塑性变形后组织与性能的变化

01

组织的变化

① 晶粒沿变形方向被拉长，晶界甚至拉长呈纤维状（纤维组织）；

② 硬质颗粒或夹杂物沿变形方向呈带状分布；

③ 性能呈各向异性，沿变形方向，强硬度上升，横向则强硬度较低。

图1 不同变形量下的组织形貌

02

亚结构的变化

① 空位、位错密度大幅增加：亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。

② 位错组态发生变化：位错运动；位错发生复杂的交互作用，位错缠结成位错胞；晶粒碎化成许多取向不同的亚晶粒，亚晶界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对较低。

图2

03

性能的变化

材料在塑性变形后，其力学性能和理化性能均发生明显变化。

力学性能的变化：产生加工硬化（位错强化、形变强化）。在金属屈服后，欲使之继续变形必须增加应力的现象。表现为强度显著提高、塑性明显下降。

强化机制：随着塑形变形量的加大，位错密度不断增加，位错的复杂交互作用使位错运动的阻力增加，进一步变形不易，故强度上升。

特点：

① 加工硬化是强化材料的重要手段（尤其是不可热处理强化的材料）

② 加工硬化有利于金属进行均匀变形

③ 加工硬化给金属的继续变形造成了困难（不利影响）

图3

单晶体的加工硬化曲线：

图4

Ⅰ 阶段：易滑移阶段：当τ达到晶体的τ_c后，滑移首先从一个滑移系开始，位错运动受到的阻碍较小，硬化效应也较低。此段曲线接近于直线，其斜率θ_Ⅰ，加工硬化率低，一般θ_Ⅰ很小。

Ⅱ 阶段：线性硬化阶段，滑移可以在几组相交的滑移面中发生，由于运动位错之间的交互作用及其所形成的不利于滑移的结构状态，（有可能在相交滑移面上形成割阶与缠结，使得位错运动变得十分困难，）随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著。

Ⅲ阶段：抛物线型硬化阶段，应力进一步增高的条件下，已产生的滑移障碍逐渐被克服，通过交滑移方式继续进行变形。随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，θ_Ⅲ逐渐下降。

多晶体的加工硬化曲线：

多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力-应变曲线不会出现单晶曲线的第Ⅰ阶段，而且其硬化曲线通常更陡，加工硬化率高，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显。要使处于硬取向的滑移系启动，必须增大外力。

图5

物理、化学性能的变化：

① 密度下降：体缺陷，裂纹、孔洞

② 导电性下降：缺陷增多 → 点阵畸变 → 电阻上升

③ 导磁性下降：减少抗磁性，降低顺磁金属的磁化敏感性

④ 导热性下降：晶体缺陷

⑤ 耐蚀性下降：点阵畸变、内应力 → 化学活性增加（化学稳定性下降）

04

形变织构

在外加应力的作用下，晶体发生大量变形，各晶粒发生转动，使每个晶粒的某个取向都转动到力轴方向上来，形成择优取向。具有择优取向的组织称为织构，这使金属材料的性能呈明显的各向异性。织构分板织构和丝织构。

① 丝织构（拔丝）：拉拔时各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向，如图6所示。用平行于拉拔轴的晶向指数[uvw]表示。

图6

② 板织构（轧制）：板材轧制时各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中的某指数晶向都趋于平行轧制方向，如图7所示。用该晶面指数(hkl)和晶向指数[uvw]来表示板织构。

图7

05

残余应力

在对材料加工时，外力所做的功有百分之几—百分之十几存于变形产生的缺陷中，称为变形储存能。

储存能的具体表现形式为：

① 宏观残余内应力（第一类残余应力，残余应力也称内应力）：在材料加工过程中产生的在物质宏观体积间相互作用的力。

② 微观残余内应力（第二类残余应力）：在材料变形过程中，为达到变形的协调性，作用在微观组织间的应力。

③ 点阵畸变（第三类残余应力）：储存能的80~90%形成点阵畸变。

残余应力在塑性变形后不可避免，对工件的变形、开裂、应力腐蚀等行为产生影响和危害。

以下（表1）是金属四大强化机制的汇总：

表1 金属的四大强化机制