金属的塑性变形机理简介

1）金属塑性变形的基本知识

（1）单晶体金属的塑性变形。单晶体金属的塑性变形只有在切应力作用下才可能发生，其变形情况如图2-28所示。当切应力τ很小时，晶格只产生弹性歪扭。当切应力大于某定值后，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对滑动（称为滑移），去除外力后，原子处于新的平衡位置，晶体产生永久变形。

图2-28　单晶体变形示意图

滑移是金属塑性变形的主要方式。从图2-29可以看出，滑移的过程实质上是位错运动的过程。位错的运动使得一些位错消失，但同时又产生大量新的位错，以致晶体中总的位错数量增加。

图2-29　位错的运动示意图

（2）多晶体金属的塑性变形。多晶体金属的塑性变形主要是晶粒内部的变形。在多晶体中，每个晶粒内部的变形与单晶体基本相似。但是由于每个晶粒周围存在着晶界和许多位向不同的其他晶粒，因此当一个晶粒滑移时，必然会受到晶界和周围其他晶粒的阻碍。要克服这种阻碍，必须加大外力。这表明，多晶体金属的塑性变形抗力比单晶体金属要高。

2）塑性变形对金属组织和性能的影响

在塑性变形中，金属晶粒的形状会发生改变，由等轴晶粒变为扁平状或长条状；当变形度很大时，晶粒伸长成纤维状，称为冷变形纤维组织。在组织改变的同时，金属中的晶体缺陷会迅速增多。

金属组织的变化和晶体缺陷的增加，会阻碍位错的运动，从而导致金属的力学性能发生改变：随着变形程度的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降。这种现象称为加工硬化。加工硬化是强化金属材料的重要手段之一，对于用热处理不能强化的金属更为重要。但是，加工硬化会使冷变形金属的进一步加工变得困难。

金属在塑性变形后，由于变形的不均匀性以及变形造成的晶格畸变，内部会产生残余应力。残余应力一般是有害的，但是当工件表层存在残余压应力时，可有效提高其疲劳寿命。表面滚压、喷丸处理、表面淬火及化学热处理等都能使工件表层产生残余压应力。

3）冷塑性变形金属在加热时的变化

图2-30　冷变形金属加热时组织和性能的变化(www.xing528.com)

为了消除冷变形金属中存在的残余应力或加工硬化，需对冷变形金属进行加热。加热过程中，冷变形金属的组织和性能将发生一系列变化，如图2-30所示。

（1）回复。当加热温度不高时，原子的扩散能力较小，只能使点缺陷明显减少，晶格畸变显著减轻，内应力大为降低，这一变化过程称为回复。经过回复，金属组织没有变化，加工硬化基本保留。生产上，常利用回复的上述特点对冷变形金属进行热处理，以便在保持高强度的同时，显著降低内应力。这种热处理方法称为去应力退火。

（2）再结晶。将冷变形金属加热到较高温度时，原子扩散能力增大，于是通过生核、长大，使变形晶粒全部转变成等轴晶粒。这一过程称为再结晶。再结晶后，加工硬化和内应力完全消除，金属的性能恢复到冷变形之前的状态。冷变形金属发生再结晶时，是从某一温度开始，随温度的升高逐渐进行的。冷变形金属开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。对于各种纯金属，再结晶温度T再≈0.4T熔（K），式中T熔为金属熔点。

生产上常将冷变形金属加热到再结晶温度以上，通过再结晶完全消除加工硬化，这种热处理方法称为再结晶退火。再结晶退火的温度通常比再结晶温度高100～200℃，以提高生产率。

（3）晶粒长大。冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒，但随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒将长大，导致金属的力学性能下降。

4）金属的冷加工和热加工

（1）金属冷热加工的区分。生产上，金属的塑性变形可在再结晶温度以下或以上进行，前者称为金属的冷加工，后者称为金属的热加工。很显然，金属的冷热加工不是以加热温度的高低来区分的。例如，钨的再结晶温度约为1 200℃，在1 000℃对钨进行加工则属于冷加工；锡的再结晶温度约为-7℃，在室温对锡进行加工则属于热加工。从加工过程中组织和性能变化的情况来看，冷加工过程中只有加工硬化而无再结晶过程，随着变形程度的增加，加工会越来越困难。而在热加工过程中，由变形引起的加工硬化能被随之发生的再结晶所逐渐消除，因而金属材料通常能保持较低的变形抗力和良好的变形能力。

（2）热加工对金属组织和性能的影响。热加工对钢组织和性能的影响主要有。

①改善钢锭和钢坯的组织和性能。通过热加工，可使钢锭和钢坯的晶粒得到细化，气孔、缩松等缺陷得到焊合，组织致密度增加，化学成分不均匀的现象得到改善，从而提高钢的力学性能。

②形成热加工流线。热加工时，钢中的杂质顺着主要伸长方向至条状或链状分布，称为热加工流线。流线使钢的性能呈各向异性，如表2-3所列。

表2-3　45钢的力学性能与其流线方向的关系

在制造重要零件时，常通过锻造使流线沿零件轮廓连续分布，以提高零件的承载能力和使用寿命。如图2-31（a）所示的曲轴由锻造而成，其流线分布合理，故性能高，寿命长。图2-31（b）所示的曲轴由切削加工而成，因流线被切断，工作时轴肩处极易断裂。

图2-31　曲轴的流线分布