钢铁材料的塑性变形

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  材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那部分变形。材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材料恢复原状，这种变形是可逆的弹性变形。当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。在锻压、轧制、拔制等加工过程中，产生的弹性变形比塑性变形要小得多，通常忽略不计。这类利用塑性变形而使材料成形的加工方法，统称为塑性加工。

　　机理 　
       固态金属是由大量晶粒组成的多晶体，晶粒内的原子按照体心立方、面心立方或紧密六方等方式排列成有规则的空间结构。由于多种原因，晶粒内的原子结构会存在各种缺陷。原子排列的线性参差称为位错。由于位错的存在，晶体在受力后原子容易沿位错线运动，降低晶体的变形抗力。通过位错运动的传递，原子的排列发生滑移和孪晶（图1）。滑移是一部分晶粒沿原子排列最紧密的平面和方向滑动，很多原子平面的滑移形成滑移带，很多滑移带集合起来就成为可见的变形。孪晶是晶粒一部分相对于一定的晶面沿一定方向相对移动，这个晶面称为孪晶面。原子移动的距离和孪晶面的距离成正比。两个孪晶面之间的原子排列方向改变，形成孪晶带。滑移和孪晶是低温时晶粒内塑性变形的两种基本方式。

　　多晶体的晶粒边界是相邻晶粒原子结构的过渡区。晶粒越细，单位体积中的晶界面积越大，有利于晶间的移动和转动。某些金属在特定的细晶结构条件下，通过晶粒边界变形可以发生高达 300～3000％的延伸率而不破裂。

　　对金属组织和性能的影响
   　金属在室温下的塑性变形，对金属的组织和性能影响很大，常会出现加工硬化、内应力和各向异性等现象。
　　加工硬化 　塑性变形引起位错增殖，位错密度增加，不同方向的位错发生交割，位错的运动受到阻碍，使金属产生加工硬化。加工硬化能提高金属的硬度、强度和变形抗力，同时降低塑性，使以后的冷态变形困难。
　　内应力 　塑性变形在金属体内的分布是不均匀的，所以外力去除后，各部分的弹性恢复也不会完全一样，这就使金属体内各部分之间产生相互平衡的内应力，即残余应力。残余应力降低零件的尺寸稳定性，增大应力腐蚀的倾向。
　　各向异性 　金属经冷态塑性变形后，晶粒内部出现滑移带或孪晶带。各晶粒还沿变形方向伸长和扭曲。当变形量很大(如70％或更大)而且是沿着一个方向时，晶粒内原子排列的位向趋向一致，同时金属内部存在的夹杂物也被沿变形方向拉长形成纤维组织，使金属产生各向异性。沿变形方向的强度、塑性和韧性都比横向的高。当金属在热态下变形，由于发生了再结晶，晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向，但夹杂物拉长形成的纤维方向不变，金属仍有各向异性。
　　再结晶和回复 　经过冷变形的金属，如加热到一定温度并保持一定的时间，原子的激活能增加到足够的活动力时，便会出现新的晶核，并成长为新的晶粒，这种现象称为再结晶。经过再结晶处理后，冷变形引起的晶粒畸变以及由此引起的加工硬化、残余应力等都会完全消除。
　　再结晶温度 　通常以经一小时保温完成再结晶的温度为金属的再结晶温度。各种金属的再结晶温度，按绝对温度(K)计大约相当于该金属熔点的40～50％。 低碳钢的再结晶温度约460℃。当变形程度较小时，在再结晶过程中，尤其是当温度偏高时，再结晶的晶粒特别粗大。因此如要晶粒细小，金属材料在再结晶处理前会有较大的变形量。
　　再结晶温度对金属材料的塑性加工非常重要。在再结晶温度以上进行的塑性加工和变形称为热加工和热变形；在再结晶温度以下进行的塑性加工和变形称为冷加工和冷变形。热变形时，金属材料在变形过程中不断地发生再结晶，不引起加工硬化，假如缓慢地冷却，也不出现内应力。
　　回复 　冷变形后的金属，当加热到稍低于再结晶温度时，通过原子的扩散会减少晶体的缺陷，降低晶体的畸变能，从而减小内应力；但是不出现新的晶粒，金属仍保留加工硬化和各向异性，这就是金属的回复。这样的热处理称为去应力退火。

　　变形量和塑性 　塑性变形变形量的大小，常依变形方式的不同用不同的指标来表示。有的用坯料变形前后截面积的变化表示，有的用某一方向长度的变化表示，扭转时用转角的大小表示。镦粗和压缩的变形量在工程上常用压缩率表示。如坯料原始高H 0，镦粗后高H1（图2），则压下量△H＝H 0－H 1，压缩率为

　　金属在锻压过程中所能承受的变形量有一定的限值。金属能承受较大的变形量而不破裂的性能称为塑性。金属的塑性可由实验测定(见锻造性能试验)。金属塑性的好坏与化学成分、内部组织结构、变形温度和速度、变形方式等因素有关。纯金属和合金元素低的金属（如铝、紫铜、低碳钢等）塑性好，高合金和含杂质多的金属塑性差。一般金属在低温时塑性差，高温时塑性好。金属的塑性还与变形方式有关，例如在自由锻镦粗时，坯料的周围向外凸出，材料受拉应力，金属的塑性低，容易开裂。挤压时，坯料三向受压，金属的塑性高。在很小的变形下就开裂的金属称为脆性材料，如铸铁。脆性材料通常不宜锻压加工。
　　变形力 　在锻压过程中，坯料内部一般处于三向应力状态。开始塑性变形的应力不是由某一方向的应力单独确定的。用1、2、3代表坯料内任意一点单元体上三个相互垂直方向的主应力(图3)，实验表明，如要这个单元体发生塑性变形，则三个主应力所引起的弹性畸变能应达到一定值。它的数学表达式为

式中Y为金属的变形抗力，由抗拉试验或抗压试验测定。上式表示金属坯料内任意一点开始塑性变形时三个方向主应力所应达到的条件，称为屈服准则。在锻压过程中，坯料内某些面上各点都会发生塑性变形，这时所加的外力称为变形力。

　　影响变形力P 的主要因素有4个，即

式中Y为金属的静载变形抗力，它与化学成分、温度、变形过程等有关。低碳钢的变形抗力低，高合金钢的变形抗力高；低温时变形抗力高，高温时变形抗力低；室温下的退火金属在开始锻压时变形抗力低，经过变形产生加工硬化后变形抗力增高。A为锻件加力方向的横截面积。α1为应变速率系数。在慢速的液压机上锻压时，α1=1～1.5；在应变速率高的锻锤上锻压时，α1埍3。α2为多余功系数，它与变形方式有关，例如自由锻时坏料侧表面不受约束，α 2=1～2.5；模锻和挤压时，金属的流动受模膛约束，α2=2.5～6。另外，模膛表面的粗糙度和润滑状况也有影响，锻模表面光洁且有良好的润滑时α 2较小；模具表面粗糙且没有润滑时，α 2较大。