塑性變形對金屬材料組織和性能的影響探究

(山東省城市服務技師學院 山東 煙臺 264000)

前言

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

一、金屬的塑性變形

(一)單晶體的塑性變形

當對單晶體施以切應力時，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生斷裂，要么原子之間發生相對滑移而產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后者現象，而且是優先出現，結果產生了塑性變形。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)發生切變，在切變區域內，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倍。其結果使孿生面兩側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力值相差很大。由此可見，多晶體中的各個晶粒不是同時發生塑性變形，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。單位體積內晶粒的數目越多，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進行，使各晶粒的變形比較均勻，而不致過分集中在少數晶粒上。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構細化。首先是顯微組織的變化，金屬經塑性變形后，位錯密度增加，晶粒被碎化，隨著亞結構細化(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，經加工變形后，晶粒形狀逐漸發生變化，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.變形織構的產生。變形織構，與單晶體一樣，多晶體在塑性變形時也伴隨著晶體的轉動過程，因此當變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調整其取向彼此趨于一致。這種由于塑性變形的結果而使晶粒具有擇優取向的組織叫做變形織構②。同一種材料隨加工方式的不同，可能出現絲織構和板織構兩種類型的織構。當出現織構后，多晶體金屬就不再表現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加工或使用是不利的。例如，用有織構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，導致零件邊緣不齊，出現所謂“制耳”現象，形變織構很難消除。生產中為避免織構產生，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。加工硬化現象在金屬材料生產過程中有著重要的實際意義，目前已經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。加工硬化現象也會給金屬材料的生產和使用帶來麻煩，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變形加工，必須進行中間熱處理，以消除這種硬化現象。

2.使金屬性能具有方向性。當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部，其表現為殘余應力，它是一種內應力，主要由于金屬在外力作用下內部變形不均勻造成的。它分為宏觀內應力(第一類內應力)，微觀內應力(第二類內應力)和點陣畸變(第三類內應力)。一般來說，第一、第二和第三類內應力間的分配比例約為1：10：100。它們對金屬的性能會產生以下影響：第一類內應力會引起新的變形，降低精度；第二類內應力會引起開裂，產生微裂紋；第三類內應力會強化金屬，降低耐蝕性等。由此可見殘余應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力松弛或重新分布引起金屬變形。

4.使金屬產生某些物理和化學性能變化。塑性變形除了影響力學性能外，還會使金屬的某些物理、化學性能發生變化，如電阻增加，導電性能和電阻溫度系數下降，導熱系數也略為下降。塑性變形還使導磁率、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能，使其化學活性提高，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.穩壓工藝在金屬材料塑性變形中的應用[J].中國高新區,2018(1)：33-34.