金属塑性变形的实质

2019-07-0410:55:30金属塑性变形的实质已关闭评论

根据图3.1.1应力-应变曲线所示,当应力大于弹性极限时,低碳钢在弹性变形基础上还发生塑性变形。当外力去除后,其塑性变形部分不能恢复,金属对开始发生微量塑性变形的抗力用屈服极限σs表示,而塑性则是指金属在外力作用下发生塑性变形的量或能力,用伸长率δ%或是断面收缩率ψ%表示,塑性变形的实质就是金属内部的晶粒发生了不可恢复的变形。

1.1.1 金属单晶体的塑性变形

金属单晶体的塑性变形主要是晶粒内部的滑移变形。

滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)发生相对的滑动。如图3.1.1所示,当对一单晶体试样进行拉伸时,外力P将在晶内一定的晶面上分解为两种应力。一种是平行于该晶格的切应力τ,一种是垂直于该晶面的正应力σ。正应力只能引起晶格的弹性伸长,大到一定程度引起脆断。而切应力则可使晶体在发生弹性歪扭之后,进一步造成滑移。滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍,滑移后晶体各部分的位相依然一致。

通过对滑移所需切应力大小的计算发现,实际滑移所需的切应力要小于刚性滑移所需切应力的几十倍或几百倍,大量理论研究也证明,由于晶粒内部存在缺陷(缺一个原子的点缺陷或缺一行原子、位错的线缺陷),滑移变形是通过位错移动完成的,如图3.1.2所示。当晶体通过位错移动而滑动时,并不需要整个滑移面上的原子全部同时移动,而只是位错线附近少数原子移动,且移动的距离小于一个原子间距,而整个面上的滑移是位错线少量移动的逐步传递(位错运动)形成的,所以所需的切应力要比整体移动小得多。随着滑移的进行,晶粒内部产生扭曲和位错的增加;同时滑移到晶粒晶界时,变形受阻,抗力增大,导致进一步滑移需要更大的剪应力。

图3.1.1 单晶体试样拉伸变形的示意

图3.1.2 位错运动引起塑性变形示意图

1.1.2 多晶体金属的塑性变形

多晶体金属的塑性变形包括晶粒内部的变形和晶粒之间的变形。在多晶体金属中,由于每个晶粒的晶格位向都不同,其滑移面和滑移方向的分布便不同,在外力的作用下,每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受到的分切应力便不同。从材料力学中了解到试样中的分切应力是在与外力成45°角的方向上最大,在与外力相平行或垂直的方向上为最小。因此在试样中,凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45°夹角的晶粒必将首先发生滑移变形;而滑移面和滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直的晶粒中所受到的分切应力将最小,最难发生滑移。金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生,是不均匀的塑性变形过程。由于各晶粒变形先后不一,变形大小也不同,使晶粒之间产生应力,也导致了晶粒之间产生位移和转动,所以多晶体塑性变形为:滑移+晶粒转动。

图3.1.3 由两个晶粒所做成试件在拉伸时的变形

如图3.1.3所示,仅由两个晶粒构成的试样来进行拉伸试验。在远离夹头和晶界的晶粒中部会出现明显的缩颈,而在晶界附近则难以变形,即所谓“竹节”现象。晶界附近所以具有明显较高的塑性变形抗力,这主要是由于在晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处,晶格排列紊乱;并且该处的杂质原子也较多,增大了其晶格畸变,因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大,难以发生变形。

金属的塑性变形抗力,不仅与其原子之间的结合力有关,而且还与金属的晶粒度有关,金属的晶粒越细,金属的强度越高。因为金属的晶粒越细,其晶界总面积便越大,每个晶粒周围不同取向的晶粒数便越多,对塑性变形的抗力也越大。金属的晶粒越细,塑性与韧性也越高。因为晶粒越细,金属单位体积中的晶粒数便越多,变形时同样的形变量则分散在更多的晶粒中,产生较均匀的变形,减少应力集中,不致引起裂纹的过早产生和发展。所以断裂前可发生较大的塑性形变量,具有较高的冲击载荷抗力。通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒,是目前提高金属材料机械性能的有效途径之一。

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