塑性變形對材料組織與性能的影響

晶體發(fā)生塑性變形后，不僅其外形發(fā)生了變化，其內(nèi)部組織以及各種性能也都發(fā)生了變化。

01

顯微組織的變化

經(jīng)塑性變形后，金屬材料的顯微組織發(fā)生了明顯的改變，各晶粒中除了出現(xiàn) 大量的滑移帶、孿晶帶以外，其晶粒形狀也會發(fā)生變化，隨著變形量的逐步增加，原來的等軸晶粒逐漸沿變形方向被拉長，當(dāng)變形量很大時，晶粒已變成纖維狀。

變形量很大時，晶粒拉長，出現(xiàn)纖維組織

02

亞結(jié)構(gòu)的變化

? 金屬晶體在塑性變形的同時，位錯密度迅速提高 。

? 經(jīng)塑性變形后，多數(shù)金屬晶體中的位錯分布不均勻，當(dāng)形變量較小時，形成位錯纏結(jié)結(jié)構(gòu)。

? 當(dāng)變形量繼續(xù)增加時，大量位錯發(fā)生聚集，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊 , 產(chǎn)生亞晶粒，即形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。

? 冷變形過程中形成亞結(jié)構(gòu)是許多金屬（例如銅、鐵、鉬、鎢、鉭、鈮等）普遍存在的現(xiàn)象。

? 一般認(rèn)為亞結(jié)構(gòu)對金屬的加工硬化起重要作用，由于各晶塊的方位不同，其邊界又為大量位錯纏結(jié)，對晶內(nèi)的進一步滑移起阻礙作用。因此，亞結(jié)構(gòu)可提高金屬和合金的強度。

? 利用亞晶來強化金屬材料是措施之一。

研究表明，胞狀亞結(jié)構(gòu)的形成與否與材料的層錯能有關(guān)，一般來說，高層錯能晶體易形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。而低層錯能晶體形成這種結(jié)構(gòu)的傾向較小。

這是由于對 層錯能高的金屬而言，在變形過程中，位錯不易分解，在遇到阻礙時，可以通過交滑移繼續(xù)運動，直到與其它位錯相遇纏結(jié)，從而形成位錯聚集區(qū)域（胞壁）和少位錯區(qū)域（胞內(nèi)）。

層錯能低的金屬由于其位錯易分解，形成擴展位錯，不易交滑移，其運動性差，因而通常只形成分布較均勻的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

03

性能的變化

? （ 1 ）加工硬化（形變強化）

? 金屬發(fā)生塑性變形 , 隨變形度增大 , 金屬的強度和硬度顯著升高 , 塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。

冷軋對銅及鋼性能的影響

強度指標(biāo)增加、塑性指標(biāo)下降 。

金屬的加工硬化特性可以從其應(yīng)力－應(yīng)變曲線上反映出來。圖是單晶體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，單晶體的塑性變形可劃分為三個階段描述：

第 I 階段，當(dāng)切應(yīng)力達到晶體的臨界分切應(yīng)力值時，滑移首先從一個滑移系中開始，由于位錯運動所受的阻礙很小，因此該階段稱為易滑移階段。此階段加工硬化率低。

? 第 II 階段，滑移在幾組相交的滑移面中發(fā)生，由于運動位錯之間的交互作用，形成不利于滑移的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在相交滑移面上形成割階扭折、固定為錯，位錯運動變得非常困難，故該階段稱為線性硬化階段。加工硬 化現(xiàn)象顯著。

? 第 III 階段，在應(yīng)力進一步增高的條件下，已產(chǎn)生的滑移障礙將逐漸被克服，并通過交滑移的方式繼續(xù)進行變形。由于該段曲線呈拋物線變化，故稱為拋物線型硬化階段。

? 而各種晶體由于其結(jié)構(gòu)類型、取向、雜質(zhì)含量以及試驗溫度等因素的影響，實際曲線有所改變 。

? 具有低層錯能的銅顯示了典型的應(yīng)力－應(yīng)變曲線持征；而具有高層錯能的鋁，則由于其位錯不易擴展，容易交滑移，故應(yīng)力－應(yīng)變曲線的第 III 階段開始較早，第 II 階段極短 。

? 晶體中的雜質(zhì)可使應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線的硬化系數(shù)有所增大，曲線第 I 階段將隨雜質(zhì)含量的增加而縮短，甚至消失。

在體心立方純金屬鈮中，微量的間隙原子 (C 、 N 、 0 等 ) ，由于會發(fā)生與位錯的交互作用而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，從而使曲線第一階段幾乎消失。

密排六方純金屬鎂由于只沿一組相平行的滑移面作單系滑移，位錯的交截作用很弱，故第 1 階段曲線很長，以至幾乎第 II 階段還沒充分發(fā)展時試樣就已經(jīng)斷裂了。

多晶體的塑性變形由于晶界的阻礙作用和晶粒之間的協(xié)調(diào)配合作用，各晶粒不可能以單一滑移系動作，而必然有多組滑移系同時作用，因此多晶體的應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線不會出現(xiàn)單晶體曲線的第 1 階段，而且其硬化曲線更陡。

? 塑性變形過程中位錯密度的不斷增加極其所產(chǎn)生的釘扎作用是導(dǎo)致加工硬化的決定性因素。

? 加工硬化現(xiàn)象作為變形金屬的一種強化方式，有其實際應(yīng)用意義，如許多不能通過熱處理強化的金屬材料，可以利用冷變形加工同時實現(xiàn)成形與強化的目的。

例如對于工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅導(dǎo)線，由于要求導(dǎo)電性好，不允許加合金元素，加工硬化是提高強度的唯一方法。

審核編輯：黃飛