(山東省城市服務(wù)技師學(xué)院 山東 煙臺 264000)

前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料經(jīng)熔煉而得到的金屬錠，如鋼錠、鋁合金錠或銅合金錠等，大多要經(jīng)過軋制、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工，使金屬產(chǎn)生塑性變形而制成型材或工件。金屬材料經(jīng)壓力加工變形后，既改變了外形尺寸，也改變了內(nèi)部組織和性能。因此，研究金屬的塑性變形原理，可以有效提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來巨大效益。

一、金屬的塑性變形

(一)單晶體的塑性變形

當(dāng)對單晶體施以切應(yīng)力時，隨著外力的增加，變形增加到一定的程度：要么原子鍵被破壞而發(fā)生斷裂，要么原子之間發(fā)生相對滑移而產(chǎn)生永久性的原子位移。對金屬材料而言，在較小的外力下即可出現(xiàn)后者現(xiàn)象，而且是優(yōu)先出現(xiàn)，結(jié)果產(chǎn)生了塑性變形。單晶體的塑性變形主要以滑移的方式進行，即晶體的一部分沿著—定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動①。在其他條件同等的情況下，滑移面和滑移方向越多即滑移系越多，則滑移時可供采用的空間位相也越多，金屬的塑性越好。

塑性變形的另外一種重要方式是孿生。孿生是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，在切變區(qū)域內(nèi)，與孿生面平行的每層原子的切變量與它距孿生面的距離成正比，并且不是原子間距的整數(shù)倍。其結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體形成鏡面對稱。

(二)多晶體的塑性變形

多晶體是由位向不同的許許多多的小晶粒所組成，由于各個晶粒的位向不同，則各滑移系的取向也不同。在外加拉伸力作用下，各滑移系上的分切應(yīng)力值相差很大。由此可見，多晶體中的各個晶粒不是同時發(fā)生塑性變形，而是首先在那些取向比較適宜的晶粒中開始。這些晶粒中位錯將沿最有利的滑移系運動，達到晶界。由于晶界處原子排列較混亂，而使位錯滑移受阻，并在晶界附近堆積；同時也受到鄰近的位向不同的晶粒阻礙。隨外力增加，位錯進一步堆積，應(yīng)力集中也越來越大，最后達到使鄰近晶粒中位錯開始運動，變形便由一批晶粒傳遞到另一批晶粒。單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目越多，晶界就越多，晶粒就越細小，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。晶粒越細，在同樣變形條件下，變形被分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使各晶粒的變形比較均勻，而不致過分集中在少數(shù)晶粒上。另一方面，晶粒越細，晶界就越多，越曲折，就越有利于阻止裂紋的傳播，從而在斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。

二、塑性變形對金屬材料組織和性能的影響

(一)塑性變形對金屬材料組織的影響

1.晶粒被破碎、位錯密度增加和亞結(jié)構(gòu)細化。首先是顯微組織的變化，金屬經(jīng)塑性變形后，位錯密度增加，晶粒被碎化，隨著亞結(jié)構(gòu)細化(亞晶界增加)，在晶界處聚集大量位錯。

2.在外形變化的同時，晶粒的形狀也發(fā)生變化。通常是晶粒沿變形方向壓扁或拉長，如圖1所示，原來沒有變形的晶粒，經(jīng)加工變形后，晶粒形狀逐漸發(fā)生變化，隨著變形方式和變形量的不同，晶粒形狀的變化也不一樣，如在軋制時，單個晶粒沿著變形方向逐漸伸長，變形量越大，晶粒伸長的程度也越大。

圖1 塑性變形后的組織

3.變形織構(gòu)的產(chǎn)生。變形織構(gòu)，與單晶體一樣，多晶體在塑性變形時也伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動過程，因此當(dāng)變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調(diào)整其取向彼此趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做變形織構(gòu)②。同一種材料隨加工方式的不同，可能出現(xiàn)絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類型的織構(gòu)。當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)后，多晶體金屬就不再表現(xiàn)為等向性而顯示出各向異性。這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。在許多情況下對金屬后續(xù)加工或使用是不利的。例如，用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，由于不同方向上的塑性差別很大，使變形不均勻，導(dǎo)致零件邊緣不齊，出現(xiàn)所謂“制耳”現(xiàn)象，形變織構(gòu)很難消除。生產(chǎn)中為避免織構(gòu)產(chǎn)生，常將零件的較大變形量分為幾次變形來完成，并進行“中間退火”。

(二)塑性變形對金屬材料性能的影響

1.加工硬化現(xiàn)象。加工硬化可以提高金屬的強度，是強化金屬的重要手段，尤其對于那些不能用熱處理強化的金屬材料顯得更為重要。加工硬化現(xiàn)象在金屬材料生產(chǎn)過程中有著重要的實際意義，目前已經(jīng)廣泛用來提高金屬材料的強度，加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成型的重要因素。加工硬化現(xiàn)象也會給金屬材料的生產(chǎn)和使用帶來麻煩，因為金屬冷加工到一定程度以后，變形抗力就會增加，進一步的變形就必須加大設(shè)備功率，增加動力消耗。另外，材料塑性的降低，給金屬材料進一步的冷塑性變形帶來困難。為了使金屬材料能繼續(xù)變形加工，必須進行中間熱處理，以消除這種硬化現(xiàn)象。

2.使金屬性能具有方向性。當(dāng)多晶體金屬在其變形量很大時，晶粒變成細條狀，此時金屬中的夾雜物也被拉長、形成纖維組織，使金屬的力學(xué)性能具有明顯的方向性。例如縱向(沿纖維組織方向)的強度和塑性比橫向(垂直于纖維組織方向)高得多。

3.殘余應(yīng)力。金屬塑性變形后，除用于改變形狀外，其中大約90%以上的能量變成熱能使得金屬溫度升高，隨后散失掉，還有小于10%的能量保留在金屬的內(nèi)部，其表現(xiàn)為殘余應(yīng)力，它是一種內(nèi)應(yīng)力，主要由于金屬在外力作用下內(nèi)部變形不均勻造成的。它分為宏觀內(nèi)應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)，微觀內(nèi)應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)和點陣畸變(第三類內(nèi)應(yīng)力)。一般來說，第一、第二和第三類內(nèi)應(yīng)力間的分配比例約為1：10：100。它們對金屬的性能會產(chǎn)生以下影響：第一類內(nèi)應(yīng)力會引起新的變形，降低精度；第二類內(nèi)應(yīng)力會引起開裂，產(chǎn)生微裂紋；第三類內(nèi)應(yīng)力會強化金屬，降低耐蝕性等。由此可見殘余應(yīng)力的存在對金屬材料的性能是有害的，它不僅會降低金屬的強度、耐蝕性，而且還會因隨后的應(yīng)力松弛或重新分布引起金屬變形。

4.使金屬產(chǎn)生某些物理和化學(xué)性能變化。塑性變形除了影響力學(xué)性能外，還會使金屬的某些物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加，導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)也略為下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，但磁滯和矯頑力增加。同時塑性變形還提高金屬的內(nèi)能，使其化學(xué)活性提高，腐蝕速度增快等。

【注釋】

①康喜英.高溫塑性變形對超級雙相不銹鋼S32750的性能影響[J].熱加工工藝,2018(4)：90-93.

②阮宗龍.穩(wěn)壓工藝在金屬材料塑性變形中的應(yīng)用[J].中國高新區(qū),2018(1)：33-34.