第三章材料的力学行为金属经塑性变形后，不仅改变了外观和尺寸，内部组织和结构也发生了改变，其性能也发生了变化，所以，塑性变形也是改善金属材料性能的一个重要手段。
§3.1材料的塑性变形实际应用的工程材料几乎都是多晶体，其变形与组成它的各个晶粒的变形行为密切相关。
因此，首先研究金属单晶体的塑性变形，能使我们掌握晶体变形基本过程的实质，进一步理解多晶体的变形。
一、单晶体的塑性变形在常温和低温下，单晶体塑性变形的主要方式：滑移和孪生。
1、滑移滑移是单晶体中最主要的一种塑性变形方式。
所谓滑移是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。
产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向，滑移过程如图3－1所示。
滑移变有如下特点:<1>、滑移只能在切应力的作用下发生。
<2>、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
<3>、滑移时晶体的一不能粉相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍,滑移结果在晶体的表面上造成台阶。
<4>、滑移的同时必然伴随着晶体的转动。
2、孪生在切应力作用下,单晶体有时还可以通过另一种方式发生塑性变形,即晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(孪生面)产生一定角度的切变(即转动),这种变形方式叫做＂孪生＂。
如图3－2所示。
二、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形与单晶体比较无本质上的差别。
但由于晶界的存在,晶粒间位向的差异,以及变形过程中晶粒之间的相互牵制等等,多晶体的塑性变形过程要比单晶体复杂得多，并具有一些特点。
1、晶界和晶粒位向的影响晶界和晶粒位向对塑性变形有显著的阻碍作用。
因此,多晶体的塑性变形抗力总是高于单晶体。
2、多晶体塑性变形过程当金属受力产生塑性变形时,处于软位向与外力成45度夹角方向的晶粒首先发生塑性变形,但它的塑性变形要受到周围不同位向晶粒的阻碍,特别是受到处于硬位向的晶粒阻碍,这使得塑性变形的抗力增大,即强度,硬度增加。
3、晶粒大小的影响晶界对塑性变形起阻碍作用，晶界是滑移的主要障碍，能使变形抗力增大。
晶界有强化作用，多晶体的塑性变形抗力显著高于金属单晶体，而且晶粒越细，晶界越多，其强化效果显著。
多晶体金属的屈服点与其晶粒直径之间的关系式为：2/1-+=Kd i s σσ式中 σS ——屈服点，单位Mpa ；σi ——常数，表示晶内对变形的阻力，大体相当于单晶体金属的屈服点；K y ——常数，表征晶界对强度影响的程度，与晶界结构有关，与温度关系不大；d ——多晶体中各晶粒的平均直径，单位cm 。
§3.2 金属的冷塑性变形金属经塑性变形后，在改变其外形尺寸的同时，其内部组织、结构及各种性能都发生了变化。
若再对其进行加热，随加热温度的升高，变形金属将相继发生回复、再结晶等过程，尤以再结晶具有更重要的意义。
一、冷塑性变形对金属组织结构的影响1、晶粒形状的变化塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长形成＂纤维＂组织。
如图3－3所示。
2、亚结构的形成随着塑性变形的发生,位错之间产生一系列复杂的交互作用,产生了位错掺结现象。
随着变形的增加,位错缠界现象进一步发展,便会把各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒,随着变形的方向被拉长。
3、形变结构的产生在定向变形情况下,当变形量达到一定值(70%-90%以上),金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致,这种现象称为＂织够＂现象,或称＂择优取向＂。
4、内应力的形成⑴第一类内应力：它是由于金属的表面和心部塑性变形不均匀造成的,存在于宏观范围内,故又称宏观内应力。
⑵第二类内应力：它是由于晶粒之间变形不均匀造成的,存在于晶粒间,故称微观内应力或晶间内应力。
⑶第三类内应力：它是由于晶格畸变,原子偏离平衡位置造成的,存在于原子之间,又称晶格畸变应力。
第三类内应力是使金属强化的主要原因,也是变形金属中的主要内应力。
二、冷塑性变形对金属性能的影响1、对金属力学性能的影响在冷塑性变形过程中，金属在组织上的变化,必然引起性能上的变化。
如纤维组织的形成,使金属的性能具有方向性,纵向的强度和塑性高于横向。
晶粒破碎和位错密度增加,使金属的强度和硬度提高,塑性和韧性下降,产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象。
加工硬化：随着变形程度的增加，金属强度、硬度明显提高，而金属的塑性、韧性显著下降的现象。
2、对金属物理、化学性能的影响经冷变形的金属，其物理、化学性能将发生明显变化。
§3.3回复与再结晶一、变形金属在加热时组织和性能的变化金属材料经冷变形后，晶体缺陷增多，增加了晶体晶体的畸变能，使内能升高，处于热力学上不稳定的状态，当温度升高使原子获得足够的活性，材料将自发地恢复到稳定状态。
因此，冷变形后的金属材料加热时，随温度的升高，会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程，如图3－4所示。
1、回复：加热温度较低时,变形金属中的一些点缺陷和位错,在某些晶内发生迁移变化的过程,称为回复。
由于回复阶段原子活动能力不大,金属的晶粒大小和形状无明显变化(仍为纤维组织),故金属的强度和塑性变化不大,而内应力和电阻等理化性能显著降低。
因此生产中要求保留加工硬化性能而需要降低内应力或改善某些理化性能所用的低温退火,就是利用回复的原理。
2、再结晶：变形金属加热到较高温度时,原子具有较强的活动能力,有可能再破碎的亚晶界处重新形核和长大,使原来破碎拉长的晶粒变成新的,内部缺陷较少的等轴晶粒。
这一过程,使晶粒的外形发生了变化,而晶格的类型无任何变化,故称为＂再结晶＂。
经过再结晶得到了新的等轴晶,消除了变形金属的一切组织特征,加工硬化核内应力也被完全消除,各种性能完全回复到变形前的状态。
所以再结晶退火常作为金属进一步加工时的中间退火工序。
3、晶粒长大：再结晶完成后继续升高温度或延长加热时间,晶粒会不断长大。
晶粒长大是靠晶界的迁移,小晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中,晶界本身趋于平直化,晶粒粗大,使金属的机械性能显著降低,故一般不希望发生。
二、金属的再结晶温度再结晶温度：变形金属开始进行再结晶的最低温度称为金属的。
影响再结晶温度的因素如下:<1>、预先的变形程度。
变形程度愈大,金属畸变能愈高,向低能状态变化的倾向也愈大,因此再结晶温度愈低。
<2>、原始晶粒大小。
金属原始晶粒越小,则变形的抗力越大,变形后存储的能量较高,再结晶温度则较低。
<3>、金属的纯度及成分。
金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂,当金属中含有少量元素,特别是高熔点元素时,常会阻碍原子扩散或晶界的迁移,而使再结晶温度升高。
再钢中再加入少量的 W,Mo,V 等,还会更进一部提高再结晶温度。
<4>、加热速度核保温时间。
再结晶过程需要有一定时间才能完成,故加热速度的增加会使再结晶推迟到较高温度才发生;而保温时间延长,原子扩散充分,可使再结晶过程在较低温度下完成。
在工业生产中,金属通常以大变形量(约70%以上),经1h 保温能完全在结晶的温度,定义为该金属的＂最低在结晶温度＂。
大量的实验资料证明,工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点间存在以下关系：熔再T T 0.4式中各温度均以绝对温度计算。
三、再结晶退火后的晶粒度的因素：<1>、加热温度和时间。
显而易见,再结晶退火时得加热温度愈高,晶粒愈粗。
加热温度一定时,时间愈长,晶粒也愈粗,但其影响程度不如温度得影响大。
<2>、变形度变形度愈大,变形愈均匀,再结晶后的晶粒度便愈细。
当变形度很小时,由于晶格畸变小,不足以引起再结晶,故晶粒度保持原样。
当变形度在2%-10%时再结晶后的晶粒十分粗大。
这个变形度称为＂临界变形度＂,生产中应设法避免。
§3.4 金属的热塑性变形金属塑性变形的加工方法包括冷塑性变形（冷加工）和热塑性变形（热加工）两种。
一、金属热加工的基本概念热加工：金属材料在再结晶温度以上进行的塑性变形。
冷加工：金属材料在再结晶温度以下进行的塑性变形。
热加工与冷加工的区别：以金属的再结晶温度为界限。
二、热加工对金属组织和性能的影响热加工虽然不致引起加工硬化,但仍能使金属的组织和性能发生显著的变化。
<1>、可使钢中的气孔焊合,分散缩孔压实,从二使材料的致密度增加。
<2>、可使钢中的粗大枝晶合柱状晶破碎,从而使晶粒破碎,从而使晶粒细化,机械性能提高。
<3>、可使钢中的各种夹杂物沿着变形方向伸长,形成了＂纤维组织＂。
这种组织使钢的机械性能有了方向性,再沿着纤维的方向上(纵向)具有较高的机械性能,而且再垂直方向上(横行)性能较低。
如图3－5所示。
§3.5金属强化理论简介一、位错强化理论强度一般指对塑性变形的抗力。
金属的塑性变形是位错运动引起的,因此,位错直接影响金属的强度。
理论合实验证明,金属强度与位错密度的关系如图3-6所示。
从图中可以看出,金属的位错密度再某一数值左右(通常10 10 -10 12 cm -2 )时,其强度最低,相当于金属的退火状态,在次基础上,增加位错密度或降低位错密度都可以使金属强度提高。
因此,位错在与金属强度的关系中扮演了双重角色。
在实际工程材料中,一切阻碍位错运动的因素都会使金属的强度提高,造成硬化。
二、金属的强化机制能阻碍位错运动的障碍有四种：固溶强化、细晶强化、沉淀强化和位错强化。
1、固溶强化：合金组织大多存在于固溶体,由于其中的溶质原子与溶剂金属原子大小不同,溶剂晶格发生畸变,并在周围造成一个弹性应力场,此应力场与运动位错的应力场发生交互作用,增大了位错运动的阻力,使金属的滑移变形困难,从而提高合金的强度合硬度,这便是固溶强化。
2、细晶强化：晶界是一种面缺陷,能有效地阻碍位错运动,使金属强化。
晶粒越细,晶界越多也越曲折,强化作用越显著。
钢中常用来细化晶粒地元素有铌,钒,铝,钛等。
细化晶粒在提高钢地强化地相同,也改善了韧性,这是其他强化方式所不可比的。
3、沉淀强化：材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化,称为弥散强化。
第二相质点弥散度越高,强化效果也越明显。
4、位错强化：运动位错碰上与滑移面相交的其他位错时,发生交割而使位错运动受阻,其所造成的强化量与金属中的位错密度的平方根成正比。
实际金属中,很少只有一种强化效果起作用,而是几中强化效果同时起作用,相互叠加,综合强化。