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當(dāng)我們用力彎曲一根鐵絲、把鋁罐壓扁，或用錘子把一塊金屬敲成薄片時，都會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：金屬可以被改變形狀，而且不會自動彈回原樣。這種“被掰彎、被壓扁還能保持新形狀”的能力，在材料科學(xué)中有一個專門的名字，叫作塑性。而金屬在外力作用下發(fā)生的這種永久性形狀改變，則被稱為塑性變形。

塑性是金屬材料最重要、也最實用的性能之一。正是因為金屬具有良好的塑性，我們才能把鋼鐵軋成鋼板，把銅拉成電線，把鋁擠壓成型材，制造出無數(shù)我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫漠a(chǎn)品。那么，金屬的塑性究竟從何而來？金屬在被“掰彎”的時候，內(nèi)部又發(fā)生了什么？

 

一、從“彈回去”和“回不去”說起

先做一個簡單的對比實驗：用手拉一根橡皮筋，再松手，它會迅速恢復(fù)原來的長度；而如果你拉一根銅絲，用力過大后再松手，它可能就再也回不到原來的形狀了。

這兩種行為，反映的是材料的兩種不同變形方式：

彈性變形：材料受力后會變形，撤去外力后又恢復(fù)原狀。

塑性變形：材料受力后發(fā)生變形，撤去外力后仍然保持新的形狀。

在金屬中，這兩種變形通常是“先彈性、后塑性”。當(dāng)外力比較小時，金屬會像彈簧一樣稍微變形，一旦超過某個臨界點，就進(jìn)入了塑性變形階段，形狀被永久改變。

這個臨界點，在工程上叫作屈服點或屈服強度，它標(biāo)志著金屬開始“真正變形”。

 

1、塑性定義

定義：斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力稱為塑性。常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。一般也是通過拉伸試驗測定。

1）斷后伸長率

試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，以δ表示。其計算公式為：

L0為試樣原始標(biāo)距長度，mm；L1為試樣拉斷后對接的標(biāo)距長度，mm。工程上一般把δ≥5％的材料稱為塑性材料,δ＜5％的材料稱為脆性材料。

2）斷面收縮率

斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比， 用符號Ψ表示。其數(shù)值按下式計算：

式中，S0為試樣原始橫截面積，mm2；S1為試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積，mm2。 

總結(jié)：δ和Ψ數(shù)值越大，材料的塑性越好。塑性好的材料，不僅能順利地進(jìn)行軋制、鍛壓等成型工藝，而且在使用中萬一超載，由于塑性好，能避免突然斷裂。因此，大多數(shù)機(jī)械零件除要求有較高的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況下，斷后伸長率達(dá) 5％或斷面收縮率達(dá)10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。

 

2、塑性變形

金屬材料經(jīng)過冶煉澆注后大多都要進(jìn)行塑性加工，如下圖所示的軋制、擠壓、拉絲、鍛造和沖壓等。

圖1 金屬壓力加工方法示意圖

金屬在承受壓力加工時，不僅會改變金屬的外形和尺寸，其內(nèi)部組織和性能也會產(chǎn)生重要的影響，如果選擇的加工工藝不當(dāng)，金屬的形變超過塑性值就會產(chǎn)生塑性變形。

 

3、金屬的塑性變形原理

首先金屬在外力的作用下變形分為兩種：

彈性變形

彈性變形是由于外力克服了原子間的作用力，使部分原子稍微偏離原來的平衡位置，當(dāng)外力去除后，原子返回原來的平衡位置，金屬恢復(fù)原來的形狀，因此彈性變形是在外力作用 下的臨時變形。金屬的彈性變形對金屬的組織和性能沒有改變。

塑性變形

塑性變形是永久變形，成型加工是利用塑性變形來實現(xiàn)的。塑性變形過程比彈性變形過程復(fù)雜 ，變形后金屬的組織及性能均發(fā)生了改變。

要理解塑性，必須進(jìn)入金屬的微觀世界。金屬并不是一整塊連續(xù)的物質(zhì)，而是由大量原子按照一定規(guī)律排列而成。你可以把它想象成一座極其規(guī)整的“原子城市”：原子就像一個個小球，整齊地排成三維網(wǎng)格，這種排列方式稱為晶格。

不過，這座“城市”并不是完美無缺的。即使是最純凈的金屬，也存在各種缺陷，其中對塑性影響最大的一種叫做位錯。

位錯可以理解為晶格中的“錯位”或“臺階”。如果把原子層想象成一摞整齊的紙張，那么位錯就像中間多塞了一半張紙，使得上面的紙層整體發(fā)生了偏移。

正是這些位錯，讓金屬能夠發(fā)生塑性變形。

3.1 單晶體的塑性變形

一般工程用金屬材料多為多晶體，其塑性變形與各個晶粒的變形有關(guān)，因此單晶體塑性變形是研究多晶體變形的基礎(chǔ)。

單晶體受力后外力可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力如下圖所示，在正應(yīng)力作用下只產(chǎn)生彈性形變并直接過渡到脆性斷裂，在切應(yīng)力作用下會產(chǎn)生塑性變形。

圖2 應(yīng)力分解圖

單晶體的塑性變形有滑移和孿生兩種方式：

1）滑移

單晶體的塑性變形主要是以滑移的形式進(jìn)行的，即晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動。如圖3所示，當(dāng)原子滑移到新的平衡位置就會產(chǎn)生微量的塑性形變，大量的滑移總和就形成金屬在宏觀上顯示的塑性變形。

圖3 單晶體的滑移變形

一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。

圖4 三種典型的金屬晶格滑移系

滑移系越多，金屬越可能發(fā)生滑移，塑性相對應(yīng)較好，一般來說，屬于面心立方晶格的金屬具有更好的塑性 （延展 性），如金、銀、銅、鋁等。這是由于面心立方晶格的金屬，其原子排列較致密，滑移面之間的距離較大，在塑性變形時能參與滑移的滑移系較多。

2）孿生

孿生是指在切應(yīng)力作用下，單晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿晶面）及晶向（孿生方向）產(chǎn)生剪切變形，如圖5所示。孿生變形只有在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。孿生變形會在周圍引起很大的畸變，因此產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小得多，但孿生變形引起晶體位向改變，因而能促進(jìn)滑移的產(chǎn)生。  

圖5 單晶體的孿生變形

密排六方晶格金屬滑移系少，一般以孿生方式變形，體心立方晶格金屬只在低溫或沖擊作用下發(fā)生孿生形變；面心立方晶格金屬一般不發(fā)生孿生變形，但常會有孿晶存在。

 

3.2 多晶體的塑性變形

 

多晶體中各單個晶粒的基本變形方式與單晶體相同，但由于晶界的存在，晶粒之間位向不同，多個晶粒的塑性變形會互相影響，因此多晶體的整體塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。在多晶體中晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度大，增大了位錯移動的阻力，宏觀上表現(xiàn)為：晶界處的變形抗力增大。在多晶體中，晶粒越小，單位體積上晶粒的數(shù)量就越多，晶界的總 面積增大，因而晶界變形抗力越大，因此整個金屬的強度較高。晶粒大小對金屬力學(xué)性能也有影響，晶粒平均直徑 d與屈服強度σs之間存在如下關(guān)系：

式中，σ0和K均為常數(shù)；σ0為晶內(nèi)變形抗力；K為晶界對變形的影響程度。

結(jié)論：金屬的晶粒越細(xì)，強度和硬度就越高。這是因為單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)越多， 金屬的總變形量就可以分布在更多的晶粒內(nèi)，晶粒的變形也會比較均勻，所以減小了應(yīng)力集中，推遲了裂紋的形成和發(fā)展；同時，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展，使金屬在斷裂前可發(fā)生較大的塑性變形。韌性與強度和塑性密切相關(guān)，由于細(xì)晶粒金屬的強度較高，塑性較好，所以使之?dāng)嗔研枰妮^大的功，因而韌性也較好。

 

晶粒的細(xì)化是金屬的一種非常重要的強韌化手段，工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強度的方法稱為細(xì)晶強化 。

3.3 合金的塑性變形

合金可根據(jù)其組織分為單相固溶體和多相混合物兩種，由于合金元素的存在，其變形與純金屬會有較大不同。

單相固溶體合金組織與純金屬相同，塑性變形過程與多晶體純金屬相似，但隨著溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱為固溶強化。

多相合金的塑性變形不僅與合金基體特性相關(guān)，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。其中第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，一般工業(yè)合金中第二相為化合物。晶界呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，合金強度塑性不佳；晶內(nèi)呈現(xiàn)片狀分布，強度、硬度升高，塑性、韌性降低。

 

二、塑性變形對金屬組織和性能的影響

1、塑性變形對金屬組織的影響

1）晶粒變形

金屬發(fā)生塑性變形時，其內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生了變化。通常晶粒沿變形方向被壓扁或拉長，當(dāng)變形量很大時，晶粒變成細(xì)條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維狀的組織， 稱為纖維組織，如圖6所示。

圖6 塑性變形晶粒形狀變化示意圖

 

2）亞結(jié)構(gòu)

金屬產(chǎn)生塑性變形時，由于位錯密度增加產(chǎn)生交互作用，局部堆積很多位錯相互纏結(jié)且分布不均勻，使晶粒分化產(chǎn)生位向不同的小晶塊，在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。

圖7 金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)

 

3）產(chǎn)生形變織構(gòu)

金屬塑性變形到很大程度（70％以上）時 ，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使晶粒位向趨近一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，多晶體金屬形變后具有的這種擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)，稱為形變織構(gòu)。

形變織構(gòu)一般分為兩種：

一種是絲織構(gòu)：大多數(shù)晶粒的某個晶向平行于拉拔方向；

一種是板織構(gòu)：大多數(shù)晶粒的某個晶面和晶向平行于軋制方向。

圖8 形變織構(gòu)示意圖

用有形變織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，由于在不同方向上的力學(xué)性能差別很大，零件的邊緣形變出現(xiàn)“制耳”，同時因變形不均，零件的壁厚和硬度也不均勻。形變織構(gòu)形成后很難消除，工業(yè)生產(chǎn)中為了避免形變織構(gòu)，零件較大的變形量往往分幾次變形來完成，并進(jìn)行中間退火。

 

2、塑性變形對金屬性能的影響

1）加工硬化

塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，引起金屬力學(xué)性能變化。其顯著的影響：隨著變形程度的增大，金屬的強度、硬度提高，而塑性和韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱為形變強化，也稱加工硬化。

產(chǎn)生原因：

①變形量不斷增加導(dǎo)致位錯密度增加，又因為位錯之間堆積和纏結(jié)，導(dǎo)致變形抗力增加。

②變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，空間密度增加。

加工硬化的實際意義：

①作為重要的強化手段，可用來提高金屬材料的強度；

②能夠?qū)⒔饘僮冃乌呌诰鶆颍?/span>

③金屬具有較好的變形強化能力，能夠保證零件和構(gòu)件的工作安全性，也能防止短時超載引起斷裂。

不利影響：

在沖壓拉伸時，因為變形導(dǎo)致塑性下降，很難一次得到較深的筒形零件，需要多次進(jìn)行，有的可能還需要中間退火處理來消除加工硬化。

2）產(chǎn)生殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力：除外力后殘余留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力，由金屬內(nèi)部變形不均勻引起。

儲存能：塑性變形中外力所做的功大部分轉(zhuǎn)換為熱，有一小部分以畸變能存在形變材料內(nèi)部，這部分為儲存能。具體表現(xiàn)方式為宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力以及點陣畸變。

殘余應(yīng)力影響：殘余應(yīng)力的存在可能會降低工件的承載能力，導(dǎo)致工件的形狀和尺寸發(fā)生改變、降低工件的耐腐蝕性。

金屬加工后的殘余應(yīng)力通?？赏ㄟ^去應(yīng)力退火消除。

3）金屬的物理、化學(xué)性能改變

不僅改變金屬的力學(xué)性能，也能改變金屬的物理、化學(xué)性能，使金屬電阻增大，導(dǎo)磁性和耐腐蝕性降低等。

金屬的塑性，看似是我們用手就能感受到的“軟”和“硬”，其實背后隱藏著一個極其精妙的微觀世界：原子排列、晶格缺陷、位錯運動，共同決定了金屬能否被彎曲、拉伸和塑形。

正是這些看不見的微小結(jié)構(gòu)，讓人類得以把金屬塑造成工具、建筑、機(jī)器和科技產(chǎn)品，構(gòu)建起我們今天的現(xiàn)代文明。下一次你看到一張薄如紙的鋁箔或一根細(xì)如發(fā)絲的銅線時，不妨想一想：在那里面，億萬原子正以一種極其優(yōu)雅的方式，完成著一場名為“塑性變形”的微觀舞蹈。