第 5章 金属的塑性
§ 5,1 金属的塑性
§ 5,2 金属多晶体塑性变形的主要机制
§ 5,3 影响金属塑性的因素
§ 5,4 金属的超塑性
§ 5,1 金属的塑性
5,1,1 塑性的基本概念
5,1,2 塑性指标及其测量方法
5,1,3 塑性状态图及其应用
5,1,1 塑性的基本概念
?什么是塑性？
塑性是金属在外力作用下产生永久变形
而不破坏其完整性的能力。
?塑性与柔软性的区别是什么？
塑性反映材料产生永久变形的能力。
柔软性反映材料抵抗变形的能力。
塑性与柔软性的对立统一
?铅 ---------------塑性好，变形抗力小
?不锈钢 --------塑性好，但变形抗力高
?白口铸铁 ----塑性差，变形抗力高
?结论：塑性与柔软性不是同一概念
为什么要研究金属的塑性？
?探索塑性变化规律
?寻求改善塑性途径
?选择合理加工方法
?确定最佳工艺制度
?提高产品质量
5,1,2 塑性指标及其测量方法
?塑性指标的测量方法
?塑性指标
塑性指标
概 念,金属在破坏前产生的最大变
形程度，即极限变形量。
表示方法,断面收缩率
延伸率
冲击韧性
最大压缩率
扭转角（或扭转数）
弯曲次数
塑性指标的测量方法
?拉伸试验法
?压缩试验法
?扭转试验法
?轧制模拟试验法
拉伸试验法
0
0
100%hLL
L
? ???
0
0
100%hFF
F
? ???
式中,L0—— 拉伸试样原始标距长度；
Lh—— 拉伸试样破断后标距间的长度；
F0—— 拉伸试样原始断面积；
Fh—— 拉伸试样破断处的断面积
压缩试验法
简单加载条件下，压缩试验法测定的塑
性指标用下式确定：
0
0
100%hHH
H
? ???
式中,?—— 压下率；
H0—— 试样原始高度；
Hh—— 试样压缩后, 在侧表面出现第一条
裂纹时的 高度
扭转试验法
对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，
可将扭转数换作为剪切变形 （ γ ） 。 ?
030
nR
L
?? ?
式中,R—— 试样工作段的半径；
L0—— 试样工作段的长度；
n—— 试样破坏前的总转数。
轧制模拟试验法
在 平辊间轧制 楔形试件，
用 偏心轧辊轧制 矩形试样，
找出试样上产生第一条可见
裂纹时的临界压下量作为轧
制过程的塑性指标 。
5,1,3 塑性状态图及其应用
?概念：表示金属塑性指标与变形
温度及加载方式的关系曲
线图形，简称塑性图。
?应用：合理选择加工方法
制定冷热变形工艺
确定 MB5合金加工工艺规程的原
则和方法
MB5属变形镁合金，主要成分为,
Al 5,5 ~ 7,0%
Mn 0,15 ~ 0,5%
Zn 0,5 ~ 1,5%
确定 MB5镁合金热加工工艺步骤
?根据产品确定加工方式（慢速、快速等）
?根据相图确定合金的相组成
?根据塑性图确定热变形温度范围
根据相图确定合金的相组成
温
度
℃
图 5-2 Mg-Al二元系状态图
从二元相图上获取的信息
? T＞ 530℃,合金为液相
? T＜ 270℃,合金为 ?＋ ?两相组织
?270℃ ＜ T＜ 530℃,合金为单一的 ? 相
铝含量对镁合金力学性能的影响
δ%
σb，
公斤 /毫米 2
HB
公斤 /毫米 2
图 5-3 镁合金中铝含量对合金机械性能的影响
根据塑性图确定热变形温度范围
试验温度,℃
图 5-1 MB5合金的塑性图
αk — 冲击韧性； εM — 慢力作用下的最大压缩率,εC — 冲击
力作用下的最大压缩率； φ — 断面收缩率,α0 — 弯曲角度
从塑性图上获取的信息
?慢速加工，温度为 350~400℃ 时,φ值和 εM都有最大
值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较
慢的速度加工。
?锻锤下加工，在 350℃ 左右有突变，变形温度应选
择在 400~450℃ 。
?工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应
根据 αK曲线来判定。从图中可知，在相变点 270℃
附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度
应在 250℃ 以下进行为佳。
§ 5,2 金属多晶体塑性变形的
主要机制
5,2,1 多晶体变形的特点
5,2,2 多晶体的塑性变形机构
5,2,3 合金的塑性变形
5,2,4 变形机构图
5,2,1 多晶体变形的特点
1,变形不均匀
图 5-4 多晶体塑性变形的竹节现象
（ a）变形前 （ b）变形后
图 5-5 多晶体塑性变形的不均匀性
2．晶界的作用及晶粒大小的影响
在
2mm
内的
延伸
率,
%
晶粒 5 晶粒 4 晶粒 3 晶粒 2 晶粒 1
位置, mm
图 5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。
垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量
5,2,2 多晶体的塑性变形机构
1,晶粒的转动与移动
图 5-7 晶粒的转动
2,溶解 —— 沉积机构
该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞
跃式的转移到另一相的晶体中去。
保证两相有较大的相互溶解度外，还必须
具备下列条件,
（ 1）随着温度的变化或原有相晶体表面大
小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改
变。
( 2）变形时，应具备足够高的温度条件。
3,非晶机构
非晶机构是指在一定的变形温度
和速度条件下，多晶体中的原子非
同步的连续的在应力场和热激活的
作用下，发生定向迁移的过程。
5,2,3 合金的塑性变形
1．单相固溶体合金的变形
2．多相合金的变形
5,2,4 变形机构图
理论剪切应力
-位错蠕变
扩散蠕变
Nabarro
蠕变
理论剪切应力
位错蠕变
扩散流变
温度, ℃ 温度, ℃
-位错滑移
蠕变
位错滑移
（ Nabarro蠕变 ）
弹性区
图 5-9 变形机制图（ a）纯银和（ b）锗给出不同
变形机制起控制作用的应力 -温度区间，两种材料的晶粒尺寸都是
32μm
以 10-8/s的应变速率来确定弹性边界
§ 5,3 影响金属塑性的因素
5,3,1 影响塑性的内部因素
5,3,2 影响金属塑性的外部因素
5,3,3 提高金属塑性的主要途径
5,3,1 影响塑性的内部因素
1．化学成分
（ 1）杂质
（ 2）合金元素对塑性的影响
2．组织结构
5,3,2 影响金属塑性的外部因素
1, 变形温度
塑
性
指
标
温度, ° K
图 5-14 温度对塑性影响的典型曲线
温度, ℃
图 5-15 碳钢的塑性随温度变化图
塑
性
纯铝 无氧铜
图 5-16 几种铝合金及铜合金的塑性图
2．变形速度
塑
性
变形速度, 1/秒
Ⅰ Ⅱ
图 5-18 变形速度对塑性的影响
表 5-1 铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度
合 金 号 挤压系数 挤压速度（毫米 /秒） 金属温度 ℃
L4 11 150 158~195
LD2 11~16 150 294~315
LY11 11~16 150 340~350
LY11 31 65 308
3．变形程度
σ1-σ2 大
气压 σ1-σ2 大
气压
图 5-20 脆性材料的各向压缩曲线
（ a）大理石；（ b）红砂石； — 轴向压力； — 侧向压力
4．应力状态
静水压力对提高金属塑性的良好影响
σ1-σ2
大
气
压
σ1-σ2
大
气
压
图 5-20 脆性材料的各向压缩曲线
（ a）大理石；（ b）红砂石； — 轴向压力； — 侧向压力1? 2?
5．变形状态
图 5-24 主变形图对金属中缺陷形状的影响
（ a） 未变形的情况； （ b） 经两向压缩 — 向延伸变形后的情况；
（ c） 经 — 向压缩两向延伸后的情况
6．尺寸因素
力学
性能
1
2
体积
图 5-25 变形物体体积对力学性能的影响
1— 塑性；
2— 变形抗力；
3— 临界体积点
5,3,3 提高金属塑性的主要途径
提高塑性的主要途径有以下几个方面：
(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成
分和组织的均匀性；
(2)采用合适的变形温度 — 速度制度；
(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的
不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；
(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。