组织。铸态组织往往具有晶粒粗大、组织不均 匀、成分偏析以及材质不致密等缺陷，所以金属材料经冶炼浇注后大多数要进行 各种压力加工（如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等），制成型材和工件。金属 材料经压力加工（塑性变形）后，不仅外形尺寸发生了改变，而且内部组织和性 能也会发生很大的变化。经塑性变形的金属材料绝大多数还要进行退火，退火又 会使金属材料的组织和性能发生与形变相反的变化，这个过程称为回复与再结 晶。塑性变形、回复与再结晶是相互影响、紧密联系的。讨论这些过程的实质与 规律，对于深入了解金属材料各项机械性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜 力，正确制定和改进金属压力加工工艺，提高产品质量及合理用材等都有重要的 意义。本章讨论金属的塑性变形，下一章讨论变形金属的回复与再结晶。 8-1 金属变形的三个阶段 金属在外力（载荷）的作用下，首先发生弹性变形。载荷增加到一定值以后， 除了发生弹性变形外，同时还发生塑性变形，即弹塑性变形。继续增加载荷，塑 性变形也将逐渐增大，直至金属发生断裂。由此可见，金属在外力作用下的变形 过程可以分为三个连续的阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。 拉伸试验测得的低碳钢的应力—应变曲线如图 4.1 所示。 在工程应用中，应力和应变是按照下式计算的： 应力（工程应力） A0 P σ = (4.1) 应变（工程应变） 0 0 l l − l ε = (4.2) 图 4.1 低碳钢的应力—应变曲线 0 a σe σs σb b c d k ε σ σk
式中,P为载荷,A为试样的原始横截面积,lo为试样的原始标距长度( gauge length),l为试样变形后的长度。这样绘出的aE曲线通常称为工程应力一工程 应变曲线( engineering stress-engineering strain curve),如图4.1所示: σe为材料的弹性极限( elastic limit),它表示不发生永久变形的最大应力 当应力低于ae时,应力与试样的应变成正比,应力去除则变形消失,即试样处 于弹性变形阶段,有些零件如枪管、炮筒及精密弹性件等在工作时不允许产生微 量塑性变形,设计时应根据弹性极限来选用材料。 但应力超过σε后,应力与应变之间的直线关系被破坏,如果卸载,试样的 变形只能部分恢复,而保留一部分残余变形,即塑性变形,这说明材料的变形进 入弹塑性变形阶段。σs为材料的屈服强度( yield strength),表示金属开始发生 明显塑性变形的抗力。对于没有明显屈服点的材料,规定以产生02%残余变形 的应力值σ02为其屈服强度。零件的失效,过量塑性变形往往是其主要原因,所 以除了少量要求特别严格的零件设计和选材使用弹性极限σe外,一般零件设计 和选材都以屈服强度σs或σ02为主要依据 当应力超过σs后,试样发生明显而均匀的塑性变形,若欲使试样的应变增 大,则必须相应地增加应力值,这种随着塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增 加的现象称为加工硬化( work hardening)或应变硬化( strain hardening)。当 应力达到b时,试样的均匀变形阶段即告中止,这个最大的应力值称为材料 的拉伸强度( tensile strength)或极限拉伸强度( ultimate tensile strength),简 写为UTs,它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力,是材料受拉时所能承受 的最大载荷的应力,也是机件设计和选材的主要依据 在0b以后,试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩( necking),应力下 降,最后应力达σk时,试样断裂。∝k称为材料的断裂应力( fracture stress), 它表示材料对塑性变形的极限抗力 上述的σe、σs、σo2、σb和σk为材料的强度指标,塑性( ductility)指标主 要有两种: 6为延伸率( elongation),是试样拉断后长度的相对伸长量: 100% 式中|为试样拉断后的最后标距长度。 φ为断面收缩率( reduction of area),是试样拉断后横截面的相对收缩值: A-A 100% 式中Ao为试样断口处的横截面积 δ和ψ反映金属塑性变形的能力,在机件设计中是保证安全性的机械性能指 标 8-2单晶体的塑性变形 当金属中的应力超过其弹性极限时,金属将产生塑性变形。实验表明,单晶 Chap8 第2页
Chap8 第2页 式中，P 为载荷，A0 为试样的原始横截面积，l0为试样的原始标距长度（gauge length），l 为试样变形后的长度。这样绘出的 σ-ε 曲线通常称为工程应力—工程 应变曲线（engineering stress-engineering strain curve），如图 4.1 所示： σe为材料的弹性极限（elastic limit），它表示不发生永久变形的最大应力。 当应力低于 σe 时，应力与试样的应变成正比，应力去除则变形消失，即试样处 于弹性变形阶段，有些零件如枪管、炮筒及精密弹性件等在工作时不允许产生微 量塑性变形，设计时应根据弹性极限来选用材料。 但应力超过 σe 后，应力与应变之间的直线关系被破坏，如果卸载，试样的 变形只能部分恢复，而保留一部分残余变形，即塑性变形，这说明材料的变形进 入弹塑性变形阶段。σs 为材料的屈服强度（yield strength），表示金属开始发生 明显塑性变形的抗力。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生 0.2%残余变形 的应力值 σ0.2为其屈服强度。零件的失效，过量塑性变形往往是其主要原因，所 以除了少量要求特别严格的零件设计和选材使用弹性极限 σe 外，一般零件设计 和选材都以屈服强度 σs 或 σ0.2为主要依据。 当应力超过 σs 后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若欲使试样的应变增 大，则必须相应地增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增 加的现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。当 应力达到 σb时，试样的均匀变形阶段即告中止，这个最大的应力值 σb称为材料 的拉伸强度（tensile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength），简 写为 UTS，它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力，是材料受拉时所能承受 的最大载荷的应力，也是机件设计和选材的主要依据。 在 σb 以后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩（necking），应力下 降，最后应力达 σk 时，试样断裂。σk 称为材料的断裂应力（fracture stress）， 它表示材料对塑性变形的极限抗力。 上述的 σe、σs、σ0.2、σb和 σk 为材料的强度指标，塑性（ductility）指标主 要有两种： δ 为延伸率(elongation)，是试样拉断后长度的相对伸长量： 100% 0 0 × − = l l l δ (4.3) 式中 l 为试样拉断后的最后标距长度。 ψ 为断面收缩率（reduction of area），是试样拉断后横截面的相对收缩值： 100% 0 0 × − = A A A ψ (4.4) 式中 A0为试样断口处的横截面积。 δ 和 ψ 反映金属塑性变形的能力，在机件设计中是保证安全性的机械性能指 标。 8-2 单晶体的塑性变形 当金属中的应力超过其弹性极限时，金属将产生塑性变形。实验表明，单晶
体的塑性变形主要是通过滑移(slip)和孪生(twin)两种方式进行的,其中滑 移是最主要的变形方式。 一、滑移 单晶体受拉时,外力在任何晶面上都可以分解为正应力和切应力。其中正应 力只能引起正断,不能引起塑性变形,而只有在切应力的作用下才能产生塑性变 形。在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定晶面(滑移面( slip plane))的 定晶向(滑移方向( slip direction)相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移 如图42所示。滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些 晶面上原子排列最紧密的方向进行,因为只有在最密排晶面之间的面间距及最密 排晶向之间的原子间距才最大,原子结合力也最弱,所以在最小的切应力下便能 引起它们之间的相对滑移。晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个 滑移系。晶体中的滑移系越多,意味着其塑性越好。具有体心和面心立方晶格的 金属,如铁、铝、铜、铬等,在通常情况下都以滑移方式变形,它们的塑性比具 有密排六方晶格的金属好得多,这是由于前者的滑移系多,金属发生滑移的可能 性大所致。 图42滑移示意图 n 睴 图43刃状位错运动造成滑移的示意图 最初,人们设想滑移过程是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性滑 移。但是由此计算出的滑移所需最小切应力比实测值要高几个数量级。后来通过 大量的研究证明,滑移实际上是位错(dis| ocation)在切应力作用下运动的结果。 Chap8 第3页
Chap8 第3页 体的塑性变形主要是通过滑移（slip）和孪生（twin）两种方式进行的，其中滑 移是最主要的变形方式。 一、滑移 单晶体受拉时，外力在任何晶面上都可以分解为正应力和切应力。其中正应 力只能引起正断，不能引起塑性变形，而只有在切应力的作用下才能产生塑性变 形。在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面（slip plane））的一 定晶向（滑移方向（slip direction））相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移， 如图 4.2 所示。滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些 晶面上原子排列最紧密的方向进行，因为只有在最密排晶面之间的面间距及最密 排晶向之间的原子间距才最大，原子结合力也最弱，所以在最小的切应力下便能 引起它们之间的相对滑移。晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个 滑移系。晶体中的滑移系越多，意味着其塑性越好。具有体心和面心立方晶格的 金属，如铁、铝、铜、铬等，在通常情况下都以滑移方式变形，它们的塑性比具 有密排六方晶格的金属好得多，这是由于前者的滑移系多，金属发生滑移的可能 性大所致。 最初，人们设想滑移过程是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性滑 移。但是由此计算出的滑移所需最小切应力比实测值要高几个数量级。后来通过 大量的研究证明，滑移实际上是位错(dislocation)在切应力作用下运动的结果。 图 4.2 滑移示意图 (a) (b) 图 4.3 刃状位错运动造成滑移的示意图
图43示意地表示了这一过程。如图43(a)所示包含位错的晶体在切应力作用下, 位错线上面的两列原子向右作微量位移至虚线所示的位置,位错线下面的一列原 子向左作微量位移至虚线所示的位置,这样就可以使位错向右移动一个原子间 距。在切应力的作用下,如位错线继续向右移动到晶体表面时,就形成了一个原 子间距的滑移量,如图4.3(b)所示。结果晶体就产生了塑性变形 由此可见,晶体通过位错移动而产生滑移时,并不需要整个滑移面上全部的 原子同时移动,而只需位错附近的少数原子作微量的移动,移动的距离远小于 个原子间距,因而位错运动所需的切应力就小得多,且与实测值基本相符。这就 是“位错的易动性”。所以滑移实质上是在切应力作用下,位错沿滑移面的运动。 如果把试样表面抛光后进行塑性变形,用显微镜下可以观察到,在试样表面 有很多相互平行的线条,称为滑移带,如图44所示。如果再用分辨率更高的电 子显微镜观察,可以看出滑移带是由很多相互平行的滑移线( slip line)所构成, 如图45所示。 滑移带 2000A ~200A 滑移线 图44铜变形后出现的滑移带 图45滑移带和滑移线的示意图 孪生 孪晶面 孪晶带 孪晶面 图46孪生示意图 挛生是晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面( twin plain)和晶向发生切变, Chap8
Chap8 第4页 图 4.3 示意地表示了这一过程。如图 4.3(a)所示包含位错的晶体在切应力作用下， 位错线上面的两列原子向右作微量位移至虚线所示的位置，位错线下面的一列原 子向左作微量位移至虚线所示的位置，这样就可以使位错向右移动一个原子间 距。在切应力的作用下，如位错线继续向右移动到晶体表面时，就形成了一个原 子间距的滑移量，如图 4.3(b)所示。结果晶体就产生了塑性变形。 由此可见，晶体通过位错移动而产生滑移时，并不需要整个滑移面上全部的 原子同时移动，而只需位错附近的少数原子作微量的移动，移动的距离远小于一 个原子间距，因而位错运动所需的切应力就小得多，且与实测值基本相符。这就 是“位错的易动性”。所以滑移实质上是在切应力作用下，位错沿滑移面的运动。 如果把试样表面抛光后进行塑性变形，用显微镜下可以观察到，在试样表面 有很多相互平行的线条，称为滑移带，如图 4.4 所示。如果再用分辨率更高的电 子显微镜观察，可以看出滑移带是由很多相互平行的滑移线（slip line）所构成， 如图 4.5 所示。 二、孪生 孪生是晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面（twin plain））和晶向发生切变， 4’ 3 2 1 1’ 2’ 3’ 4 孪晶带 孪晶面 孪晶面 图 4.6 孪生示意图 图 4.4 铜变形后出现的滑移带 图 4.5 滑移带和滑移线的示意图 滑移带 滑移线 ~2000A ~200A o o
如图46所示,产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变,它是以孪晶面为对称 面与未变形部分相互对称,这种对称的两部分晶体称为孪晶:发生变形的那部分 晶体称为孪晶带( twin band) 孪生和滑移不同,滑移时变形只局限于给定的滑移面上,滑移后滑移总量是 近邻原子间距的整数倍,滑移前后晶体的位向不变;孪生变形时各层原子平行于 孪晶面运动,在这部分晶体中,相邻原子间的相对位移只有一个原子间距的几分 之一,但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多倍(不一定是整 数倍)的变形。另外,孪生变形所需的最小切应力比滑移的大得多,因此孪生变 形只在滑移很难进行的情况下才发生。面心立方结构的金属一般不发生孪生变 形,但少数金属如铜、金、银在极低温度下可能发生;体心立方结构的金属仅在 室温或受冲击时才发生;而滑移系较少的密排六方结构的金属如镁、锌、镉等 则比较容易发生孪生变形 孪生变形会在周围晶格中引起很大的畸变,因此产生的塑性变形量比滑移小 得多,一般不超过10%。但孪生变形引起晶体位向改变,因而能促进滑移发生。 8-3多晶体的塑性变形 工程上实际使用的金属材料绝大多数是多晶体。多晶体的塑性变形也是通过 滑移或孪生变形的方式进行的,但是在多晶体中,晶粒之间的晶界处原子排列不 规则,而且往往还有杂质原子处于其间,这使多晶体的变形更为复杂。 、多晶体塑性变形的特点 1.变形不均匀 1)各晶粒的变形先后不一。因为各晶粒位向不同,施加同一外力时,那些 受最大或接近最大分解切应力位向的晶粒处于“软位向”状态,而受最小或接近 最小分解切应力位向的晶粒处于“硬位向”状态。所以多晶体金属的塑性变形是 逐批发生的,软位向的晶粒先变形,硬位向的后变形 2)各晶粒的变形量有大有小; 3)即使在同一晶粒中,变形量亦不相同,晶粒中心变形量小,靠近晶界处 的变形量大 2.各晶粒间变形协调 多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中,它的变形必然与其邻近的晶粒 相互协调配合,不然就难以进行变形,甚至不能保持晶粒之间的连续性,会造成 空隙而导致材料的破裂。 3.晶界对形变过程的阻碍作用 多晶体中,晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大。这是由于晶界附近晶 格畸变程度大,加之常常聚集有杂质原子,处于髙能量状态,对滑移变形时位错 的移动起阻碍作用所致。晶界原子排列越紊乱,滑移抗力就越大。 、细晶强化 Chap8
Chap8 第5页 如图 4.6 所示，产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变，它是以孪晶面为对称 面与未变形部分相互对称，这种对称的两部分晶体称为孪晶；发生变形的那部分 晶体称为孪晶带（twin band）。 孪生和滑移不同，滑移时变形只局限于给定的滑移面上，滑移后滑移总量是 近邻原子间距的整数倍，滑移前后晶体的位向不变；孪生变形时各层原子平行于 孪晶面运动，在这部分晶体中，相邻原子间的相对位移只有一个原子间距的几分 之一，但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多倍（不一定是整 数倍）的变形。另外，孪生变形所需的最小切应力比滑移的大得多，因此孪生变 形只在滑移很难进行的情况下才发生。面心立方结构的金属一般不发生孪生变 形，但少数金属如铜、金、银在极低温度下可能发生；体心立方结构的金属仅在 室温或受冲击时才发生；而滑移系较少的密排六方结构的金属如镁、锌、镉等， 则比较容易发生孪生变形。 孪生变形会在周围晶格中引起很大的畸变，因此产生的塑性变形量比滑移小 得多，一般不超过 10%。但孪生变形引起晶体位向改变，因而能促进滑移发生。 8-3 多晶体的塑性变形 工程上实际使用的金属材料绝大多数是多晶体。多晶体的塑性变形也是通过 滑移或孪生变形的方式进行的，但是在多晶体中，晶粒之间的晶界处原子排列不 规则，而且往往还有杂质原子处于其间，这使多晶体的变形更为复杂。 一、多晶体塑性变形的特点 1．变形不均匀 1）各晶粒的变形先后不一。因为各晶粒位向不同，施加同一外力时，那些 受最大或接近最大分解切应力位向的晶粒处于“软位向”状态，而受最小或接近 最小分解切应力位向的晶粒处于“硬位向”状态。所以多晶体金属的塑性变形是 逐批发生的，软位向的晶粒先变形，硬位向的后变形； 2）各晶粒的变形量有大有小； 3）即使在同一晶粒中，变形量亦不相同，晶粒中心变形量小，靠近晶界处 的变形量大。 2．各晶粒间变形协调 多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近的晶粒 相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成 空隙而导致材料的破裂。 3．晶界对形变过程的阻碍作用 多晶体中，晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大。这是由于晶界附近晶 格畸变程度大，加之常常聚集有杂质原子，处于高能量状态，对滑移变形时位错 的移动起阻碍作用所致。晶界原子排列越紊乱，滑移抗力就越大。 二、细晶强化