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的那部分變形。材料在外力作用下產(chǎn)生應力和應變（即變形）。當應力未超過材料的彈性極限時，產(chǎn)生的變形在外力去除后全部消除，材料恢復原狀，這種變形是可逆的彈性變形。當應力超過材料的彈性極限，則產(chǎn)生的變形在外力去除后不能全部恢復，而殘留一部分變形，材料不能恢復到原來的形狀，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。這類利用塑性變形而使材料成形的加工方法，統(tǒng)稱為塑性加工。

　　機理 　
       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)會存在各種缺陷。原子排列的線性參差稱為位錯。由于位錯的存在，晶體在受力后原子容易沿位錯線運動，降低晶體的變形抗力。通過位錯運動的傳遞，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，很多原子平面的滑移形成滑移帶，很多滑移帶集合起來就成為可見的變形。孿晶是晶粒一部分相對于一定的晶面沿一定方向相對移動，這個晶面稱為孿晶面。原子移動的距離和孿晶面的距離成正比。兩個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)的過渡區(qū)。晶粒越細，單位體積中的晶界面積越大，有利于晶間的移動和轉(zhuǎn)動。某些金屬在特定的細晶結(jié)構(gòu)條件下，通過晶粒邊界變形可以發(fā)生高達 300～3000％的延伸率而不破裂。

　　對金屬組織和性能的影響
   　金屬在室溫下的塑性變形，對金屬的組織和性能影響很大，常會出現(xiàn)加工硬化、內(nèi)應力和各向異性等現(xiàn)象。
　　加工硬化 　塑性變形引起位錯增殖，位錯密度增加，不同方向的位錯發(fā)生交割，位錯的運動受到阻礙，使金屬產(chǎn)生加工硬化。加工硬化能提高金屬的硬度、強度和變形抗力，同時降低塑性，使以后的冷態(tài)變形困難。
　　內(nèi)應力 　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，各部分的彈性恢復也不會完全一樣，這就使金屬體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應力，即殘余應力。殘余應力降低零件的尺寸穩(wěn)定性，增大應力腐蝕的傾向。
　　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和扭曲。當變形量很大(如70％或更大)而且是沿著一個方向時，晶粒內(nèi)原子排列的位向趨向一致，同時金屬內(nèi)部存在的夾雜物也被沿變形方向拉長形成纖維組織，使金屬產(chǎn)生各向異性。沿變形方向的強度、塑性和韌性都比橫向的高。當金屬在熱態(tài)下變形，由于發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒的取向會不同程度地偏離變形方向，但夾雜物拉長形成的纖維方向不變，金屬仍有各向異性。
　　再結(jié)晶和回復 　經(jīng)過冷變形的金屬，如加熱到一定溫度并保持一定的時間，原子的激活能增加到足夠的活動力時，便會出現(xiàn)新的晶核，并成長為新的晶粒，這種現(xiàn)象稱為再結(jié)晶。經(jīng)過再結(jié)晶處理后，冷變形引起的晶粒畸變以及由此引起的加工硬化、殘余應力等都會完全消除。
　　再結(jié)晶溫度 　通常以經(jīng)一小時保溫完成再結(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，按絕對溫度(K)計大約相當于該金屬熔點的40～50％。 低碳鋼的再結(jié)晶溫度約460℃。當變形程度較小時，在再結(jié)晶過程中，尤其是當溫度偏高時，再結(jié)晶的晶粒特別粗大。因此如要晶粒細小，金屬材料在再結(jié)晶處理前會有較大的變形量。
　　再結(jié)晶溫度對金屬材料的塑性加工非常重要。在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性加工和變形稱為熱加工和熱變形；在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性加工和變形稱為冷加工和冷變形。熱變形時，金屬材料在變形過程中不斷地發(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)應力。
　　回復 　冷變形后的金屬，當加熱到稍低于再結(jié)晶溫度時，通過原子的擴散會減少晶體的缺陷，降低晶體的畸變能，從而減小內(nèi)應力；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。這樣的熱處理稱為去應力退火。

　　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來表示。有的用坯料變形前后截面積的變化表示，有的用某一方向長度的變化表示，扭轉(zhuǎn)時用轉(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為塑性。金屬的塑性可由實驗測定(見鍛造性能試驗)。金屬塑性的好壞與化學成分、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。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。一般金屬在低溫時塑性差，高溫時塑性好。金屬的塑性還與變形方式有關，例如在自由鍛鐓粗時，坯料的周圍向外凸出，材料受拉應力，金屬的塑性低，容易開裂。擠壓時，坯料三向受壓，金屬的塑性高。在很小的變形下就開裂的金屬稱為脆性材料，如鑄鐵。脆性材料通常不宜鍛壓加工。
　　變形力 　在鍛壓過程中，坯料內(nèi)部一般處于三向應力狀態(tài)。開始塑性變形的應力不是由某一方向的應力單獨確定的。用1、2、3代表坯料內(nèi)任意一點單元體上三個相互垂直方向的主應力(圖3)，實驗表明，如要這個單元體發(fā)生塑性變形，則三個主應力所引起的彈性畸變能應達到一定值。它的數(shù)學表達式為

式中Y為金屬的變形抗力，由抗拉試驗或抗壓試驗測定。上式表示金屬坯料內(nèi)任意一點開始塑性變形時三個方向主應力所應達到的條件，稱為屈服準則。在鍛壓過程中，坯料內(nèi)某些面上各點都會發(fā)生塑性變形，這時所加的外力稱為變形力。

　　影響變形力P 的主要因素有4個，即

式中Y為金屬的靜載變形抗力，它與化學成分、溫度、變形過程等有關。低碳鋼的變形抗力低，高合金鋼的變形抗力高；低溫時變形抗力高，高溫時變形抗力低；室溫下的退火金屬在開始鍛壓時變形抗力低，經(jīng)過變形產(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為應變速率系數(shù)。在慢速的液壓機上鍛壓時，α1=1～1.5；在應變速率高的鍛錘上鍛壓時，α1埍3。α2為多余功系數(shù)，它與變形方式有關，例如自由鍛時壞料側(cè)表面不受約束，α 2=1～2.5；模鍛和擠壓時，金屬的流動受模膛約束，α2=2.5～6。另外，模膛表面的粗糙度和潤滑狀況也有影響，鍛模表面光潔且有良好的潤滑時α 2較?。荒＞弑砻娲植谇覜]有潤滑時，α 2較大。