金属材料塑性变形中的组织结构演变与性能-刘清彬

金属材料塑性变形中的组织结构演变与性能一般情况下，金属材料的铸态组织的具有晶粒粗大、组织不均匀、成分偏析及组织疏松等缺陷，因此金属材料在冶炼浇注之后大多要经历塑性变形才能得到预期的工件。塑性变形除了能改变工件的形状和尺寸外，还会引起金属内部组织结构和性能的改变，从而对金属材料的力学性能产生不同的影响。金属在外力或环境因素的作用下，会发生不同程度的作用效应，宏观上表现为金属材料的变形和断裂。随着外力载荷的逐渐增加，先后发生弹性变形、弹-塑性变形（均匀和不均匀变形）以至缩颈、断裂。以低碳钢的应力-应变曲线为例进行分析（如图1所示），当应力低于材料弹性极限σe时，应力与试样的应变成正比，应力去除，变形消失，此时试样处于弹性变形阶段；当应力超过σe后，应力与应变不再成正比例关系，并出现屈服平台或屈服齿。卸载后只能部分恢复，仍保留一部分残余变形，即塑性变形，进入弹-塑性变形阶段；当应力超过σs后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若使试样的应变增大，则必须增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。当应力达到材料的抗拉强度σb时试样的均匀变形阶段结束，在σb值之后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降，最后应力达到σk时试样断裂。图1力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。常见的力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等，如屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等。其中强度指标包括比例极限与弹性极限、屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，材料在被拉伸过程先后出现弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段和断裂阶段；塑性指标是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力，包括断后伸长率和断面收缩率，塑性变形有利于缓和应力集中、削减应力峰的作用，防止材料因荷载过重而损坏；韧性指标包括冲击韧度和断裂韧度；硬度指标是金属材料在一定范围内抵抗弹性变形、塑性变形和断裂的能力，包括布氏硬度（压痕直径越小，数值越大，表示硬度越大）、洛氏硬度（压痕越浅，数值越高，表示硬度越大）、维氏硬度和肖氏硬度等，依据金属材料硬度的不同选取不同的硬度计进行测量。实际上，生活中所见到的很多金属材料都是多晶体，由于多晶体的塑性变形比较复杂，一般对于金属材料塑性变形过程的研究分析一般是从单晶体开始的。单晶体塑性变形的基本方式有两种，即滑移和孪生。滑移是金属塑性变形的最主要方式，即在外力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对位移，滑移只能在切应力作用下发生，将外力分解为切应力和正应力，切应力使晶格在外力弹性歪扭之后，进一步造成滑移；而正应力只能引起晶格的弹性伸长或直接将晶体拉断。滑移一般沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，因为最密排晶面间距和最密排晶向原子间距最大，此时原子结合力最小，需要外力提供的切向力不大。而决定金属晶体滑移能力的因素是晶体的滑移系数，滑移系数=滑移面数*滑移向数，如体心立方（a-Fe/Cr/W）滑移系数为12，面心立方为12(Cu/Al/Ag/An等)，密排六方晶格为3（Mg/Zn/Cd等），滑移系数愈大，金属滑移的可能性愈大，其塑性愈好，当滑移系数相同时，优先比较滑移向数，因此面心立方晶格的塑性比体心立方晶格高。当滑移面的法线、滑移方向和外力轴三者处于同于平面时，且滑移面的倾斜角为45度时取向因子为最大0.5，分切应力最大，最有利于发生滑移，称为软取向，当取向因子为0是，不能发生滑移，此时成为硬取向。过程虽然伴随着晶体的转动，但滑移前后晶格的点阵类型不变，变形部分晶体位向也不发生改变。孪生指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分晶体作均匀切变，在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与其距孪晶距离成正比，但切变不改变晶体的点阵类型，变形部分与未变形部分晶体以孪晶面为界面呈镜像分布。一般来说，孪生的临界分切应力比滑移的分切应力大很多，只有在滑移很难进行的情况下才发生孪生，故对于密排六方晶格由于其滑移系数小，常常是以孪生方式进行塑性变形的，而体心立方晶格多以滑移方式塑变，面心立方一般不发生孪生。由单晶体的塑性变形我们可以进一步认识多晶体塑变过程，多晶体有许多大小、方位和外形不同的晶粒组成塑变过程一般以滑移和孪生方式进行，由于晶界和周围晶粒的影响多晶体的塑性变形有以下特点：各晶粒变形不同时性（位置取向难易）、各晶粒变形的相互协调（彼此协调作用，依次超有利位向滑移）、多晶体塑性变形的不均匀性。由于晶界增多和周围晶粒的存在，晶粒变得细小，材料的强度将会提高（晶界强化），晶粒细小可以分散变形，减少应力集中而且由于晶界的曲折变多，裂纹不易传播可吸收更高的能量，表现更高的韧性，材料获得良好的综合力学性能。晶体塑性变形过程，其组织和性能会发生一系列变化：1.晶粒沿变形方向拉长、压扁，性能趋于各向异性，金属的性能将会具有明显的方向性，如纵向的强度和硬度远大于横向，形成“纤维组织”；2.亚结构细化，位错密度增加，产生加工硬化，形变亚结构边界是晶格畸变区，堆积有大量的位错，变形愈大，晶粒的碎细程度愈大，形变亚结构数量愈大，位错密度愈大。随着塑性变形程度的增加，金属强度增加，但塑性、韧性下降，由于位错运动与互相交割，产生塞积群、割阶、固定位错、缠结网等，阻碍位错的进一步运动。加工硬化会加大金属加工的难度，因此加工时必须进行退货以降低硬度，通过加热可以消除加工硬化现象，已恢复进一步变形的能力；“加工硬化”不利影响：a.影响材料力学性能：使得再变形困难，使得金属的切削加工，冲压加工带来困难；（解决方案：在冷加工之间进行中间热处理：再结晶退火）b.影响材料的物理性能和化学性能电阻增大，导电、导磁性下降，化学性能增强，耐腐蚀性下降。（解决方案：去应力退火。3.变形织构的产生当变形量很大时，各晶粒的取向会趋于一致，形成变形织构。变形织构会导致材料的各向异性，将对金属材料的加工成形和使用性能产生很大的影响，织构造成性能各向异性，使得变形不均匀，冲压产品易产生“制耳”现象。；4.残余内应力和点阵畸变金属在塑性变形过程中外力所作的功将转化为热能，其中一部分在金属内部，成为储存能，表现为残余内应力和点阵畸变。其中物体各部分变形不均匀将引起宏观内应力，各晶粒或亚晶粒内部变形不均匀将造成微观内应力，而点阵畸变会使金属的硬度、强度升高，点阵畸变将使金属材料处于一个高能量的状态（热力学不稳定），具有转向稳定转态的自发趋势，是“回复与再结晶”的驱动力。金属材料经过塑性变形后，自由能将上升，处于亚结构状态，具有向稳定状态转变的趋势，但是由于在常温下原子的活动能力有限且很小，不具有转变的可能性，当温度升高时，原子活动能力增强，会向稳定状态转变。形变金属的退火就是将金属材料加热到某一温度，保温一定时间后缓慢冷却的热处理工艺，形变金属的退火过程包括回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。冷塑性变形会产生加工硬化，原因是：金属在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部产生残余应力等，因而继续塑性变形就变得困难，从而引起加工硬化。（1）回复在加热温度不是很高时，原子的扩散能力较低，但是可以做短距离的扩散，使晶体结构发生某些变化，如晶格空位和位错等缺陷的减少，显微组织没有明显的改变，内应力显著降低，强度略有下降，塑性略有升高，这个阶段叫“回复”。（2）再结晶：冷变形金属加热到较高的温度下，通过新晶核形成与长大，由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程。经过回复阶段，如果继续加热，原子具有一定的能量后，晶粒形状要发生变化，产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失，金属的性能也发生显著变化,这一过程称为“再结晶”。（简单的来说：新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属或合金的性能也发生显著变化,这一过程称为再结晶。）此时，金属的强度和硬度显著降低，塑性和韧性重新升高，加工硬化和残余应力完全消除。加热到再结晶温度（T再=0.4T熔），然后缓慢冷却的工艺称为“再结晶退火”，再结晶退火主要用于冷变形后，使金属硬度降低，塑性提高，便于进一步加工。（3）晶粒的长大再结晶完成后，如果继续升温或者保温时间过长，晶粒又会长大（晶粒长大是由于晶界的逐渐移动，晶粒相互吞并来完成的。尤其是当晶粒大小不一致时，由于晶粒之间的大小不一致，他们之间的吞并就更加容易），此时机械性能也会相应的下降。晶粒粗大会使金属的力学性能显著下降，即强度和塑性变差，冲击韧度大大下降，因此在生产过程中应该特别注意再结晶后的晶粒度。热加工过程是在高于再结晶温度以上的过程，故塑性变形引起的硬化和回复再结晶过程的软化是同时存在的。金属材料热加工后的组织和性能受热加工时的硬化和软化过程的影响，即受变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身性质的影响，当变形程度大而变形温度低时，硬化过程占优势，金属的强度和硬度上升而塑性下降，变形阻力愈发增大，甚至会使金属断裂；反之，再结晶和晶粒长大占优势，金属晶粒会愈发粗大，金属性能恶化。热加工对组织与性能影响主要体现为：1）消除铸态组织缺陷：（a）气孔、疏松、微裂纹的焊合——组织致密化；（b）破碎粗大的铸态晶粒，经再结晶过程——晶粒细化；（c）减轻枝晶偏析2）经热锻与热轧可改善第二相、夹杂的分布形成纤维组织（流线）：使铸态组织的枝晶偏析、夹杂物分布，沿加工方向延伸形成细碎的组织——流线与力性方向分布合理。3缺陷：形成带状组织与区域偏析组织，其中带状组织为复相合金中各个相沿热加工方向交替呈带或层状组织，使钢的横向塑性和冲击韧性明显下降，而区域偏析组织(成分偏析、夹杂物分布)沿加工方向延伸形成的组织，表现力学性能的各向异性。总而言是，金属材料的塑性变形将对金属的组织结构以及各种性能产生影响，通过控制金属材料的塑变过程可以得到预期要求的产品。