塑性变形对金属材料组织和性能的影响探究

(山东省城市服务技师学院 山东 烟台 264000)

前言

在工业生产中，金属材料经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。金属材料经压力加工变形后，既改变了外形尺寸，也改变了内部组织和性能。因此，研究金属的塑性变形原理，可以有效提高生产效率，为企业带来巨大效益。

一、金属的塑性变形

(一)单晶体的塑性变形

当对单晶体施以切应力时，随着外力的增加，变形增加到一定的程度：要么原子键被破坏而发生断裂，要么原子之间发生相对滑移而产生永久性的原子位移。对金属材料而言，在较小的外力下即可出现后者现象，而且是优先出现，结果产生了塑性变形。单晶体的塑性变形主要以滑移的方式进行，即晶体的一部分沿着—定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动①。在其他条件同等的情况下，滑移面和滑移方向越多即滑移系越多，则滑移时可供采用的空间位相也越多，金属的塑性越好。

塑性变形的另外一种重要方式是孪生。孪生是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，在切变区域内，与孪生面平行的每层原子的切变量与它距孪生面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍。其结果使孪生面两侧的晶体形成镜面对称。

(二)多晶体的塑性变形

多晶体是由位向不同的许许多多的小晶粒所组成，由于各个晶粒的位向不同，则各滑移系的取向也不同。在外加拉伸力作用下，各滑移系上的分切应力值相差很大。由此可见，多晶体中的各个晶粒不是同时发生塑性变形，而是首先在那些取向比较适宜的晶粒中开始。这些晶粒中位错将沿最有利的滑移系运动，达到晶界。由于晶界处原子排列较混乱，而使位错滑移受阻，并在晶界附近堆积；同时也受到邻近的位向不同的晶粒阻碍。随外力增加，位错进一步堆积，应力集中也越来越大，最后达到使邻近晶粒中位错开始运动，变形便由一批晶粒传递到另一批晶粒。单位体积内晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细小，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。晶粒越细，在同样变形条件下，变形被分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在少数晶粒上。另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，就越有利于阻止裂纹的传播，从而在断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。

二、塑性变形对金属材料组织和性能的影响

(一)塑性变形对金属材料组织的影响

1.晶粒被破碎、位错密度增加和亚结构细化。首先是显微组织的变化，金属经塑性变形后，位错密度增加，晶粒被碎化，随着亚结构细化(亚晶界增加)，在晶界处聚集大量位错。

2.在外形变化的同时，晶粒的形状也发生变化。通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长，如图1所示，原来没有变形的晶粒，经加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化，随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化也不一样，如在轧制时，单个晶粒沿着变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。

图1 塑性变形后的组织

3.变形织构的产生。变形织构，与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，因此当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫做变形织构②。同一种材料随加工方式的不同，可能出现丝织构和板织构两种类型的织构。当出现织构后，多晶体金属就不再表现为等向性而显示出各向异性。这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。在许多情况下对金属后续加工或使用是不利的。例如，用有织构的板材冲制筒形零件时，由于不同方向上的塑性差别很大，使变形不均匀，导致零件边缘不齐，出现所谓“制耳”现象，形变织构很难消除。生产中为避免织构产生，常将零件的较大变形量分为几次变形来完成，并进行“中间退火”。

(二)塑性变形对金属材料性能的影响

1.加工硬化现象。加工硬化可以提高金属的强度，是强化金属的重要手段，尤其对于那些不能用热处理强化的金属材料显得更为重要。加工硬化现象在金属材料生产过程中有着重要的实际意义，目前已经广泛用来提高金属材料的强度，加工硬化也是某些工件或半成品能够加工成型的重要因素。加工硬化现象也会给金属材料的生产和使用带来麻烦，因为金属冷加工到一定程度以后，变形抗力就会增加，进一步的变形就必须加大设备功率，增加动力消耗。另外，材料塑性的降低，给金属材料进一步的冷塑性变形带来困难。为了使金属材料能继续变形加工，必须进行中间热处理，以消除这种硬化现象。

2.使金属性能具有方向性。当多晶体金属在其变形量很大时，晶粒变成细条状，此时金属中的夹杂物也被拉长、形成纤维组织，使金属的力学性能具有明显的方向性。例如纵向(沿纤维组织方向)的强度和塑性比横向(垂直于纤维组织方向)高得多。

3.残余应力。金属塑性变形后，除用于改变形状外，其中大约90%以上的能量变成热能使得金属温度升高，随后散失掉，还有小于10%的能量保留在金属的内部，其表现为残余应力，它是一种内应力，主要由于金属在外力作用下内部变形不均匀造成的。它分为宏观内应力(第一类内应力)，微观内应力(第二类内应力)和点阵畸变(第三类内应力)。一般来说，第一、第二和第三类内应力间的分配比例约为1：10：100。它们对金属的性能会产生以下影响：第一类内应力会引起新的变形，降低精度；第二类内应力会引起开裂，产生微裂纹；第三类内应力会强化金属，降低耐蚀性等。由此可见残余应力的存在对金属材料的性能是有害的，它不仅会降低金属的强度、耐蚀性，而且还会因随后的应力松弛或重新分布引起金属变形。

4.使金属产生某些物理和化学性能变化。塑性变形除了影响力学性能外，还会使金属的某些物理、化学性能发生变化，如电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降，导热系数也略为下降。塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。同时塑性变形还提高金属的内能，使其化学活性提高，腐蚀速度增快等。

【注释】

①康喜英.高温塑性变形对超级双相不锈钢S32750的性能影响[J].热加工工艺,2018(4)：90-93.

②阮宗龙.稳压工艺在金属材料塑性变形中的应用[J].中国高新区,2018(1)：33-34.