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塑性變形的定義： 金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。 金屬材料塑性變形對使用性能和加工性能的影響 抵抗塑性變形是一般工程構(gòu)件的基本要求，不希望結(jié)構(gòu)件在承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形； 塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。 塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能。 塑性加工包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。  金屬塑性變形形式有冷變形、熱變形和溫變形。 冷變形是指在再結(jié)晶溫度以下的變形。變形后具有明顯的加工硬化現(xiàn)象(冷變形強(qiáng)化)。
熱變形是指在再結(jié)晶溫度以上的變形。在其變形過程中，其加工硬化隨時(shí)被再結(jié)晶所消除。因而，在此過程中表現(xiàn)不出加工硬化現(xiàn)象。
溫變形是指介于冷、熱變形之間的變形，加工硬化和再結(jié)晶同時(shí)存在。
塑性變形的微觀形式 一、晶內(nèi)的塑性變形基本方式：滑移和孿生。  1.滑移 晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動叫滑移。  滑移是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的：當(dāng)切應(yīng)力超過彈性極限，晶體上下部分產(chǎn)生相對滑移。當(dāng)應(yīng)力足夠大，晶體就會發(fā)生斷裂。  滑移的結(jié)果是使晶體表面形成臺階，產(chǎn)生滑移線和滑移帶。  晶體中易發(fā)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。 晶體滑移大多優(yōu)先發(fā)生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向?qū)扑鸬淖饔帽然泼孀饔么螅?/p> 面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。  塑性對比：面心立方>體心立方>密排六方。 2. 孿生變形 在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程。發(fā)生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶；孿晶與未變形部分晶體原子分布對稱。  孿生變形的特征： 孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生；滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發(fā)生孿生；體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時(shí)才發(fā)生孿生。 滑移與孿生的區(qū)別： 晶格取向：滑移前后晶格方向不變，孿生后晶格方向發(fā)生變化； 發(fā)生條件：孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。 二、晶間變形，晶粒間的相對滑動和轉(zhuǎn)動  工程上使用的金屬絕大部分是多晶體；多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同；多晶體材料中，各個晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復(fù)雜得多。 1. 晶界的影響 晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯的運(yùn)動, 使變形抗力增大；金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度和塑性就越大。細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。  2.變形的不均勻性 晶粒的位向不同，變形有先后；隨著外力的增加，滑移是分批逐次進(jìn)行的。應(yīng)力分布有變化，造成不均勻變形。  三、合金的塑性變形 合金的組成相為固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子會造成晶格畸變，增加滑移抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，塑性變形能力降低。溶質(zhì)原子常常分布在位錯附近，降低了位錯附近的晶格畸變，使位錯易動性減小，形變抗力增加，強(qiáng)度升高。  冷塑性變形對金屬組織和性能的影響 一、金屬組織的變化 1.晶粒發(fā)生變形 金屬發(fā)生塑性變形后, 晶粒發(fā)生變形, 沿形變方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí), 晶粒變成細(xì)條狀(拉伸時(shí)), 金屬中的夾雜物和第二相也被拉長, 形成纖維組織。 塑性變形中的組織變化 2.冷變形亞結(jié)構(gòu)形成 金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí)，由于位錯的密度增大并發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)， 并相互纏結(jié)， 形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊， 從而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)（亞晶粒）。 3.冷變形形變織構(gòu) 在塑性變形中，隨著變形大程度的增加，各個晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向呈現(xiàn)一定程度的規(guī)律性，這一現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu)。 按照產(chǎn)品外形，變形織構(gòu)可分為：絲織構(gòu)和板織構(gòu)。 絲織構(gòu)：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后,其（100）平行于拔絲方向; 板織構(gòu)：各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構(gòu)為{001}（110）。 二、對金屬性能的影響 1.形變強(qiáng)化 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨變形度的增大，金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強(qiáng)化或冷作硬化。 在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。 金屬發(fā)生塑性變形時(shí), 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強(qiáng), 相互纏結(jié), 造成位錯運(yùn)動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。晶粒破碎細(xì)化, 使強(qiáng)度得以提高。（細(xì)晶效應(yīng)） 加工硬化是金屬材料五大強(qiáng)化手段之一；在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。特別是對于純金屬和不能熱處理強(qiáng)化的材料，冷變形加工是強(qiáng)化它們的主要手段。 金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個工件上，而不致于集中在某些局部而導(dǎo)致最終斷裂。 構(gòu)件在使用過程中，往往不可避免地會某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中和過載現(xiàn)象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產(chǎn)生少量塑性變形之后，提高了屈服強(qiáng)度并與所承受的應(yīng)力達(dá)到平衡，變形就不會繼續(xù)發(fā)展，從而在一定程度上提高了構(gòu)件的安全性。 2.產(chǎn)生各向異性 纖維組織和變形織構(gòu)的形成,使金屬產(chǎn)生各向異性； 沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性高于垂直方向。有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時(shí),由于各方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。 但是，變壓器用硅鋼片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生產(chǎn)中通過軋制可獲得具有（110）[001]織構(gòu)和磁化性能優(yōu)異的硅鋼片。 在冷變形過程中不發(fā)生軟化過程的愈合作用，因滑移（位錯的運(yùn)動及其受阻、雙滑移、交叉滑移等），孿晶等過程的復(fù)雜作用以及各晶粒所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動與移動，造成了在晶粒內(nèi)部及晶粒間界處出現(xiàn)一些顯微裂紋、空洞等缺陷使金屬密度減少，是造成金屬顯微裂紋的根源。 3.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 塑性變形中外力所作的功除大部分轉(zhuǎn)化成熱外，還有一小部分以畸變能的形式存儲在材料內(nèi)部，這部分存儲能的具體表現(xiàn)方式為：宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力、點(diǎn)陣畸變。 金屬經(jīng)塑性變形后的殘余應(yīng)力是不可避免的，這對工件的變形、開裂和應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生影響和危害。 金屬塑性變形后的殘余應(yīng)力，可以通過去應(yīng)力退火來消除；例如：經(jīng)拉延成型的黃銅彈殼在280℃左右進(jìn)行去應(yīng)力退火，以避免變形和應(yīng)力腐蝕。 殘余應(yīng)力的應(yīng)用：有意控制殘余應(yīng)力的分布，使其與工作應(yīng)力方向相反，可以提高工件的力學(xué)性能，如車架承重板簧。 4.對物理性能的影響 密度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁性下降。晶間物質(zhì)的破壞使晶粒直接接觸、晶粒位向有序化、晶間出現(xiàn)了顯微裂紋、裂口、空洞等缺陷致使金屬的密度降低。 原子脫離其平衡位置，位錯密度的增加 化學(xué)活性增加，電極電位提高，耐腐蝕性下降結(jié)構(gòu)缺陷多，自由焓升高，擴(kuò)散速度快。 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 金屬冷變形使材料內(nèi)部空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷密度增加，畸變能升高，使其處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)。因此材料具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢。當(dāng)冷變形金屬加熱時(shí)會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等過程。 1.回復(fù) 變形后金屬在較低溫度加熱，發(fā)生回復(fù)過程。 晶粒內(nèi)部位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯變化；實(shí)際應(yīng)用：對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火、降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。 2、再結(jié)晶 變形后的金屬在較高溫度加熱時(shí)，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶，這個過程稱為再結(jié)晶。只有經(jīng)過塑性變形的金屬才會發(fā)生再結(jié)晶。
變形金屬再結(jié)晶后，強(qiáng)度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，內(nèi)應(yīng)力全部消失；物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。 再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。
再結(jié)晶溫度是一溫度范圍，并非一恒定溫度； 再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再)：用經(jīng)過嚴(yán)重冷塑性變形的金屬,經(jīng)1小時(shí)加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度： T再=0.4T熔點(diǎn) 式中溫度單位為絕對溫度(K)。
1)變形程度 2)金屬純度 ：純度越高,最低再結(jié)晶溫度也就越低 3）加熱速度 再結(jié)晶是一擴(kuò)散過程,需一定時(shí)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；原始晶粒越粗大,再結(jié)晶溫度越高。
加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長，晶粒會長大，得到粗大晶粒，使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能顯著降低。 影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素： 1）加熱溫度和保溫時(shí)間 2）變形度 3）加熱速度 在回復(fù)階段，各材料釋放的存儲能量均較小，再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度對應(yīng)于儲能釋放曲線的高峰處。 冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能變化 金屬的熱加工及其對組織、性能影響 鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結(jié)晶溫度以上發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)晶；塑性變形引起的加工硬化隨即消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。
熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時(shí)的溫度處于金屬的再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分。 熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。 冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。 一、熱變形主要機(jī)理 1.晶內(nèi)滑移 在通常條件下，熱變形的主要機(jī)理是晶內(nèi)滑移。這是由于高溫時(shí)原子間距增大，原子的熱振動及擴(kuò)散速度增加，位錯的滑移、攀移、交滑移及位錯結(jié)點(diǎn)脫錨比低溫時(shí)來得容易，滑移系增多，滑移的靈活性提高，改善了各晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性，晶界對位錯運(yùn)動的阻礙作用減弱。 2.晶界滑移 熱塑性變形時(shí)，由于晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)，使得晶界滑動容易進(jìn)行，又由于熱增加擴(kuò)散作用，及時(shí)消除晶界滑動所引起的破壞。因此，與冷變形相比，晶界滑動的變形量要大。三向壓應(yīng)力的作用會通過塑性粘焊效應(yīng)及時(shí)修復(fù)高溫晶界滑移所產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生較大的晶間變形。 盡管如此，在常規(guī)的熱變形條件下，晶界滑動相對于晶內(nèi)滑移變形量還是小的。只有在微細(xì)晶粒的超塑性變形條件下，晶界滑動機(jī)理才起主要作用，并且晶界滑動是在擴(kuò)散蠕變調(diào)節(jié)下進(jìn)行的。 3.擴(kuò)散性蠕變 擴(kuò)散性蠕變是在應(yīng)力場作用下，由空位的定向移動所引起的。在應(yīng)力場作用下，受拉應(yīng)力晶界的空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化學(xué)勢能差，引起空位的定向移動，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。按擴(kuò)散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。晶內(nèi)擴(kuò)散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的伸長變形，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴(kuò)散引起晶粒的“轉(zhuǎn)動”。 擴(kuò)散性蠕變即使在低應(yīng)力誘導(dǎo)下，也會隨時(shí)間的延續(xù)而不斷地發(fā)生，只不過進(jìn)行的速度很緩慢。溫度越高、晶粒越細(xì)和應(yīng)變速率越低，擴(kuò)散蠕變所起的作用就越大。這是因?yàn)闇囟仍礁撸拥膭幽芎蛿U(kuò)散能力就越大；晶粒越細(xì)，則意味著有越多的晶界和原子擴(kuò)散的路程越短；而應(yīng)變速率越低，表明有更充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散。在回復(fù)溫度以下的塑性變形，這種變形機(jī)理所起的作用不明顯，只在很低的應(yīng)變速率下才有考慮的必要，而在高溫下的塑性變形，特別是在超塑性變形和等溫鍛造中，這種擴(kuò)散性蠕變則起著非常重要的作用。 溫度高（能量大），晶粒細(xì)（路程短），應(yīng)變速率低（時(shí)間多）擴(kuò)散蠕變作用大。 熱塑性變形中的軟化過程 二、熱變形對金屬組織的影響 1.加工流線 熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成纖維組織(或稱“流線”)，使金屬的力學(xué)性能特別是塑性和韌性具有方向性，縱向上的性能顯著大于橫向上的。因此熱加工時(shí)應(yīng)力求工件流線分布合理。 鍛造曲軸的合理流線分布，可保證曲軸工作時(shí)所受的最大拉應(yīng)力與流線一致，而外加剪切應(yīng)力或沖擊力與流線垂直，使曲軸不易斷裂。 2.帶狀組織 復(fù)相合金中的各個相，在熱加工時(shí)沿著變形方向交替呈帶狀分布的組織。往往是由于枝晶偏析或夾雜物在壓力加工過程中被拉長所造成的。鋼中的鐵素體或滲碳體以伸長的雜質(zhì)為核心形核，形成帶狀組織。 缺點(diǎn)：
3.網(wǎng)狀組織 鋼材內(nèi)部缺陷之一，表現(xiàn)為熱加工的鋼材冷卻后沿奧氏體晶界析出的過剩碳化物(指過共析鋼等)或鐵素體(指亞共析鋼)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。組織晶粒粗大，塑性和沖擊韌性嚴(yán)重下降?？刂萍訜釡囟龋岣咚苄约庸r(shí)的壓縮比，控制冷卻速度，或正火熱處理，均可改善或減輕網(wǎng)狀碳化物組織。 4，改善組織，提高性能， 改造鑄態(tài)組織：壓縮（焊合）鑄態(tài)金屬的組織的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷。 細(xì)化晶粒：軋制破壞粗大柱狀晶、樹枝晶，通過熱變形與再結(jié)晶形成細(xì)小等軸晶粒，甚至亞晶組織。 破碎夾雜物：破碎夾雜物和第二相并改變它們的分布狀態(tài)，有效改善材料性能。 三、低應(yīng)變速率下熱變形 1.超塑性 指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。超塑性的特點(diǎn)有大延伸率，無縮頸，小應(yīng)力，易成形。 實(shí)現(xiàn)條件：一定的變形溫度；低的應(yīng)變速率；細(xì)小晶粒 本質(zhì)：晶界的轉(zhuǎn)動；晶粒的轉(zhuǎn)動 。 分類：極細(xì)等軸晶粒（直徑五微米以下）下超塑性稱為超細(xì)晶粒超塑性；通過組織中發(fā)生相轉(zhuǎn)變，在相變點(diǎn)附近加工完成超塑性，稱為相變超塑性。 優(yōu)點(diǎn)：無晶內(nèi)滑移無位錯密度升高；長時(shí)間晶粒微略長大但保持等軸；帶狀分布合金可均勻化等。 缺點(diǎn)：加工時(shí)間較長。 2.蠕變 構(gòu)件在工作溫度及恒定壓力作用下（通常<σs），發(fā)生緩慢而又連續(xù)的塑性流變現(xiàn)象。 機(jī)制：位錯蠕變；擴(kuò)散蠕變；晶界滑動蠕變。 研究蠕變行為對于高溫條件下使用的材料（航空發(fā)動機(jī)、高壓蒸汽鍋爐、大型化工設(shè)備等）具有重要工程意義。 冷和熱變形的對比 冷變形性能變化是單向的 熱變形性能變化是雙向的：不顯現(xiàn)加工硬化
冷變形---純金屬/奧氏體鋼加工硬化 熱變形---超塑性 End |
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