鋼鐵材料的塑性變形

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  材料在外力作用下產(chǎn)生而在外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形。材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變（即變形）。當(dāng)應(yīng)力未超過(guò)材料的彈性極限時(shí)，產(chǎn)生的變形在外力去除后全部消除，材料恢復(fù)原狀，這種變形是可逆的彈性變形。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的彈性極限，則產(chǎn)生的變形在外力去除后不能全部恢復(fù)，而殘留一部分變形，材料不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀，這種殘留的變形是不可逆的塑性變形。在鍛壓、軋制、拔制等加工過(guò)程中，產(chǎn)生的彈性變形比塑性變形要小得多，通常忽略不計(jì)。這類(lèi)利用塑性變形而使材料成形的加工方法，統(tǒng)稱(chēng)為塑性加工。

　　機(jī)理 　
       固態(tài)金屬是由大量晶粒組成的多晶體，晶粒內(nèi)的原子按照體心立方、面心立方或緊密六方等方式排列成有規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)。由于多種原因，晶粒內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)會(huì)存在各種缺陷。原子排列的線性參差稱(chēng)為位錯(cuò)。由于位錯(cuò)的存在，晶體在受力后原子容易沿位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)，降低晶體的變形抗力。通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的傳遞，原子的排列發(fā)生滑移和孿晶（圖1）?；剖且徊糠志ЯＱ卦优帕凶罹o密的平面和方向滑動(dòng)，很多原子平面的滑移形成滑移帶，很多滑移帶集合起來(lái)就成為可見(jiàn)的變形。孿晶是晶粒一部分相對(duì)于一定的晶面沿一定方向相對(duì)移動(dòng)，這個(gè)晶面稱(chēng)為孿晶面。原子移動(dòng)的距離和孿晶面的距離成正比。兩個(gè)孿晶面之間的原子排列方向改變，形成孿晶帶?；坪蛯\晶是低溫時(shí)晶粒內(nèi)塑性變形的兩種基本方式。

　　多晶體的晶粒邊界是相鄰晶粒原子結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)。晶粒越細(xì)，單位體積中的晶界面積越大，有利于晶間的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。某些金屬在特定的細(xì)晶結(jié)構(gòu)條件下，通過(guò)晶粒邊界變形可以發(fā)生高達(dá) 300～3000％的延伸率而不破裂。

　　對(duì)金屬組織和性能的影響
   　金屬在室溫下的塑性變形，對(duì)金屬的組織和性能影響很大，常會(huì)出現(xiàn)加工硬化、內(nèi)應(yīng)力和各向異性等現(xiàn)象。
　　加工硬化 　塑性變形引起位錯(cuò)增殖，位錯(cuò)密度增加，不同方向的位錯(cuò)發(fā)生交割，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，使金屬產(chǎn)生加工硬化。加工硬化能提高金屬的硬度、強(qiáng)度和變形抗力，同時(shí)降低塑性，使以后的冷態(tài)變形困難。
　　內(nèi)應(yīng)力 　塑性變形在金屬體內(nèi)的分布是不均勻的，所以外力去除后，各部分的彈性恢復(fù)也不會(huì)完全一樣，這就使金屬體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力降低零件的尺寸穩(wěn)定性，增大應(yīng)力腐蝕的傾向。
　　各向異性 　金屬經(jīng)冷態(tài)塑性變形后，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶或?qū)\晶帶。各晶粒還沿變形方向伸長(zhǎng)和扭曲。當(dāng)變形量很大(如70％或更大)而且是沿著一個(gè)方向時(shí)，晶粒內(nèi)原子排列的位向趨向一致，同時(shí)金屬內(nèi)部存在的夾雜物也被沿變形方向拉長(zhǎng)形成纖維組織，使金屬產(chǎn)生各向異性。沿變形方向的強(qiáng)度、塑性和韌性都比橫向的高。當(dāng)金屬在熱態(tài)下變形，由于發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒的取向會(huì)不同程度地偏離變形方向，但夾雜物拉長(zhǎng)形成的纖維方向不變，金屬仍有各向異性。
　　再結(jié)晶和回復(fù) 　經(jīng)過(guò)冷變形的金屬，如加熱到一定溫度并保持一定的時(shí)間，原子的激活能增加到足夠的活動(dòng)力時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)新的晶核，并成長(zhǎng)為新的晶粒，這種現(xiàn)象稱(chēng)為再結(jié)晶。經(jīng)過(guò)再結(jié)晶處理后，冷變形引起的晶?；円约坝纱艘鸬募庸び不?、殘余應(yīng)力等都會(huì)完全消除。
　　再結(jié)晶溫度 　通常以經(jīng)一小時(shí)保溫完成再結(jié)晶的溫度為金屬的再結(jié)晶溫度。各種金屬的再結(jié)晶溫度，按絕對(duì)溫度(K)計(jì)大約相當(dāng)于該金屬熔點(diǎn)的40～50％。 低碳鋼的再結(jié)晶溫度約460℃。當(dāng)變形程度較小時(shí)，在再結(jié)晶過(guò)程中，尤其是當(dāng)溫度偏高時(shí)，再結(jié)晶的晶粒特別粗大。因此如要晶粒細(xì)小，金屬材料在再結(jié)晶處理前會(huì)有較大的變形量。
　　再結(jié)晶溫度對(duì)金屬材料的塑性加工非常重要。在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性加工和變形稱(chēng)為熱加工和熱變形；在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性加工和變形稱(chēng)為冷加工和冷變形。熱變形時(shí)，金屬材料在變形過(guò)程中不斷地發(fā)生再結(jié)晶，不引起加工硬化，假如緩慢地冷卻，也不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。
　　回復(fù) 　冷變形后的金屬，當(dāng)加熱到稍低于再結(jié)晶溫度時(shí)，通過(guò)原子的擴(kuò)散會(huì)減少晶體的缺陷，降低晶體的畸變能，從而減小內(nèi)應(yīng)力；但是不出現(xiàn)新的晶粒，金屬仍保留加工硬化和各向異性，這就是金屬的回復(fù)。這樣的熱處理稱(chēng)為去應(yīng)力退火。

　　變形量和塑性 　塑性變形變形量的大小，常依變形方式的不同用不同的指標(biāo)來(lái)表示。有的用坯料變形前后截面積的變化表示，有的用某一方向長(zhǎng)度的變化表示，扭轉(zhuǎn)時(shí)用轉(zhuǎn)角的大小表示。鐓粗和壓縮的變形量在工程上常用壓縮率表示。如坯料原始高H 0，鐓粗后高H1（圖2），則壓下量△H＝H 0－H 1，壓縮率為

　　金屬在鍛壓過(guò)程中所能承受的變形量有一定的限值。金屬能承受較大的變形量而不破裂的性能稱(chēng)為塑性。金屬的塑性可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定(見(jiàn)鍛造性能試驗(yàn))。金屬塑性的好壞與化學(xué)成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、變形溫度和速度、變形方式等因素有關(guān)。純金屬和合金元素低的金屬（如鋁、紫銅、低碳鋼等）塑性好，高合金和含雜質(zhì)多的金屬塑性差。一般金屬在低溫時(shí)塑性差，高溫時(shí)塑性好。金屬的塑性還與變形方式有關(guān)，例如在自由鍛鐓粗時(shí)，坯料的周?chē)蛲馔钩觯牧鲜芾瓚?yīng)力，金屬的塑性低，容易開(kāi)裂。擠壓時(shí)，坯料三向受壓，金屬的塑性高。在很小的變形下就開(kāi)裂的金屬稱(chēng)為脆性材料，如鑄鐵。脆性材料通常不宜鍛壓加工。
　　變形力 　在鍛壓過(guò)程中，坯料內(nèi)部一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)。開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力不是由某一方向的應(yīng)力單獨(dú)確定的。用1、2、3代表坯料內(nèi)任意一點(diǎn)單元體上三個(gè)相互垂直方向的主應(yīng)力(圖3)，實(shí)驗(yàn)表明，如要這個(gè)單元體發(fā)生塑性變形，則三個(gè)主應(yīng)力所引起的彈性畸變能應(yīng)達(dá)到一定值。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中Y為金屬的變形抗力，由抗拉試驗(yàn)或抗壓試驗(yàn)測(cè)定。上式表示金屬坯料內(nèi)任意一點(diǎn)開(kāi)始塑性變形時(shí)三個(gè)方向主應(yīng)力所應(yīng)達(dá)到的條件，稱(chēng)為屈服準(zhǔn)則。在鍛壓過(guò)程中，坯料內(nèi)某些面上各點(diǎn)都會(huì)發(fā)生塑性變形，這時(shí)所加的外力稱(chēng)為變形力。

　　影響變形力P 的主要因素有4個(gè)，即

式中Y為金屬的靜載變形抗力，它與化學(xué)成分、溫度、變形過(guò)程等有關(guān)。低碳鋼的變形抗力低，高合金鋼的變形抗力高；低溫時(shí)變形抗力高，高溫時(shí)變形抗力低；室溫下的退火金屬在開(kāi)始鍛壓時(shí)變形抗力低，經(jīng)過(guò)變形產(chǎn)生加工硬化后變形抗力增高。A為鍛件加力方向的橫截面積。α1為應(yīng)變速率系數(shù)。在慢速的液壓機(jī)上鍛壓時(shí)，α1=1～1.5；在應(yīng)變速率高的鍛錘上鍛壓時(shí)，α1埍3。α2為多余功系數(shù)，它與變形方式有關(guān)，例如自由鍛時(shí)壞料側(cè)表面不受約束，α 2=1～2.5；模鍛和擠壓時(shí)，金屬的流動(dòng)受模膛約束，α2=2.5～6。另外，模膛表面的粗糙度和潤(rùn)滑狀況也有影響，鍛模表面光潔且有良好的潤(rùn)滑時(shí)α 2較小；模具表面粗糙且沒(méi)有潤(rùn)滑時(shí)，α 2較大。