金属材料的塑性成型机理及组织性能的变化 / 开普饭

塑性变形的定义：

金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。

金属材料塑性变形对使用性能和加工性能的影响

抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；

塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。

塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。

塑性加工包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。

金属塑性变形形式有冷变形、热变形和温变形。

冷变形是指在再结晶温度以下的变形。变形后具有明显的加工硬化现象(冷变形强化)。

如冷挤压、冷轧、冷冲压等。

热变形是指在再结晶温度以上的变形。在其变形过程中，其加工硬化随时被再结晶所消除。因而，在此过程中表现不出加工硬化现象。

如热轧、热锻、热挤压等。

温变形是指介于冷、热变形之间的变形，加工硬化和再结晶同时存在。

如：温锻、温挤压等。

塑性变形的微观形式

一、晶内的塑性变形基本方式：滑移和孪生。

1.滑移

晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动叫滑移。

滑移是在切应力作用下发生的：当切应力超过弹性极限，晶体上下部分产生相对滑移。当应力足够大，晶体就会发生断裂。

滑移的结果是使晶体表面形成台阶，产生滑移线和滑移带。

晶体中易发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

晶体滑移大多优先发生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大；

面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。

塑性对比：面心立方>体心立方>密排六方。

2. 孪生变形

在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程。发生切变后位向改变的一部分晶体称为孪晶；孪晶与未变形部分晶体原子分布对称。

孪生变形的特征：

孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生；滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,容易发生孪生；体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。

滑移与孪生的区别：

晶格取向：滑移前后晶格方向不变，孪生后晶格方向发生变化；

发生条件：孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。

二、晶间变形，晶粒间的相对滑动和转动

工程上使用的金属绝大部分是多晶体；多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同；多晶体材料中，各个晶粒位向不同，存在许多晶界，变形要复杂得多。

1. 晶界的影响

晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动, 使变形抗力增大；金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度和塑性就越大。细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

2.变形的不均匀性

晶粒的位向不同，变形有先后；随着外力的增加，滑移是分批逐次进行的。应力分布有变化，造成不均匀变形。

三、合金的塑性变形

合金的组成相为固溶体时，溶质原子会造成晶格畸变，增加滑移抗力，产生固溶强化，塑性变形能力降低。溶质原子常常分布在位错附近，降低了位错附近的晶格畸变，使位错易动性减小，形变抗力增加，强度升高。

冷塑性变形对金属组织和性能的影响

一、金属组织的变化

1.晶粒发生变形

金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。

塑性变形中的组织变化

2.冷变形亚结构形成

金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大并发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，从而在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）。

3.冷变形形变织构

在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称为形变织构。

按照产品外形，变形织构可分为：丝织构和板织构。

丝织构：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢经大变形量冷拔后,其（100）平行于拔丝方向;

板织构：各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。低碳钢的板织构为{001}（110）。

二、对金属性能的影响

1.形变强化

金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化，也叫形变强化或冷作硬化。

在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。晶粒破碎细化, 使强度得以提高。（细晶效应）

加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的材料，冷变形加工是强化它们的主要手段。

金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致最终断裂。

构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。

2.产生各向异性

纤维组织和变形织构的形成,使金属产生各向异性；沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。有织构的板材冲制筒形零件时,由于各方向上塑性差别很大, 零件的边缘出现“制耳”。

但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。

在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密度减少，是造成金属显微裂纹的根源。

3.产生残余内应力

塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热外，还有一小部分以畸变能的形式存储在材料内部，这部分存储能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。

金属经塑性变形后的残余应力是不可避免的，这对工件的变形、开裂和应力腐蚀产生影响和危害。

金属塑性变形后的残余应力，可以通过去应力退火来消除；例如：经拉延成型的黄铜弹壳在280℃左右进行去应力退火，以避免变形和应力腐蚀。

残余应力的应用：有意控制残余应力的分布，使其与工作应力方向相反，可以提高工件的力学性能，如车架承重板簧。

4.对物理性能的影响

密度、导热、导电、导磁性下降。晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、晶间出现了显微裂纹、裂口、空洞等缺陷致使金属的密度降低。

原子脱离其平衡位置，位错密度的增加

化学活性增加，电极电位提高，耐腐蚀性下降结构缺陷多，自由焓升高，扩散速度快。

冷变形金属在加热时的组织与性能变化

金属冷变形使材料内部空位、位错等结构缺陷密度增加，畸变能升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。

1.回复

变形后金属在较低温度加热，发生回复过程。

晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化；实际应用：对变形金属进行去应力退火、降低残余内应力，保留加工硬化效果。

2、再结晶

变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶。只有经过塑性变形的金属才会发生再结晶。

再结晶对金属组织、性能的影响

变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失；物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。

再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。

再结晶温度

再结晶温度是一温度范围，并非一恒定温度；

再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)：用经过严重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度：

T再=0.4T熔点

式中温度单位为绝对温度(K)。

再结晶温度影响因素：

1)变形程度

2)金属纯度：纯度越高,最低再结晶温度也就越低

3）加热速度

再结晶是一扩散过程,需一定时间才能完成；提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生；原始晶粒越粗大,再结晶温度越高。

晶粒长大及影响再结晶后晶粒大小的因素

加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长大，得到粗大晶粒，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。

影响再结晶后晶粒大小的因素：

1）加热温度和保温时间

2）变形度

3）加热速度　

在回复阶段，各材料释放的存储能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。

冷变形金属加热时组织和性能变化

金属的热加工及其对组织、性能影响

钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上发生塑性变形后，随即发生再结晶；塑性变形引起的加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。

热加工与冷加工的区别

热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分。

热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工。

冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工。

一、热变形主要机理

1.晶内滑移

在通常条件下，热变形的主要机理是晶内滑移。这是由于高温时原子间距增大，原子的热振动及扩散速度增加，位错的滑移、攀移、交滑移及位错结点脱锚比低温时来得容易，滑移系增多，滑移的灵活性提高，改善了各晶粒之间变形的协调性，晶界对位错运动的阻碍作用减弱。

2.晶界滑移

热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑动容易进行，又由于热增加扩散作用，及时消除晶界滑动所引起的破坏。因此，与冷变形相比，晶界滑动的变形量要大。三向压应力的作用会通过塑性粘焊效应及时修复高温晶界滑移所产生裂纹，产生较大的晶间变形。

尽管如此，在常规的热变形条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量还是小的。只有在微细晶粒的超塑性变形条件下，晶界滑动机理才起主要作用，并且晶界滑动是在扩散蠕变调节下进行的。

3.扩散性蠕变

扩散性蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动所引起的。在应力场作用下，受拉应力晶界的空位浓度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化学势能差，引起空位的定向移动，即空位从垂直于拉应力的晶界放出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。按扩散途径的不同，可分为晶内扩散和晶界扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上的伸长变形，或在受压方向上的缩短变形；而晶界扩散引起晶粒的“转动”。

扩散性蠕变即使在低应力诱导下，也会随时间的延续而不断地发生，只不过进行的速度很缓慢。温度越高、晶粒越细和应变速率越低，扩散蠕变所起的作用就越大。这是因为温度越高，原子的动能和扩散能力就越大；晶粒越细，则意味着有越多的晶界和原子扩散的路程越短；而应变速率越低，表明有更充足的时间进行扩散。在回复温度以下的塑性变形，这种变形机理所起的作用不明显，只在很低的应变速率下才有考虑的必要，而在高温下的塑性变形，特别是在超塑性变形和等温锻造中，这种扩散性蠕变则起着非常重要的作用。