塑性变形对金属组织性能的影响.doc

塑性变形对金属组织性能的影响

塑性变形是指金属在外力作用发生不可恢复的变形。因为金属在变形过程中承受很大的外力，所以金属的组织和性能一定会发生变化。
由于金属发生塑性变形时的温度不同，所以金属塑性变形可以根据变形温度分为冷变形，温变形，热变形。在不同的温度下，金属发生塑性变形时其组织和性能会发生不同的变化。
1. 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
金属发生塑性变形时其变形机制主要有位错的滑移，孪生，扭折，高温下还有晶界滑动和扩散蠕变等方式。在这些变形方式下，金属的组织会在晶粒形状尺寸，亚结构等方面产生变化，还会产生变形织构等。
在位错的运动过程中，位错之间，位错与溶质原子，间隙原子，空位之间，位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错数量，分布的变化。从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中发生的主要变化。随着金属变形的进行及程度的增加，金属内部的位错密度开始增加，这是因为位错在运动到各种阻碍处如晶界，第二相质点等会受到阻碍，位错就会不断塞积和增值，直到可以使得相邻晶粒内的位错发动才能继续运动。
同时位错运动时所消耗的能量中会有一小部分没有转换成热能散发出去，反而会以弹性畸变能的形式存储在金属内部，使金属内部的点阵缺陷增加。
金属冷塑性变形后还会造成金属内部的亚结构发生细化，如原来在铸态金属中的亚结构直径约为0.01cm，经冷塑性变形后，亚结构的直径将细化至0.001-0.00001cm。同样金属晶体在塑性变形过程中，随着变形程度的增大，各个晶粒的滑移面和滑移方向会逐渐向外力方向转动。当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋向于一致，从而破坏了多晶体中各晶粒取向的无序性，也称为晶粒的择优取向，变形金属中这种组织状态则称为变形织构。
在塑性变形过程中随着金属内部组织的变化，金属的机械性能将产生明显的变化。随着变形程度的增大，金属的硬度，强度显著升高，而塑性韧性则显著下降，这一变化称为加工硬化。加工硬化认为是与位错的运动和交互作用有关。位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群，割阶，缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，引起变形抗力增加，从而提高了硬度。同时金属的物理化学性能也会发生变化。如使金属的比电阻增加，电阻温度系数下降，导热系数也略有下降。塑性变形也使导磁率，磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高，腐蚀速度加快。塑性变形后由于金属中晶体缺陷增加，因而扩散激活能减少，扩散速度增加。
2. 热塑性变形对金属组织和性能的影响
热变形由于温度较高，会对金属内部的组织造成不同于冷加工的变化。
首先热加工可以改善金属中的铸态组织的缺陷如缩孔，疏松，空隙，气泡等。其次热塑性变形还可以细化晶粒。铸态金属中的柱状晶和粗大的等轴晶经锻造或轧制等热变形和对再结晶的有效控制，可变为较细小均匀的等轴晶粒。变形金属中（如各种坯料）的粗大不均匀的晶粒组织，通过热变形和有效的再结晶控制也可变为细小均匀的等轴晶粒。如果热变形和随后的冷却条件适当地配合，还可以得到强韧性能很好的亚晶组织。细小均匀的晶粒组织，亚晶组织是具有强度高、塑性好、韧性好、脆性转化温度低的特点。因此，一般的结构钢都希望得到细小均匀的晶粒组织和亚晶组织。
其次与冷加工相比，热加工变形一般不易产生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小。但是热加工过程会产生纤维组织，是因为随变形程度的增加金属内粗大树枝晶沿主要变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也趋向于变形方向，形成流线。由于在热加工结束时，产品内的温度难于均匀一致，温度偏高处晶粒尺寸要大一些，特别是大断面的情况下更为突出。
热变形对性能的影响一方面由于可以细化晶粒，锻和内部缺陷，破碎并改善碳化物和非金属夹杂在金属中的分布，故而可使材料的强度硬度，塑性，韧性提高。另一方面，由于显纤维组织的形成，使金属力学性能呈现各向异性，沿流线方向比垂直于流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性，韧性指标最为显著。

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