塑性變形的定義：
金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。
金屬材料塑性變形對使用性能和加工性能的影響
抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復的塑性變形；
塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過(guò)程中，人們希望它易于加工變形。
塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀(guān)性能。
塑性加工包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。
金屬塑性變形形式有冷變形、熱變形和溫變形。
冷變形是指在再結晶溫度以下的變形。變形后具有明顯的加工硬化現象(冷變形強化)。
如冷擠壓、冷軋、冷沖壓等。
熱變形是指在再結晶溫度以上的變形。在其變形過(guò)程中，其加工硬化隨時(shí)被再結晶所消除。因而，在此過(guò)程中表現不出加工硬化現象。
如熱軋、熱鍛、熱擠壓等。
溫變形是指介于冷、熱變形之間的變形，加工硬化和再結晶同時(shí)存在。
如：溫鍛、溫擠壓等。
塑性變形的微觀(guān)形式
一、晶內的塑性變形基本方式：滑移和孿生。
1.滑移
晶體在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動(dòng)叫滑移。
滑移是在切應力作用下發(fā)生的：當切應力超過(guò)彈性極限，晶體上下部分產(chǎn)生相對滑移。當應力足夠大，晶體就會(huì )發(fā)生斷裂。
滑移的結果是使晶體表面形成臺階，產(chǎn)生滑移線(xiàn)和滑移帶。
晶體中易發(fā)生滑移的晶面和晶向稱(chēng)為滑移面和滑移方向。
晶體滑移大多優(yōu)先發(fā)生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向對滑移所起的作用比滑移面作用大；
面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。
塑性對比：面心立方>體心立方>密排六方。
2. 孿生變形
在切應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過(guò)程。發(fā)生切變后位向改變的一部分晶體稱(chēng)為孿晶；孿晶與未變形部分晶體原子分布對稱(chēng)。
孿生變形的特征：
孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生；滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發(fā)生孿生；體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時(shí)才發(fā)生孿生。
滑移與孿生的區別：
晶格取向：滑移前后晶格方向不變，孿生后晶格方向發(fā)生變化；
發(fā)生條件：孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。
二、晶間變形，晶粒間的相對滑動(dòng)和轉動(dòng)
工程上使用的金屬絕大部分是多晶體；多晶體中每個(gè)晶粒的變形基本方式與單晶體相同；多晶體材料中，各個(gè)晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復雜得多。
1. 晶界的影響
晶界上原子排列不很規則,阻礙位錯的運動(dòng), 使變形抗力增大；金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度和塑性就越大。細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。
2.變形的不均勻性
晶粒的位向不同，變形有先后；隨著(zhù)外力的增加，滑移是分批逐次進(jìn)行的。應力分布有變化，造成不均勻變形。
三、合金的塑性變形
合金的組成相為固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子會(huì )造成晶格畸變，增加滑移抗力，產(chǎn)生固溶強化，塑性變形能力降低。溶質(zhì)原子常常分布在位錯附近，降低了位錯附近的晶格畸變，使位錯易動(dòng)性減小，形變抗力增加，強度升高。
冷塑性變形對金屬組織和性能的影響
一、金屬組織的變化
1.晶粒發(fā)生變形
金屬發(fā)生塑性變形后, 晶粒發(fā)生變形, 沿形變方向被拉長(cháng)或壓扁。當變形量很大時(shí), 晶粒變成細條狀(拉伸時(shí)), 金屬中的夾雜物和第二相也被拉長(cháng), 形成纖維組織。
塑性變形中的組織變化
2.冷變形亞結構形成
金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí)，由于位錯的密度增大并發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區， 并相互纏結， 形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊， 從而在晶粒內產(chǎn)生亞結構（亞晶粒）。
3.冷變形形變織構
在塑性變形中，隨著(zhù)變形大程度的增加，各個(gè)晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉動(dòng)，使各晶粒的位向呈現一定程度的規律性，這一現象稱(chēng)為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱(chēng)為形變織構。
按照產(chǎn)品外形，變形織構可分為：絲織構和板織構。
絲織構：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后,其（100）平行于拔絲方向;
板織構：各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構為{001}（110）。
二、對金屬性能的影響
1.形變強化
金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著(zhù)提高，塑性和韌性明顯下降，這種現象稱(chēng)為加工硬化，也叫形變強化或冷作硬化。
在生產(chǎn)中可通過(guò)冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。
金屬發(fā)生塑性變形時(shí), 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結, 造成位錯運動(dòng)阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。晶粒破碎細化, 使強度得以提高。（細晶效應）
加工硬化是金屬材料五大強化手段之一；在生產(chǎn)中可通過(guò)冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。特別是對于純金屬和不能熱處理強化的材料，冷變形加工是強化它們的主要手段。
金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個(gè)工件上，而不致于集中在某些局部而導致最終斷裂。
構件在使用過(guò)程中，往往不可避免地會(huì )某些部位出現應力集中和過(guò)載現象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過(guò)載部位在產(chǎn)生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到平衡，變形就不會(huì )繼續發(fā)展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。
2.產(chǎn)生各向異性
纖維組織和變形織構的形成,使金屬產(chǎn)生各向異性； 沿纖維方向的強度和塑性高于垂直方向。有織構的板材沖制筒形零件時(shí),由于各方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現“制耳”。
但是，變壓器用硅鋼片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生產(chǎn)中通過(guò)軋制可獲得具有（110）[001]織構和磁化性能優(yōu)異的硅鋼片。
在冷變形過(guò)程中不發(fā)生軟化過(guò)程的愈合作用，因滑移（位錯的運動(dòng)及其受阻、雙滑移、交叉滑移等），孿晶等過(guò)程的復雜作用以及各晶粒所產(chǎn)生的相對轉動(dòng)與移動(dòng)，造成了在晶粒內部及晶粒間界處出現一些顯微裂紋、空洞等缺陷使金屬密度減少，是造成金屬顯微裂紋的根源。
3.產(chǎn)生殘余內應力
塑性變形中外力所作的功除大部分轉化成熱外，還有一小部分以畸變能的形式存儲在材料內部，這部分存儲能的具體表現方式為：宏觀(guān)殘余應力、微觀(guān)殘余應力、點(diǎn)陣畸變。
金屬經(jīng)塑性變形后的殘余應力是不可避免的，這對工件的變形、開(kāi)裂和應力腐蝕產(chǎn)生影響和危害。
金屬塑性變形后的殘余應力，可以通過(guò)去應力退火來(lái)消除；例如：經(jīng)拉延成型的黃銅彈殼在280℃左右進(jìn)行去應力退火，以避免變形和應力腐蝕。
殘余應力的應用：有意控制殘余應力的分布，使其與工作應力方向相反，可以提高工件的力學(xué)性能，如車(chē)架承重板簧。
4.對物理性能的影響
密度、導熱、導電、導磁性下降。晶間物質(zhì)的破壞使晶粒直接接觸、晶粒位向有序化、晶間出現了顯微裂紋、裂口、空洞等缺陷致使金屬的密度降低。
原子脫離其平衡位置，位錯密度的增加
化學(xué)活性增加，電極電位提高，耐腐蝕性下降結構缺陷多，自由焓升高，擴散速度快。
冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化
金屬冷變形使材料內部空位、位錯等結構缺陷密度增加，畸變能升高，使其處于熱力學(xué)不穩定的高自由能狀態(tài)。因此材料具有自發(fā)恢復到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢。當冷變形金屬加熱時(shí)會(huì )發(fā)生回復、再結晶和晶粒長(cháng)大等過(guò)程。
1.回復
變形后金屬在較低溫度加熱，發(fā)生回復過(guò)程。
晶粒內部位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯變化；實(shí)際應用：對變形金屬進(jìn)行去應力退火、降低殘余內應力，保留加工硬化效果。
2、再結晶
變形后的金屬在較高溫度加熱時(shí)，被拉長(cháng)（或壓扁）、破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(cháng)大變成新的均勻、細小的等軸晶，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為再結晶。只有經(jīng)過(guò)塑性變形的金屬才會(huì )發(fā)生再結晶。
再結晶對金屬組織、性能的影響
變形金屬再結晶后，強度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現象被消除，內應力全部消失；物理、化學(xué)性能基本上恢復到變形以前的水平。
再結晶生成的新的晶粒的晶格類(lèi)型與變形前、變形后的晶格類(lèi)型均一樣。
再結晶溫度
再結晶溫度是一溫度范圍，并非一恒定溫度；
再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再)：用經(jīng)過(guò)嚴重冷塑性變形的金屬,經(jīng)1小時(shí)加熱后能完全再結晶的最低溫度來(lái)表示。最低再結晶溫度：
T再=0.4T熔點(diǎn)
式中溫度單位為絕對溫度(K)。
再結晶溫度影響因素：
1)變形程度
2)金屬純度 ：純度越高,最低再結晶溫度也就越低
3）加熱速度
再結晶是一擴散過(guò)程,需一定時(shí)間才能完成；提高加熱速度會(huì )使再結晶在較高溫度下發(fā)生；原始晶粒越粗大,再結晶溫度越高。
晶粒長(cháng)大及影響再結晶后晶粒大小的因素
加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(cháng)，晶粒會(huì )長(cháng)大，得到粗大晶粒，使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能顯著(zhù)降低。
影響再結晶后晶粒大小的因素：
1）加熱溫度和保溫時(shí)間
2）變形度
3）加熱速度
在回復階段，各材料釋放的存儲能量均較小，再結晶晶粒出現的溫度對應于儲能釋放曲線(xiàn)的高峰處。
冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能變化
金屬的熱加工及其對組織、性能影響
鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結晶溫度以上發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結晶；塑性變形引起的加工硬化隨即消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。
熱加工與冷加工的區別
熱加工和冷加工不是根據變形時(shí)是否加熱來(lái)區分，而是根據變形時(shí)的溫度處于金屬的再結晶溫度以上還是以下來(lái)劃分。
熱加工：在再結晶溫度以上的塑性變形加工。
冷加工：在再結晶溫度以下的塑性變形加工。
一、熱變形主要機理
1.晶內滑移
在通常條件下，熱變形的主要機理是晶內滑移。這是由于高溫時(shí)原子間距增大，原子的熱振動(dòng)及擴散速度增加，位錯的滑移、攀移、交滑移及位錯結點(diǎn)脫錨比低溫時(shí)來(lái)得容易，滑移系增多，滑移的靈活性提高，改善了各晶粒之間變形的協(xié)調性，晶界對位錯運動(dòng)的阻礙作用減弱。
2.晶界滑移
熱塑性變形時(shí)，由于晶界強度低于晶內，使得晶界滑動(dòng)容易進(jìn)行，又由于熱增加擴散作用，及時(shí)消除晶界滑動(dòng)所引起的破壞。因此，與冷變形相比，晶界滑動(dòng)的變形量要大。三向壓應力的作用會(huì )通過(guò)塑性粘焊效應及時(shí)修復高溫晶界滑移所產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生較大的晶間變形。
盡管如此，在常規的熱變形條件下，晶界滑動(dòng)相對于晶內滑移變形量還是小的。只有在微細晶粒的超塑性變形條件下，晶界滑動(dòng)機理才起主要作用，并且晶界滑動(dòng)是在擴散蠕變調節下進(jìn)行的。
3.擴散性蠕變
擴散性蠕變是在應力場(chǎng)作用下，由空位的定向移動(dòng)所引起的。在應力場(chǎng)作用下，受拉應力晶界的空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化學(xué)勢能差，引起空位的定向移動(dòng)，即空位從垂直于拉應力的晶界放出，而被平行于拉應力的晶界所吸收。按擴散途徑的不同，可分為晶內擴散和晶界擴散。晶內擴散引起晶粒在拉應力方向上的伸長(cháng)變形，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴散引起晶粒的“轉動(dòng)”。
擴散性蠕變即使在低應力誘導下，也會(huì )隨時(shí)間的延續而不斷地發(fā)生，只不過(guò)進(jìn)行的速度很緩慢。溫度越高、晶粒越細和應變速率越低，擴散蠕變所起的作用就越大。這是因為溫度越高，原子的動(dòng)能和擴散能力就越大；晶粒越細，則意味著(zhù)有越多的晶界和原子擴散的路程越短；而應變速率越低，表明有更充足的時(shí)間進(jìn)行擴散。在回復溫度以下的塑性變形，這種變形機理所起的作用不明顯，只在很低的應變速率下才有考慮的必要，而在高溫下的塑性變形，特別是在超塑性變形和等溫鍛造中，這種擴散性蠕變則起著(zhù)非常重要的作用。
溫度高（能量大），晶粒細（路程短），應變速率低（時(shí)間多）擴散蠕變作用大。
熱塑性變形中的軟化過(guò)程
二、熱變形對金屬組織的影響
1.加工流線(xiàn)
熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動(dòng)方向被拉長(cháng)，形成纖維組織(或稱(chēng)“流線(xiàn)”)，使金屬的力學(xué)性能特別是塑性和韌性具有方向性，縱向上的性能顯著(zhù)大于橫向上的。因此熱加工時(shí)應力求工件流線(xiàn)分布合理。
鍛造曲軸的合理流線(xiàn)分布，可保證曲軸工作時(shí)所受的最大拉應力與流線(xiàn)一致，而外加剪切應力或沖擊力與流線(xiàn)垂直，使曲軸不易斷裂。
2.帶狀組織
復相合金中的各個(gè)相，在熱加工時(shí)沿著(zhù)變形方向交替呈帶狀分布的組織。往往是由于枝晶偏析或夾雜物在壓力加工過(guò)程中被拉長(cháng)所造成的。鋼中的鐵素體或滲碳體以伸長(cháng)的雜質(zhì)為核心形核，形成帶狀組織。
缺點(diǎn)：
導致材料的各向異性
避免在兩相區變形；
減少夾雜元素含量；
采用高溫擴散退火或正火可以消除帶狀組織。
3.網(wǎng)狀組織
鋼材內部缺陷之一，表現為熱加工的鋼材冷卻后沿奧氏體晶界析出的過(guò)剩碳化物(指過(guò)共析鋼等)或鐵素體(指亞共析鋼)形成的網(wǎng)狀結構。組織晶粒粗大，塑性和沖擊韌性嚴重下降?？刂萍訜釡囟?，提高塑性加工時(shí)的壓縮比，控制冷卻速度，或正火熱處理，均可改善或減輕網(wǎng)狀碳化物組織。
4，改善組織，提高性能，
改造鑄態(tài)組織：壓縮（焊合）鑄態(tài)金屬的組織的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷。
細化晶粒：軋制破壞粗大柱狀晶、樹(shù)枝晶，通過(guò)熱變形與再結晶形成細小等軸晶粒，甚至亞晶組織。
破碎夾雜物：破碎夾雜物和第二相并改變它們的分布狀態(tài)，有效改善材料性能。
三、低應變速率下熱變形
1.超塑性
指材料在一定的內部條件和外部條件下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現象。超塑性的特點(diǎn)有大延伸率，無(wú)縮頸，小應力，易成形。
實(shí)現條件：一定的變形溫度；低的應變速率；細小晶粒
本質(zhì)：晶界的轉動(dòng)；晶粒的轉動(dòng) 。
分類(lèi)：極細等軸晶粒（直徑五微米以下）下超塑性稱(chēng)為超細晶粒超塑性；通過(guò)組織中發(fā)生相轉變，在相變點(diǎn)附近加工完成超塑性，稱(chēng)為相變超塑性。
優(yōu)點(diǎn)：無(wú)晶內滑移無(wú)位錯密度升高；長(cháng)時(shí)間晶粒微略長(cháng)大但保持等軸；帶狀分布合金可均勻化等。
缺點(diǎn)：加工時(shí)間較長(cháng)。
2.蠕變
構件在工作溫度及恒定壓力作用下（通常<σs），發(fā)生緩慢而又連續的塑性流變現象。
機制：位錯蠕變；擴散蠕變；晶界滑動(dòng)蠕變。
研究蠕變行為對于高溫條件下使用的材料（航空發(fā)動(dòng)機、高壓蒸汽鍋爐、大型化工設備等）具有重要工程意義。
冷和熱變形的對比
冷變形性能變化是單向的
熱變形性能變化是雙向的：不顯現加工硬化
冷變形屬加工硬化；熱變形屬細晶強化
冷變形強度提高，但塑韌性嚴重下降；而熱變形各方面性能均有所提升
冷變形晶體可能被破壞，晶內、晶界可能產(chǎn)生微裂紋，甚至宏觀(guān)裂紋，此外還有殘余應力
熱變形不易產(chǎn)生織構
冷變形組織和性能一般更均勻(加工工件本身決定)
冷加工尺寸精度更高，表面光潔度更好
特殊應用：
冷變形---純金屬/奧氏體鋼加工硬化
熱變形---超塑性
End
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