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郑州槽钢介绍:金属的塑形变形与再结晶

在机械制造业中,许多金属制品都是通过对金属铸锭进行压力加工获得的。常见的金属压力加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔和冷冲压等。压力加工不仅改变了金属的外形和尺寸,而且其内部的组织和性能也发生了变化。因此,研究金属塑性变形的过程,了解金属变形时组织与性能的变化规律,以及加热对变形金属的影响,对金属的加工工艺、加工质量和使用有很重要的意义。

一、金属的塑性变形

金属在外力作用下产生变形,其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够完全恢复,其组织和性能不发生改变,所以不能用于成型加工。只有塑性变形才是永久变形,才能用于成型加工。金属的塑性变形过程比弹性变形复杂,而且塑性变形后金属的组织及性能发生了改变。

1.单晶体的塑性变形

工业用金属材料大多是由多晶体构成的,要说明多晶体的塑性变形,必须首先了解单晶体的塑性变形。实验证明,晶体在正应力作用下只能产生弹性变形,并直接过渡到脆性断裂,只有在切应力作用下才会产生塑性变形。单晶体金属塑性变形的基本方式有两种,即滑移和孪生。

(1)滑移

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图2-23 单晶体拉伸示意图单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的,即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动,如图2-23所示。要使晶体产生滑移,作用在晶体上的切应力必须达到一定的数值。当原子移动到新的平衡位置时,晶体就产生了微量的塑性变形,大量晶面上滑移的总和,就形成了宏观上的塑性变形。

一般来说,滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向进行的,分别称为滑移面和滑移方向。金属因晶体结构不同,其滑移面和滑移方向的数量是不同的,所以金属的塑性存在着差异。滑移面和滑移方向的数量越多,金属的塑性就越好。

研究表明,晶体滑移时,并不是一部分相对于另一部分沿滑移面做整体移动。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的,如图2-24所示。在切应力的作用下,通过一条位错线从滑移面的一侧移动到另一侧,便产生了一个原子间距的滑移,这只需要位错线附近少数原子做微量移动,而且移动的距离小于一个原子间距。大量的位错移出晶体表面,就产生了宏观上的塑性变形。因此,通过位错移动来实现滑移,所需克服的滑移阻力很小,滑移容易进行,这与实际测量的结果是一致的。

图2-24 通过位错实现滑移示意图

(2)孪生

单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面)及晶向(孪生方向)产生剪切变形,如图2-25所示。孪生与滑移的区别主要有:孪生变形使一部分晶体发生均匀的切应变,滑移变形则集中在一些滑移面上;孪生使晶体变形部分的位向发生了改变,滑移变形后晶体各部分的位向不发生改变;孪生变形时原子沿孪生方向的位移量是原子间距的分数值,滑移变形时原子沿滑移方向的位移量则是原子间距的整数倍;孪生变形所需切应力的数值比滑移变形的大,只有在滑移很难进行的情况下才发生孪生变形。郑州槽钢

图2-25 孪生过程示意图

2.多晶体的塑性变形

常用金属都是多晶体,多晶体是由许许多多的晶粒组成的。由于各个晶粒的晶格位向不同,又有晶界存在,各个晶粒的塑性变形互相影响,因此,多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂,并有如下特点。

(1)晶格位向的影响

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图2-26 多晶体塑性变形示意图由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同,在外力作用下,有的晶粒处于有利于滑移的位置,有的晶粒处于不利于滑移的位置,如图2-26所示。当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时,必然受到周围不同位向晶粒的阻碍,使滑移阻力增加,金属的塑性变形抗力增大。

(2)晶界的作用

在多晶体中,晶界处原子排列混乱,晶格畸变程度大,位错移动时的阻力增大,宏观上表现为塑性变形抗力增大,强度提高。由于晶界的作用,多晶体往往表现出竹节状变形,如图2-27所示。

图2-27 两个晶粒试样在拉伸时的变形

(a)变形前;(b)变形后

综上所述,多晶体的塑性变形抗力不仅与金属的晶体结构有关,而且与晶粒大小有关。在一定体积的晶体内,晶粒的数目越多,晶界的数量也越多,晶粒越细小,位错移动时的阻力越大,金属的塑性变形抗力越大,因此,金属的强度越高。在同样的变形条件下,晶粒越细小,变形可分散到更多的晶粒内进行,不易产生集中变形。另外,晶界多,裂纹不易扩展,从而使金属在断裂前能产生较大的塑性变形,可表现出金属具有较高的塑性和韧性。

二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响

1.冷塑性变形对金属组织的影响

冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸,而且还使其组织与性能发生了重大变化。金属发生塑性变形时,随着外形的改变,其内部晶粒的形状也发生了变化。当变形程度很大时,晶粒会沿变形方向伸长,形成细条状,这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织,如图2-28所示。

图2-28 冷加工纤维组织

(a)变形前晶体组织;(b)变形后晶体组织

形成纤维组织后,金属的性能会具有明显的方向性,其纵向(沿纤维方向)的力学性能高于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时,由于各个晶粒的变形不均匀,使金属在冷塑性变形后其内部存在着残留应力。

冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外,还会使晶粒内部的亚晶粒细化,亚晶界数量增多,位错密度增加。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰,会阻止位错的运动,增加了金属的塑性变形抗力,使金属的力学性能发生了改变。

2.冷塑性变形对金属性能的影响

冷塑性变形改变了金属内部的组织结构,引起了金属力学性能的变化。随着冷塑性变形程度的增加,金属材料的强度、硬度提高,而塑性、韧性下降,这种现象称为冷变形强化。

3.冷塑性变形使金属产生残余应力

残余应力是指作用于金属上的外力除去后,仍存在于金属内部的应力。残余应力是由于金属塑性变形不均匀造成的。根据残留应力的作用范围,残余应力可分为宏观残余应力、微观残余应力和晶格畸变应力三类。宏观残余应力是指金属各部分塑性变形不均匀所造成的残余应力;微观残余应力是指晶体中各晶粒或亚晶粒塑性变形不均匀所造成的残余应力;晶格畸变应力是指金属塑性变形时,晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变而产生的残余应力。

一般地,残余应力的存在对金属将产生一些影响,例如降低工件的承载能力、使工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐蚀性等,但残余应力可使金属的疲劳强度提高。热处理可以消除冷塑性变形后金属内部的残余应力。

4.冷变形强化在生产中的影响

冷变形强化(又称冷作硬化)可以提高金属的强度、硬度和耐磨性,是强化金属材料的一种工艺方法,特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。例如纯金属、多数铜合金、奥氏体不锈钢等,在出厂前,都要经过冷轧或冷拉加工。另外,冷变形强化还可以使金属材料具有瞬时抗超载能力。在构件使用过程中,不可避免地会在某些部位出现应力集中或偶然过载的现象,过载部位出现微量塑性变形,引起冷变形强化,使变形自行终止,从而在一定程度上提高了构件的使用安全性。

冷变形强化虽然使金属材料的强度、硬度提高,但会使金属材料的塑性降低,继续变形困难,甚至出现破裂。为了使金属材料能继续进行压力加工,必须施行中间热处理,以消除冷变形强化,这就增加了生产成本,降低了生产率。

冷塑性变形除了影响金属的力学性能外,还会使金属的某些物理、化学性能发生改变,如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性下降等。


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