金属材料的本质

第1章　金属的塑性变形

1.1　金属塑性变形的实质

根据图3.1.1应力-应变曲线所示，当应力大于弹性极限时，低碳钢在弹性变形基础上还发生塑性变形。当外力去除后，其塑性变形部分不能恢复，金属对开始发生微量塑性变形的抗力用屈服极限σs表示，而塑性则是指金属在外力作用下发生塑性变形的量或能力，用伸长率δ%或是断面收缩率ψ%表示，塑性变形的实质就是金属内部的晶粒发生了不可恢复的变形。

1.1.1　金属单晶体的塑性变形

金属单晶体的塑性变形主要是晶粒内部的滑移变形。

滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）发生相对的滑动。如图3.1.1所示，当对一单晶体试样进行拉伸时，外力P将在晶内一定的晶面上分解为两种应力。一种是平行于该晶格的切应力τ，一种是垂直于该晶面的正应力σ。正应力只能引起晶格的弹性伸长，大到一定程度引起脆断。而切应力则可使晶体在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后晶体各部分的位相依然一致。

通过对滑移所需切应力大小的计算发现，实际滑移所需的切应力要小于刚性滑移所需切应力的几十倍或几百倍，大量理论研究也证明，由于晶粒内部存在缺陷（缺一个原子的点缺陷或缺一行原子、位错的线缺陷），滑移变形是通过位错移动完成的，如图3.1.2所示。当晶体通过位错移动而滑动时，并不需要整个滑移面上的原子全部同时移动，而只是位错线附近少数原子移动，且移动的距离小于一个原子间距，而整个面上的滑移是位错线少量移动的逐步传递（位错运动）形成的，所以所需的切应力要比整体移动小得多。随着滑移的进行，晶粒内部产生扭曲和位错的增加；同时滑移到晶粒晶界时，变形受阻，抗力增大，导致进一步滑移需要更大的剪应力。

图3.1.1　单晶体试样拉伸变形的示意

图3.1.2　位错运动引起塑性变形示意图

1.1.2　多晶体金属的塑性变形

多晶体金属的塑性变形包括晶粒内部的变形和晶粒之间的变形。在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，在外力的作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受到的分切应力便不同。从材料力学中了解到试样中的分切应力是在与外力成45°角的方向上最大，在与外力相平行或垂直的方向上为最小。因此在试样中，凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45°夹角的晶粒必将首先发生滑移变形；而滑移面和滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直的晶粒中所受到的分切应力将最小，最难发生滑移。金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是不均匀的塑性变形过程。由于各晶粒变形先后不一，变形大小也不同，使晶粒之间产生应力，也导致了晶粒之间产生位移和转动，所以多晶体塑性变形为：滑移+晶粒转动。

图3.1.3　由两个晶粒所做成试件在拉伸时的变形

如图3.1.3所示，仅由两个晶粒构成的试样来进行拉伸试验。在远离夹头和晶界的晶粒中部会出现明显的缩颈，而在晶界附近则难以变形，即所谓“竹节”现象。晶界附近所以具有明显较高的塑性变形抗力，这主要是由于在晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，晶格排列紊乱；并且该处的杂质原子也较多，增大了其晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。

金属的塑性变形抗力，不仅与其原子之间的结合力有关，而且还与金属的晶粒度有关，金属的晶粒越细，金属的强度越高。因为金属的晶粒越细，其晶界总面积便越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便越多，对塑性变形的抗力也越大。金属的晶粒越细，塑性与韧性也越高。因为晶粒越细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的形变量则分散在更多的晶粒中，产生较均匀的变形，减少应力集中，不致引起裂纹的过早产生和发展。所以断裂前可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒，是目前提高金属材料机械性能的有效途径之一。

1.2　塑性变形对金属组织和性能的影响

经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为以下几个方面：

1.2.1　组织变化

①晶粒沿变形最大的方向伸长

②晶格晶粒均发生扭曲

③晶粒间产生碎晶

1.2.2　加工硬化

因碎晶、晶格扭曲增大了滑移阻力，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生“加工硬化”现象。

1.2.3　性能变化

（1）各向异性

当形变量达到很大程度时，各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，晶界变得模糊不清。这种组织通常称为“纤维组织”。纤维组织导致金属产生各向异性，所以制作零件时应使材料最大拉应力方向与纤维组织流线方向一致，剪切力方向和冲击力方向与纤维组织流线方向垂直。用压力加工的方法制作的零件，其流线分布与零件轮廓形状相符，可避免纤维组织的不利影响。

（2）力学性能改善

加工硬化有利于强化金属。但使变形抗力增加，给金属的进一步加工带来困难，对模具不利，设备吨位上升；同时，金属的物理和化学性能也会发生显著的变化，如电阻率增加和耐蚀性降低等；加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势。因此加工过程中必须安排再结晶退火工序，通过加热消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。

加热：产生加工硬化后的金属由于受到高温的作用，原子活动能力增加，就能具有恢复到原来稳定状态，消除晶格畸变和降低残余应力的趋势。

回复：金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶格扭曲。明显降低了残余应力，力学性能得到小部分恢复，这个过程称为“回复”。

再结晶：温度再增加，金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质位核结晶成新的晶粒。这个过程称为“再结晶”。再结晶消除了加工硬化现象和残余应力，完全恢复了材料原有的力学性能。由于再结晶可能得到比原材料更细小的晶粒，再结晶金属的力学性能要更好一些。

金属在再结晶温度以下的变形称为冷变形，压力加工生产中常用的冷变形有冷轧、冷拔、冷镦、冷冲压、冷挤压等。冷变形的优点是零件尺寸、形状精度高，表面质量好，零件强度、硬度高。缺点是变形抗力大，变形程度小，零件内部残余应力大，如要进一步加工必须进行再结晶退火。

在再结晶温度以上的变形称为热变形，热塑性变形时产生的加工硬化和再结晶过程几乎同时进行，而加工硬化现象随时被再结晶消除，最后得到的是再结晶组织。金属在热变形的情况下可以用较小的能量获得较大的变形，既能提高金属的塑性，降低变形抗力，又能得到均匀致密的等轴细晶组织和力学性能优良零件。

所以金属压力加工主要采用热变形来进行。

（3）残余内应力

金属在外力的作用下产生的内部塑性变形不均匀而产生内应力。如金属表层与心部的变形量不同形成平衡于表层与心部之间的宏观内应力（第一种内应力）；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀形成的微观内应力（第二种内应力）；而因位错等晶格缺陷引起其附近的晶格畸变而形成的晶格畸变应力（第三种内应力）。第三种内应力是金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力。而第一和第二种内应力，虽然它们在变形金属中所占的比例不大，但是在大多数情况下不仅会降低金属的强度，而且还会因随后应力松弛或发生重新分布而引起金属变形。如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的内应力使钢板发生翘曲，零件在切削加工后所发生的变形也大都是由于这一原因。此外，残余内应力还会使金属的耐腐蚀等性能降低，如金属的碰伤之处便往往易于生锈。故金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除或降低这些内应力。

1.3　金属的锻造性

金属的锻造性能是衡量材料通过塑性加工获得优质零件难易程度的工艺性能。金属的锻造性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。若金属材料锻造时塑性好，变形抗力小，则金属的锻造性能好，该金属适合于塑性加工成形；金属材料锻造时塑性差，变形抗力大，则金属锻造性能差，该金属不宜选用塑性加工方法成形。金属的锻造性能好坏取决于金属材料的本质和锻造时的加工条件。

1.3.1　金属材料的本质

纯金属比合金塑性好、变形抗力小，故纯金属的锻造性能比合金好。金属中加入合金元素，尤其是难熔合金元素，使其强度提高，塑性下降，锻造性能变差。合金元素越多，锻造性越差。所以低碳钢的锻造性好，钢的含碳量越高，塑性越差，变形抗力越大，锻造性也越差。另外磷和硫也可引起钢的冷、热脆性加大。

纯金属及单一固溶体的锻造性能好，而金属中含有碳化物（如渗碳体）和机械混合物越多，则锻造性越差。金属中晶粒细小而又均匀的组织比粗大晶粒组织锻造性能好。

1.3.2　加工条件

（1）变形温度的影响

由于金属原子在热能作用下，处于极为活泼的状态中，容易进行滑移变形。随着变形温度的提高，原子活动能力加强，金属的塑性上升，变形抗力下降，金属的锻造性能提高。同时，在高温变形过程中，产生再结晶可以随时消除加工硬化，使变形抗力减少，有利于塑性变形继续进行。但是温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和氧化等缺陷，甚至使锻件报废。因此，应该严格控制锻造温度。

锻造温度是指始锻温度和终锻温度间的温度范围。钢的始锻温度和终锻温度是以铁碳合金状态图为依据确定，如图3.1.4所示。始锻温度应低于AE线以下200℃左右，终锻温度为800℃左右。

图3.1.4　碳钢锻造温度范围

（2）变形速度的影响

变形速度即单位时间内的变形程度。金属在再结晶温度以上变形时，加工硬化、回复和再结晶同时进行。一般情况下由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，残留的加工硬化作用逐渐积累，金属表现出塑性下降、变形抗力增大，锻造性能变差；当金属的变形速度超过了临界值，消耗于变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高。变形速度越大，热效应现象越明显，则金属的塑性提高、变形抗力下降，锻造性能提高，如图3.1.5所示。但是热效应现象只有在高速锤上才能实现，在一般塑性加工的变形过程中，因变形速度低，热效应现象不甚明显。

图3.1.5　变形速度对塑性及变形抗力的影响1—变形抗力曲线　2—塑性变化曲线

（3）应力状态的影响

金属在不同的塑性加工方式下变形时，产生的应力大小和性质（压应力或拉应力）是不同的。变形金属内部应力状态可用单元体上的主应力图来表示。例如，挤压变形时为三向受压状态（图3.1.6），而拉拔时（图3.1.7）则为两向受压，一向受拉的应力状态。应力状态对金属变形过程的难易程度有重要影响。

图3.1.6　挤压时金属应力状态

图3.1.7　拉拔时金属应力状态

当金属承受压应力时，其内部原子间距减小，不会使缺陷扩展；压应力使滑移面紧密结合，滑移面上不容易产生裂纹；所以在三向压应力作用下变形，有利于提高金属的塑性；但压应力又使金属内部摩擦力增大，变形抗力增加。而拉应力则使滑移面趋向分离，容易导致裂纹产生。在拉应力作用下变形，则会降低金属的塑性。

在选择具体的加工方法时，就必须考虑应力状态对金属锻造性能的影响。对于本质塑性较高的金属，变形时出现拉应力是有利的，可以减少变形能量的消耗；对于本质塑性较低的金属，则应尽量在三向压应力状态下变形，以免产生裂纹。

如果金属内部存在气孔、小裂纹等缺陷，当承受拉应力时，产生应力集中，缺陷必将扩展，可能使金属因被破坏而失去塑性。但拉应力又使金属容易产生滑移变形，使变形抗力减小；由此可见，在塑性加工过程中，金属的锻造性能既取决于金属的本质，又取决于变形条件。故应力求创造最有利的变形条件，尽量发挥金属的塑性，降低变形抗力，使能量消耗最小，变形进行充分，以达到加工目的。