第八章 材料的塑性变形
? 变形概述
? 单晶体的滑移
? 滑移的位错理论分析
? 多晶体的塑性变形
? 其他塑性变形方式
? 塑性变形对组织性能的影响
塑性变形引言
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也
是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有
良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用
的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也
是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会
改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性
能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。
但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来
某些不利的影响，为了消除塑性变形 (冷加工 )这些不
利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料
进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以，
塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。
第一节 变形概述
? 名词概念
? 变形过程
? 弹性变形
? 塑性变形
? 塑性变形的方式
变形过程中的名词概念
1,变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2,应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。
同截面垂直的称为, 正应力, 或, 法向应力,,同
截面相切的称为, 剪应力, 或, 切应力, 。
3,应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部
某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比
值称为, 线应变, ；物体内两互相垂直的平面在变
形后夹角的改变值称为, 剪应变, 或, 角应变, ；
变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位
体积之比值称为, 体积应变, 。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线如
图所示。
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。
弹性变形
1,定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全
恢复，变形消失。
2,特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比
3,比例系数 E称为弹性模量 G称为切变模量，它反映材
料对弹性变形的抗力，代表材料的, 刚度, 。
4,实质,弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内
部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间
的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长 (缩短 )
或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去
除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。
塑性变形
1,定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力
大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还
发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到
完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。
2,塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸
长率 (δ %)或断面减缩率 (ψ %)表示。
3,实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内
部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原
子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。
塑性变形过程－－屈服
1,屈服：材料开始发生塑性变形。
2,屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，
这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿
状的平台。这是部分材料所具有的特征。
3,屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗
力，也称为屈服极限，用 σ s表示。对具有屈服现象
的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服
现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答 0.2%
时的应力值表示。
塑性变形过程－－均匀变形
1.均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体
进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，
材料的变形将不能继续下去。
2.原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生
了加工硬化。 已经发生变形处的强度提高，
进一步变形困难，即变形要在更大的应力作
用下才能进行。下一步的变形发生在未变形
或变形相对较小的位置，达到同样变形后，
在更大的应力作用下发生变形。
塑性变形过程－－颈缩
1.颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，
产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域
进行。
2.特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，
工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真
实应力依然在上升。
3.极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程
应力 σ b,这时试样出现失稳，颈缩真实应
力依然在上升，但能承受的总外力在下降。
塑性变形过程－－断裂
1,断裂：变形量大至 K点，试样发生断裂。
2,实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，
原子间的结合破坏而分离。
3,韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂
叫, 韧性断裂, 。在晶体构成的材料中，内部的晶
粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4,脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其
断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫, 脆性断裂, 。
脆性断裂可沿晶界发生，称为, 晶间断裂,,断口
凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为
,穿间断裂,,断口比较平坦。
塑性变形的方式
材料在外力作用下发生塑性变形，依材料
的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性
变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方
式有,滑移、孪生、蠕变、流动 。
其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。
而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样
只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度
的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为
液体，可以维持自己形状的位固体,
第二节 单晶体的滑移
? 滑移概念
? 过程说明
? 滑移系
? 施密特定律
? 临界分切应力
? 滑移变形的主要特点
滑移概念
滑移,滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定
的晶面 (滑移面 )的一定方向 (滑移方向 )相对于晶体的
另一部分发生的相对滑动
滑移 过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一
步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新
的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久
的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体
的表面将出现滑移产生的台阶。
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不
能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产
生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分
离，材料则出现断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑
性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶
格沿另外的方向上发生滑移。
滑移 系
? 滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排
晶面；
? 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最
密排方向；
? 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以
滑移的方式称为, 滑移系, 。
典型晶格的滑移 系
FCC
滑移 系对性能的影响
? 晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，
材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的
滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。
? 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心
立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有 12个滑移系，
但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁
及锌等，因其滑移系仅有 3个，故其塑性远较具有立
方晶格的金属差。
施密特定律
直接推动滑移的是在
滑移方向上的分切应力。
在同一外加应力作用下，
不同的滑移系因自己的取
向不同，对应的分切应力
也不相同。
图示一单晶体单向拉
伸，滑移面法线方向与外
力的夹角为 υ,滑移方向
和拉力轴的夹角为 λ,注
意到滑移方向、拉力轴和
滑移面的法线三者一般不
在一平面，即 υ +λ ≠ 900 。
施密特定律
滑移方向上的分切应力为,
其中
称为取向因子或施密特因
子。当 υ +λ = 900，取向
因子有最大值 0.5。
施密特定律
滑移方向上的分切应力为,
称为施密特定律,τ c是一
常数，但材料的屈服强度
σ s则随拉力轴相对于晶体
的取向不同而不同，即晶
体材料存在各向异性。
临界分切应力与首开滑移系
临界分切应力,当外力在某个滑移面的滑移方向上的
分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑
移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分
切应力，它是决定材料强度的直接因素。
首开滑移系, 在某一外力作用下，取向因子最大的滑
移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到
临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大
的滑移系称为 这个外力下 的首开滑移系。
等效滑移系, 在某一外力作用下，取向因子相同的滑
移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临
界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑
移系称为 这个外力下 的等效滑移系。
滑移变形的主要特点
1.滑移只能在切应力的作用下发生。
2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向
发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间
距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密
晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要
的外加切应力最小。
3.滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移
方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结
果会在晶体的表面上造成台阶。
4.滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
滑移变形的主要特点
滑移变形在晶体表面形成的滑移线
滑移时晶体的转动
当外力作用于单晶体
试样上时，它在某些相邻
层晶面上所分解的切应力
使晶体发生滑移，而正应
力和垂直滑移方向的另一
分切应力因滑移错开组成
一力偶，使晶体在滑移的
同时向外力方向发生转动。
转动的趋势为滑移面趋于
平行拉力方向，滑移方向
也趋于平行拉力方向。
第三节 滑移的位错理论分析
? 滑移的实质是位错的运动
? 位错的增殖
? 位错的交割
? 位错的塞积
? 加工硬化
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上
的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切
应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错
从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的
滑移。
滑移的实质是位错的运动
对应于位错运动，在滑
移的过程中，只需要位错中
心上面的两列原子（实际为
两个半原子面 ） 向右作微量
的位移，位错中心下面的一
列原子向左作微量的位移，
位错中心便会发生一个原子
间距的右移。由此可见，通
过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原
子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极
少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切
应力便远远小于整体刚性滑移。
滑移的实质是位错的运动
位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的
方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，
在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子
的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。
位错的增殖
塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产
生滑移台阶，但位错的数量 (位错密度 )却在不
断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性
变形时位错会发生增殖。
例如
位错的增殖
利用 Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上
有一段位错,CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位
错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号
位错相消，产生一位错环，内部 CD段还存在。反复可
生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶
可为柏氏矢量的整数倍。
位错的交割
不在同一个滑移面
上的两位错运动的过程
中可发生交割。图示例
子表示如果位错 AB向下
运动扫过位错 CD，由于
扫过区间的晶体两边发
生了柏氏矢量大小的滑
移，在位错 CD上产生了
EF转折,EF长度为 AB的
柏氏矢量,EF位错的柏
氏矢量不发生变化，位
错的性质和原来可能不
一样。
位错的交割
若 AB为 一个源发出
的一批 位错,EF则为 多
倍 长。如果 CD为如图的
刃 位错, AB上也留下一
转折。转折的性质 不一
样，有的在位错的线张
力作用下可消失,或以
相同滑移方向一起滑移
的称为扭折； 有的不仅
不能消失，而且滑移面
也不同而不能一起运动，
这种称为割阶。割阶成
为 位错运动的阻碍。
位错的塞积
位错运动时，在其
前沿如果有障碍 (如晶界、
不可变形的硬质点 …… )，
就停留不能前进，若同一
位错源不断产生一系列位
错源源而来，在此将产生
塞积。
位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的
后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；②
晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松
弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。
加工硬化
材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、
韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的
作用在拉伸时的应力 --应变曲线中可看出，材料屈服
后要继续变形只有不断增加外力。
?原因,塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦
受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。
?分析,变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相
遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，
使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶
体，发生位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，
位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，
位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进
一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。 返回
第四节 多晶体的塑性变形
? 晶界和晶粒位向的影响
变形的传递
变形的协调
? 多晶体的塑性变形过程
塑性变形过程的不均匀性
晶粒的位向同时也在发生转动
? 晶粒大小对材料强度与塑性的影响
强度
塑性
变形的传递
当一个晶粒在某一滑移系发生滑
移动作，即位错发生运动，位错遇到晶
界时，由于各个晶粒的位向不同，不能
直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞
积起来；加之晶界处的杂质原子也往往
较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错
运动的阻力较大，难以发生变形，可见
晶界的存在可以提高材料的强度。
位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应
力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的
晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产
生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步
的变形，这就是滑移的传播过程。
变形的协调
多晶体的变形中要保持晶
界处的连续性，即晶界处的原
子既不能堆积也不能出现空隙
或裂缝，晶界两边的变形需要
达到互相协调。
晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的
动作将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅
要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就
是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在
晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。
变形的协调 为了满足变形协调，理论计算本应有 6个独立的滑移系，
以保证 6个独立的应变分量使晶
粒的形状自由变化，在体积不
变的情况下,有
实际只有 5个变量是独立的。
对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协
调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有
三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶
界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥
面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪
晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。
至少应有 5个
独立的滑移系才
能协调多晶体的
塑性变形。
塑性变形过程的不均匀性
在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不
同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一
外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所
受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接
近于与外力成 45度，即 施密特因子较大 (接近 1/2)，必
将 首先发生滑移变形,通常称这种位向的晶粒为处于
,软位向, ；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外
力相平行或垂直，即施密特因子较小 (接近 0)的晶粒则
处于, 硬位向,,它们所受的分切应力将较小，较难
发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所
取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐
批发生，是个不均匀的塑性变形过程。
晶粒的位向的影响作用
分批滑移,多晶体材料在外力作用下，当首批处于软
位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处
于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相
适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随
着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过
晶界，传递到另一批晶粒中。
晶粒的转动,随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使
其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在
软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的
塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始
逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比
较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。
晶粒大小对材料强度的影响
材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力
有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈
细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面
积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形
的抗力也便愈大。
对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强
度和晶粒大小有以下关系,
式中的 d为晶粒的平均直径,k为比例常数。这是个经
验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍
尔 -佩奇 (Hall-Petch)关系。
晶粒大小对材料塑性的影响
效果,塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且
塑性与韧性也较高。
原因,因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，
变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，
晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀
的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的
过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性
形变量，具有较高的冲击载荷抗力。
意义,所以在工业上通过各种方法 (凝固、压力加工、
热处理 )使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材
料力学性能的有效途径之一。
第五节 其他塑性变形方式
? 孪生
? 蠕变
? 粘滞性流动
在切应力作用下的变形
孪生变形
孪晶,晶体的一部分相对于一定的晶面 (孪生面 )，沿
着一定的方向 (孪生方向 )发生切变，形成对称的晶格
排列，发生切变部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切
变部分和未切变部分呈镜面对称，对称面为孪生面。
孪生,在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变
形方式称为“孪生”。
产生条件,孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生
出现在滑移系很少的晶体结构的材料中 (如密排六方晶
格金属 )；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较
低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用
时才可能产生孪生。
孪生变形
面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图
孪生变形特点
1,在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量
都相同，其移动量不是原子间距的整倍数 (一般为原
子间距的分数 )，但它们在孪生后各自移动的距离和
离孪生面的距离成正比。
2,孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反
射性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到
孪晶组织。
3,孪生变形在晶体表面可形成浮凸。
4,孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要
的切应力比滑移要大得多。
孪生变形特点
5,孪生变形得速度很快，接近于声速。
6,孪生变形会在周围得晶格中引起很大得畸变，因此
所产生的塑性变形总量不大，一般不超过 10%。
7,孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改
变了晶体的位向而帮助滑移。
在外力作用下以孪生方式生成的孪
晶 称为变形孪晶
变形孪晶,
变形孪晶组织形貌
锌中的孪晶
滑移与孪生在晶体表面变化
蠕变
蠕变,所谓蠕变是指材料在高温下 (高于 0.3Tm)
的变形不仅与应力有关，而且和应力作用的时
间有关。
蠕变过程,整个的蠕变过程可分为三个阶段。
由蠕变速率 (dε/dτ)逐渐减慢的第一阶段到恒速
蠕变的第二阶段。在蠕变过程后期，蠕变速率
加快直至断裂，视为蠕变第三阶段。随着温度
与应力的提高，蠕变的第二阶段渐短，金属的
蠕变很快由第一阶段过渡到第三阶段，使高温
下服役的零件寿命大大减少。
蠕变
蠕变机理,蠕变过程是一热激活过程，蠕变现
象可看着在应力作用下原子流的扩散。原子的
定向流动本身可造成材料的变形。借助原子的
扩散会发生位错的攀移，位错滑移产生的加工
硬化和由位错攀移产生的高温回复，这两个过
程的速率相等，便形成了恒定的蠕变速率过程。
所有影响自扩散系数的因数均按相同的方式影
响蠕变速率。
粘滞性流动
粘滞性流动,在液体状态下，原子呈无规则排列，没
有固定的形状，处于可流动的状态。液体的流动性用
黏度来度量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材
料就处于固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着
是过冷的液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克
服黏度的阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的
形状和尺寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视
为一种塑性变形。
变形实例,非晶态材料处于玻璃化温度 Tg以上可以发
生塑性变形的方式。多晶体材料的晶界滑动。
第六节 塑性变形对组织
性能的影响
? 冷变形对力学性能 影响
? 塑性变形对组织和结构的影响
? 可能出现变形织构
? 残余内应力
冷变形对力学性能 影响
产生加工硬化,材料在变形后，强度、硬度显著提高，
而塑性、韧性明显下降。 （ 前面已分析 ）
加工硬化的 工程 意义,
1,加工硬化是强化材料的重要手段,尤其是对于那些不
能用热处理方法强化的金属材料。
2,加工硬化有利于金属进行均匀变形 。因为金属已变形
部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的
部分发展。
3,加工硬化给金属的继续变形造成了困难,加速了模具
的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，
在金属的变形和加工过程中常常要进行, 中间退火, 以消除
这种不利影响，因而增加了能耗和成本。
塑性变形对组织和结构的影响
1,晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内
部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被
拉长 (拉伸 )或压扁 (压缩 )。变形的程度愈大，则晶
粒形状的代表也愈大。
塑性变形对组织和结构的影响
2.晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊
不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的
台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界
的耐腐蚀性。
3.纤维组织：在金属变形较大时，材料中的夹
杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。
纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现
出不同的力学性能，即产生一定程度的各向
异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于
垂直方向，等等。
塑性变形对组织和结构的影响
4,亚结构形成,在金属未变形或少量变形时，位错密度的分
布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交
互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差
异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密
度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。
整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。
变形织构的产生
变形织构,金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，
尽管每个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向
同性。但是当金属经受大量 (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
成了晶体的, 择优取向,,即某一晶面在某个方向出
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。
形成原因,滑移塑性变形时伴随 晶粒的转动，造成各
晶粒的滑移面或滑移方向趋于平行外力方向。
变形织构的类型
类型,一种是各晶粒的某一晶向趋于一致，称
之为, 丝织构,,它多出现在高度冷拔之后，
例如低碳钢铁素体的 <110>平行于拔丝方向；另
一种是各晶粒的某一晶面趋于平行且此晶面上
的某一晶向趋于一致，这种织构称之为, 板织
构,,它多发生于高度冷轧之后，例如低碳钢
的板织构为 {001}<100>。
性能影响,织构使金属材料表现出明显的各向
异性。
变形织构的影响
对工程应用的影响,在大多数情况下是不利的，如有
织构的金属板材冲制筒形零件时，由于不同方向上塑
性的差别较大，深冲之后零件的边缘不齐出现, 制耳,
现象；另外在不同方向上变形不同，制成的零件的硬
度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带来好处，
制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压
器的效率。
防止措施,织构形成后很难消除，工业生产中为了避
免织构，较大的变形量往往通过几次变形来完成，并
进行中间退火。
残余内应力
残余内应力,残余内应力是指去除外力之后，残留于
材料内部、且自身平衡于材料内部的应力。
塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加,它主要
是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。
分类,材料表层和心部变形不均匀或这一部分和那一
部分变形不均匀，会造成平衡于它们之间的宏观内应
力，通常称为第一类内应力。相邻晶粒取向不同引起
变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微
观内应力，通常称为第二类内应力。由于位错等缺陷
的增加，会造成晶格畸变，通常也称为第三类内应力。
残余内应力
经过塑性变形，外力对材料试样或构件作的功绝
大部分 (90%以上 )在变形过程中转化成热而散失，只有
少数 (10%以下 )能量转化为内应力残留在材料中，使其
内能增加。
其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金
属强化的主要原因。但会使材料，如金属的耐腐蚀性
下降。第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步
加工会打破原有平衡，引起材料的变形；或者和零件
使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要
用退火的办法尽量将其消除。
本章小结
材料发生塑性的主要方式和条件
晶体滑移与外力、晶体取向的关系
晶体的滑移和位错运动的关系
冷塑性变形对材料的组织和性能带来的影响
? 变形概述
? 单晶体的滑移
? 滑移的位错理论分析
? 多晶体的塑性变形
? 其他塑性变形方式
? 塑性变形对组织性能的影响
塑性变形引言
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也
是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有
良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用
的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也
是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会
改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性
能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。
但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来
某些不利的影响，为了消除塑性变形 (冷加工 )这些不
利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料
进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以，
塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。
第一节 变形概述
? 名词概念
? 变形过程
? 弹性变形
? 塑性变形
? 塑性变形的方式
变形过程中的名词概念
1,变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2,应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。
同截面垂直的称为, 正应力, 或, 法向应力,,同
截面相切的称为, 剪应力, 或, 切应力, 。
3,应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部
某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比
值称为, 线应变, ；物体内两互相垂直的平面在变
形后夹角的改变值称为, 剪应变, 或, 角应变, ；
变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位
体积之比值称为, 体积应变, 。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线如
图所示。
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。
弹性变形
1,定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全
恢复，变形消失。
2,特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比
3,比例系数 E称为弹性模量 G称为切变模量，它反映材
料对弹性变形的抗力，代表材料的, 刚度, 。
4,实质,弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内
部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间
的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长 (缩短 )
或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去
除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。
塑性变形
1,定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力
大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还
发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到
完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。
2,塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸
长率 (δ %)或断面减缩率 (ψ %)表示。
3,实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内
部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原
子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。
塑性变形过程－－屈服
1,屈服：材料开始发生塑性变形。
2,屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，
这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿
状的平台。这是部分材料所具有的特征。
3,屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗
力，也称为屈服极限，用 σ s表示。对具有屈服现象
的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服
现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答 0.2%
时的应力值表示。
塑性变形过程－－均匀变形
1.均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体
进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，
材料的变形将不能继续下去。
2.原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生
了加工硬化。 已经发生变形处的强度提高，
进一步变形困难，即变形要在更大的应力作
用下才能进行。下一步的变形发生在未变形
或变形相对较小的位置，达到同样变形后，
在更大的应力作用下发生变形。
塑性变形过程－－颈缩
1.颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，
产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域
进行。
2.特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，
工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真
实应力依然在上升。
3.极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程
应力 σ b,这时试样出现失稳，颈缩真实应
力依然在上升，但能承受的总外力在下降。
塑性变形过程－－断裂
1,断裂：变形量大至 K点，试样发生断裂。
2,实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，
原子间的结合破坏而分离。
3,韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂
叫, 韧性断裂, 。在晶体构成的材料中，内部的晶
粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4,脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其
断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫, 脆性断裂, 。
脆性断裂可沿晶界发生，称为, 晶间断裂,,断口
凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为
,穿间断裂,,断口比较平坦。
塑性变形的方式
材料在外力作用下发生塑性变形，依材料
的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性
变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方
式有,滑移、孪生、蠕变、流动 。
其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。
而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样
只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度
的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为
液体，可以维持自己形状的位固体,
第二节 单晶体的滑移
? 滑移概念
? 过程说明
? 滑移系
? 施密特定律
? 临界分切应力
? 滑移变形的主要特点
滑移概念
滑移,滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定
的晶面 (滑移面 )的一定方向 (滑移方向 )相对于晶体的
另一部分发生的相对滑动
滑移 过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一
步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新
的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久
的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体
的表面将出现滑移产生的台阶。
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不
能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产
生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分
离，材料则出现断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑
性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶
格沿另外的方向上发生滑移。
滑移 系
? 滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排
晶面；
? 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最
密排方向；
? 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以
滑移的方式称为, 滑移系, 。
典型晶格的滑移 系
FCC
滑移 系对性能的影响
? 晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，
材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的
滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。
? 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心
立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有 12个滑移系，
但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁
及锌等，因其滑移系仅有 3个，故其塑性远较具有立
方晶格的金属差。
施密特定律
直接推动滑移的是在
滑移方向上的分切应力。
在同一外加应力作用下，
不同的滑移系因自己的取
向不同，对应的分切应力
也不相同。
图示一单晶体单向拉
伸，滑移面法线方向与外
力的夹角为 υ,滑移方向
和拉力轴的夹角为 λ,注
意到滑移方向、拉力轴和
滑移面的法线三者一般不
在一平面，即 υ +λ ≠ 900 。
施密特定律
滑移方向上的分切应力为,
其中
称为取向因子或施密特因
子。当 υ +λ = 900，取向
因子有最大值 0.5。
施密特定律
滑移方向上的分切应力为,
称为施密特定律,τ c是一
常数，但材料的屈服强度
σ s则随拉力轴相对于晶体
的取向不同而不同，即晶
体材料存在各向异性。
临界分切应力与首开滑移系
临界分切应力,当外力在某个滑移面的滑移方向上的
分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑
移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分
切应力，它是决定材料强度的直接因素。
首开滑移系, 在某一外力作用下，取向因子最大的滑
移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到
临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大
的滑移系称为 这个外力下 的首开滑移系。
等效滑移系, 在某一外力作用下，取向因子相同的滑
移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临
界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑
移系称为 这个外力下 的等效滑移系。
滑移变形的主要特点
1.滑移只能在切应力的作用下发生。
2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向
发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间
距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密
晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要
的外加切应力最小。
3.滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移
方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结
果会在晶体的表面上造成台阶。
4.滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
滑移变形的主要特点
滑移变形在晶体表面形成的滑移线
滑移时晶体的转动
当外力作用于单晶体
试样上时，它在某些相邻
层晶面上所分解的切应力
使晶体发生滑移，而正应
力和垂直滑移方向的另一
分切应力因滑移错开组成
一力偶，使晶体在滑移的
同时向外力方向发生转动。
转动的趋势为滑移面趋于
平行拉力方向，滑移方向
也趋于平行拉力方向。
第三节 滑移的位错理论分析
? 滑移的实质是位错的运动
? 位错的增殖
? 位错的交割
? 位错的塞积
? 加工硬化
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上
的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切
应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错
从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的
滑移。
滑移的实质是位错的运动
对应于位错运动，在滑
移的过程中，只需要位错中
心上面的两列原子（实际为
两个半原子面 ） 向右作微量
的位移，位错中心下面的一
列原子向左作微量的位移，
位错中心便会发生一个原子
间距的右移。由此可见，通
过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原
子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极
少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切
应力便远远小于整体刚性滑移。
滑移的实质是位错的运动
位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的
方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，
在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子
的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。
位错的增殖
塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产
生滑移台阶，但位错的数量 (位错密度 )却在不
断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性
变形时位错会发生增殖。
例如
位错的增殖
利用 Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上
有一段位错,CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位
错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号
位错相消，产生一位错环，内部 CD段还存在。反复可
生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶
可为柏氏矢量的整数倍。
位错的交割
不在同一个滑移面
上的两位错运动的过程
中可发生交割。图示例
子表示如果位错 AB向下
运动扫过位错 CD，由于
扫过区间的晶体两边发
生了柏氏矢量大小的滑
移，在位错 CD上产生了
EF转折,EF长度为 AB的
柏氏矢量,EF位错的柏
氏矢量不发生变化，位
错的性质和原来可能不
一样。
位错的交割
若 AB为 一个源发出
的一批 位错,EF则为 多
倍 长。如果 CD为如图的
刃 位错, AB上也留下一
转折。转折的性质 不一
样，有的在位错的线张
力作用下可消失,或以
相同滑移方向一起滑移
的称为扭折； 有的不仅
不能消失，而且滑移面
也不同而不能一起运动，
这种称为割阶。割阶成
为 位错运动的阻碍。
位错的塞积
位错运动时，在其
前沿如果有障碍 (如晶界、
不可变形的硬质点 …… )，
就停留不能前进，若同一
位错源不断产生一系列位
错源源而来，在此将产生
塞积。
位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的
后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；②
晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松
弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。
加工硬化
材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、
韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的
作用在拉伸时的应力 --应变曲线中可看出，材料屈服
后要继续变形只有不断增加外力。
?原因,塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦
受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。
?分析,变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相
遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，
使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶
体，发生位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，
位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，
位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进
一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。 返回
第四节 多晶体的塑性变形
? 晶界和晶粒位向的影响
变形的传递
变形的协调
? 多晶体的塑性变形过程
塑性变形过程的不均匀性
晶粒的位向同时也在发生转动
? 晶粒大小对材料强度与塑性的影响
强度
塑性
变形的传递
当一个晶粒在某一滑移系发生滑
移动作，即位错发生运动，位错遇到晶
界时，由于各个晶粒的位向不同，不能
直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞
积起来；加之晶界处的杂质原子也往往
较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错
运动的阻力较大，难以发生变形，可见
晶界的存在可以提高材料的强度。
位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应
力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的
晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产
生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步
的变形，这就是滑移的传播过程。
变形的协调
多晶体的变形中要保持晶
界处的连续性，即晶界处的原
子既不能堆积也不能出现空隙
或裂缝，晶界两边的变形需要
达到互相协调。
晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的
动作将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅
要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就
是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在
晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。
变形的协调 为了满足变形协调，理论计算本应有 6个独立的滑移系，
以保证 6个独立的应变分量使晶
粒的形状自由变化，在体积不
变的情况下,有
实际只有 5个变量是独立的。
对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协
调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有
三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶
界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥
面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪
晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。
至少应有 5个
独立的滑移系才
能协调多晶体的
塑性变形。
塑性变形过程的不均匀性
在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不
同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一
外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所
受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接
近于与外力成 45度，即 施密特因子较大 (接近 1/2)，必
将 首先发生滑移变形,通常称这种位向的晶粒为处于
,软位向, ；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外
力相平行或垂直，即施密特因子较小 (接近 0)的晶粒则
处于, 硬位向,,它们所受的分切应力将较小，较难
发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所
取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐
批发生，是个不均匀的塑性变形过程。
晶粒的位向的影响作用
分批滑移,多晶体材料在外力作用下，当首批处于软
位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处
于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相
适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随
着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过
晶界，传递到另一批晶粒中。
晶粒的转动,随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使
其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在
软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的
塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始
逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比
较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。
晶粒大小对材料强度的影响
材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力
有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈
细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面
积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形
的抗力也便愈大。
对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强
度和晶粒大小有以下关系,
式中的 d为晶粒的平均直径,k为比例常数。这是个经
验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍
尔 -佩奇 (Hall-Petch)关系。
晶粒大小对材料塑性的影响
效果,塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且
塑性与韧性也较高。
原因,因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，
变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，
晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀
的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的
过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性
形变量，具有较高的冲击载荷抗力。
意义,所以在工业上通过各种方法 (凝固、压力加工、
热处理 )使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材
料力学性能的有效途径之一。
第五节 其他塑性变形方式
? 孪生
? 蠕变
? 粘滞性流动
在切应力作用下的变形
孪生变形
孪晶,晶体的一部分相对于一定的晶面 (孪生面 )，沿
着一定的方向 (孪生方向 )发生切变，形成对称的晶格
排列，发生切变部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切
变部分和未切变部分呈镜面对称，对称面为孪生面。
孪生,在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变
形方式称为“孪生”。
产生条件,孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生
出现在滑移系很少的晶体结构的材料中 (如密排六方晶
格金属 )；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较
低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用
时才可能产生孪生。
孪生变形
面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图
孪生变形特点
1,在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量
都相同，其移动量不是原子间距的整倍数 (一般为原
子间距的分数 )，但它们在孪生后各自移动的距离和
离孪生面的距离成正比。
2,孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反
射性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到
孪晶组织。
3,孪生变形在晶体表面可形成浮凸。
4,孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要
的切应力比滑移要大得多。
孪生变形特点
5,孪生变形得速度很快，接近于声速。
6,孪生变形会在周围得晶格中引起很大得畸变，因此
所产生的塑性变形总量不大，一般不超过 10%。
7,孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改
变了晶体的位向而帮助滑移。
在外力作用下以孪生方式生成的孪
晶 称为变形孪晶
变形孪晶,
变形孪晶组织形貌
锌中的孪晶
滑移与孪生在晶体表面变化
蠕变
蠕变,所谓蠕变是指材料在高温下 (高于 0.3Tm)
的变形不仅与应力有关，而且和应力作用的时
间有关。
蠕变过程,整个的蠕变过程可分为三个阶段。
由蠕变速率 (dε/dτ)逐渐减慢的第一阶段到恒速
蠕变的第二阶段。在蠕变过程后期，蠕变速率
加快直至断裂，视为蠕变第三阶段。随着温度
与应力的提高，蠕变的第二阶段渐短，金属的
蠕变很快由第一阶段过渡到第三阶段，使高温
下服役的零件寿命大大减少。
蠕变
蠕变机理,蠕变过程是一热激活过程，蠕变现
象可看着在应力作用下原子流的扩散。原子的
定向流动本身可造成材料的变形。借助原子的
扩散会发生位错的攀移，位错滑移产生的加工
硬化和由位错攀移产生的高温回复，这两个过
程的速率相等，便形成了恒定的蠕变速率过程。
所有影响自扩散系数的因数均按相同的方式影
响蠕变速率。
粘滞性流动
粘滞性流动,在液体状态下，原子呈无规则排列，没
有固定的形状，处于可流动的状态。液体的流动性用
黏度来度量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材
料就处于固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着
是过冷的液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克
服黏度的阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的
形状和尺寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视
为一种塑性变形。
变形实例,非晶态材料处于玻璃化温度 Tg以上可以发
生塑性变形的方式。多晶体材料的晶界滑动。
第六节 塑性变形对组织
性能的影响
? 冷变形对力学性能 影响
? 塑性变形对组织和结构的影响
? 可能出现变形织构
? 残余内应力
冷变形对力学性能 影响
产生加工硬化,材料在变形后，强度、硬度显著提高，
而塑性、韧性明显下降。 （ 前面已分析 ）
加工硬化的 工程 意义,
1,加工硬化是强化材料的重要手段,尤其是对于那些不
能用热处理方法强化的金属材料。
2,加工硬化有利于金属进行均匀变形 。因为金属已变形
部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的
部分发展。
3,加工硬化给金属的继续变形造成了困难,加速了模具
的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，
在金属的变形和加工过程中常常要进行, 中间退火, 以消除
这种不利影响，因而增加了能耗和成本。
塑性变形对组织和结构的影响
1,晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内
部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被
拉长 (拉伸 )或压扁 (压缩 )。变形的程度愈大，则晶
粒形状的代表也愈大。
塑性变形对组织和结构的影响
2.晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊
不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的
台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界
的耐腐蚀性。
3.纤维组织：在金属变形较大时，材料中的夹
杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。
纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现
出不同的力学性能，即产生一定程度的各向
异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于
垂直方向，等等。
塑性变形对组织和结构的影响
4,亚结构形成,在金属未变形或少量变形时，位错密度的分
布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交
互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差
异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密
度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。
整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。
变形织构的产生
变形织构,金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，
尽管每个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向
同性。但是当金属经受大量 (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
成了晶体的, 择优取向,,即某一晶面在某个方向出
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。
形成原因,滑移塑性变形时伴随 晶粒的转动，造成各
晶粒的滑移面或滑移方向趋于平行外力方向。
变形织构的类型
类型,一种是各晶粒的某一晶向趋于一致，称
之为, 丝织构,,它多出现在高度冷拔之后，
例如低碳钢铁素体的 <110>平行于拔丝方向；另
一种是各晶粒的某一晶面趋于平行且此晶面上
的某一晶向趋于一致，这种织构称之为, 板织
构,,它多发生于高度冷轧之后，例如低碳钢
的板织构为 {001}<100>。
性能影响,织构使金属材料表现出明显的各向
异性。
变形织构的影响
对工程应用的影响,在大多数情况下是不利的，如有
织构的金属板材冲制筒形零件时，由于不同方向上塑
性的差别较大，深冲之后零件的边缘不齐出现, 制耳,
现象；另外在不同方向上变形不同，制成的零件的硬
度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带来好处，
制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压
器的效率。
防止措施,织构形成后很难消除，工业生产中为了避
免织构，较大的变形量往往通过几次变形来完成，并
进行中间退火。
残余内应力
残余内应力,残余内应力是指去除外力之后，残留于
材料内部、且自身平衡于材料内部的应力。
塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加,它主要
是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。
分类,材料表层和心部变形不均匀或这一部分和那一
部分变形不均匀，会造成平衡于它们之间的宏观内应
力，通常称为第一类内应力。相邻晶粒取向不同引起
变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微
观内应力，通常称为第二类内应力。由于位错等缺陷
的增加，会造成晶格畸变，通常也称为第三类内应力。
残余内应力
经过塑性变形，外力对材料试样或构件作的功绝
大部分 (90%以上 )在变形过程中转化成热而散失，只有
少数 (10%以下 )能量转化为内应力残留在材料中，使其
内能增加。
其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金
属强化的主要原因。但会使材料，如金属的耐腐蚀性
下降。第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步
加工会打破原有平衡，引起材料的变形；或者和零件
使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要
用退火的办法尽量将其消除。
本章小结
材料发生塑性的主要方式和条件
晶体滑移与外力、晶体取向的关系
晶体的滑移和位错运动的关系
冷塑性变形对材料的组织和性能带来的影响
