[科普中國]-塑性應(yīng)變

概述

工程材料受到應(yīng)力的作用，都會產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力較小時，將產(chǎn)生彈性應(yīng)變，即符合應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系（虎克定律）的應(yīng)變，這種應(yīng)變在應(yīng)力消失時也隨之消失。當(dāng)應(yīng)力增大到一定值后，應(yīng)力與應(yīng)變不再成正比關(guān)系，應(yīng)力消失后將留下永久性的變形，稱為塑性應(yīng)變。金屬在產(chǎn)生塑性應(yīng)變時，伴隨應(yīng)變硬化。例如反復(fù)彎曲一根鐵絲時，會感到越彎越硬，最后直至塑性消失而斷裂。金屬原子依金屬鍵結(jié)合，在常溫下具有塑性應(yīng)變的能力。工程上有多種方法利用金屬的塑性變形能力，使金屬制件成形，同時還可提高制件的強度和硬度。這種通過金屬塑性應(yīng)變產(chǎn)生的硬化，稱之為應(yīng)變硬化或加工硬化。

由于陶瓷材料的原子是依離子鍵和共價鍵結(jié)合的，所以常溫下幾乎只有彈性應(yīng)變而無塑性應(yīng)變，即表明陶瓷幾乎沒有塑性變形能力，因此，也就不存在硬變硬化問題。高分子材料大多具有明顯的塑性變形能力，也有應(yīng)變硬化現(xiàn)象。1

塑性應(yīng)變微觀原理單晶體塑性形變單晶體塑性變形主要是由滑移變形，其次是孿晶變形構(gòu)成的。

一、滑移變形

1.滑移線及滑移帶

將拋光的金屬單晶體作拉伸應(yīng)變，當(dāng)試樣出現(xiàn)一定量的塑性變形后，于光學(xué)顯微鏡下觀察，則見到許多相互平行的變形線條，如圖a所示。如果用分辨率很高的電子顯微鏡觀察，則又發(fā)現(xiàn)光學(xué)顯微鏡下所見之變形線，實際是由許多更細并相互平行的線條所組成的滑移帶，如圖b所示?；茙е械钠叫芯€稱為滑移線?；凭€說明單晶金屬在拉伸塑性變形時，晶體內(nèi)部沿著某一晶面產(chǎn)生了相對的滑移。滑移的痕跡構(gòu)成了滑移線。由圖b亦可看出，滑移帶之間有一定的間距，帶的厚度也不相等，這表明晶體內(nèi)的滑移并不均勻，即有的晶面間相對滑移，而指數(shù)不同的晶面尚沒有滑移。

能夠進行滑移變形的晶面，稱滑移面?；泼鎯蓚?cè)晶體結(jié)構(gòu)沒有變化，而且晶格的位向也基本一致。所以這種塑性變形，只是滑移面兩側(cè)晶體沿著滑移面作了相對滑移，因而稱為滑移變形。

2.滑移面、滑移方向及滑移系

在外力作用下，最容易產(chǎn)生滑移的晶面，是原子排列密度最大的晶面，其次才是原子排列密度較小的晶面。所以首先滑移變形進行的晶面，一定是原子密度最大的晶面。如圖所示，晶面Ⅰ的原子密度大于晶面Ⅱ的原子密度，由于幾何上的原因，晶面Ⅰ之間的間距大于晶面Ⅰ之間的間距，因而晶面Ⅰ之間的結(jié)合力小于晶面Ⅰ之間的結(jié)合力。所以外力作用時，晶面Ⅰ原子排列密度最大的面首先開始滑移。在滑移面上，滑移進行的方向是原子排列密度最大的方向。

一個滑移面和該面上的一個滑移方向，構(gòu)成一個滑移系，表示晶體中一個滑移的空間位向。通常情況下，晶體的滑移系越多，可供滑移的空間位向也越多，金屬的塑性變形能力也越大?；葡档亩嗌伲c晶格類型有關(guān)。在滑移系中，體心立方和面心立方晶格的滑移系為12，而密排六方晶格的滑移系為3。所以體心立方和面心立方晶格金屬的塑性，優(yōu)于密排六方晶格金屬。但體心立方晶格與面心立方晶格滑移系數(shù)目均為12，而塑性實際上是面心立方晶格金屬更好。這是因為面心立方晶格 滑移面上的原子排列密度性實際上是面心立方晶格金屬更好。這是因為面心立方晶格滑移面上的原子排列密度大，面間距大，滑移方向數(shù)目為3個，而體心立方晶格 滑移面上的原子排列密度小，而間距小，而且滑移方向只有2個，滑移方向數(shù)目多少的作用大于滑移面數(shù)目多少的作用

二、孿晶變形

當(dāng)金屬晶體滑移變形受到限制時，塑性變形可能以孿晶方式進行，特別是滑移系較少的密排六方晶格金屬，容易以孿晶方式進行剪切塑性變形。

如圖所示，通常在比滑移大得多的切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿著M1N1晶面和箭頭所指的晶向發(fā)生剪切位移。這種位移和滑移不同，相鄰原子面相對位移不是原子間距的整數(shù)倍，而是一個原子間距的幾分之一（圖中為 ）。許多個原子面的位移量累加起來，可達到許多個原子間距的變形量。變形的結(jié)果，使變形部分的晶格和未變形部分的晶格沿它們的交界面（M1N1和M2N2）互相對稱，好似孿生晶體，故將這種變形稱為孿晶（孿生或雙晶）變形。交界面M1N1和M2N2稱為孿晶面，M1N1和M2N2之間的變形晶體稱為孿晶帶。

孿晶帶原子中雖然發(fā)生了剪切變形，但晶格類型不變，只是晶格位向發(fā)生了變化。1

多晶體的塑性廢變前已述及，多晶體是由許多晶粒構(gòu)成的，與單晶體的差別是各晶粒有其不同的原子排列位向，而且各晶粒間存在晶界。多晶體的塑性變形是由各晶粒塑性變形具體體現(xiàn)，而各晶粒的塑性變形同前述單晶體塑性變形方式相同，即主要是依滑移方式，次要是以孿晶方式進行塑性變形的。因此，分析多晶體的塑性變形時，只要研究晶粒位向和晶界在多晶體塑性變形中的作用，即了解多晶體的塑性變形特征。

1.晶界作用

為簡明起見，設(shè)以兩個晶粒的試樣作拉伸試驗（如圖所示）在拉伸到一定量的伸長后觀察試樣，現(xiàn)在晶界處變形很小，而遠離晶界的晶粒內(nèi)變形量較大。這種現(xiàn)象是由晶界處的原子排列紊亂，晶體缺陷和雜質(zhì)原子較多，處于較高能量狀態(tài)，從而使體現(xiàn)滑移變形的位錯運動受阻并使位錯在晶界附近積堆，位錯運動在晶界很難通過，因而使晶界難以變形。所以晶粒越細小，晶界總面積越多，對變形的抗力越大，屈服強度也越高。

2.晶粒位向的作用

多晶體金屬中的各個晶粒都是單晶體，但各晶粒單晶體的原子排列位向不同。同一外力作用下，不同晶粒的滑移而和滑移方向上的切應(yīng)力分量不同，有的晶粒滑移面滑移方向上切應(yīng)力分量大，處于軟位向；而另一些晶?；泼婊品较蛏锨袘?yīng)力分量小，處于硬位向。軟位向的晶粒開始滑移時，會受到硬位向晶粒的阻礙，使滑移的阻力增加，從而要求更大的切應(yīng)力分量才能進行滑移。所以同一金屬，晶粒多時比晶粒少時的屈服強度高。

在外力的持續(xù)作用下，軟位向晶粒在滑移的同時發(fā)生晶粒位向的轉(zhuǎn)動，由軟位向變成硬位向。這時滑移晶粒中的位錯可越過晶界，來啟動鄰近未變形的硬位向晶?；?，所以多晶體的變形，先發(fā)生于軟位晶粒，而后發(fā)展到硬位晶粒。并由少數(shù)晶粒發(fā)展為多數(shù)晶粒乃至整個晶體。各晶粒的滑移變形，構(gòu)成金屬宏觀大量的塑性變形。

多晶體金屬的晶粒越細小(晶粒數(shù)越多，在外力作用下，有利于滑移和能參加滑移的晶粒數(shù)越多。在一定變形量時，塑性變形由更多的晶粒分散承擔(dān)，同時也不會造成不均勻變形而引起應(yīng)力集中，因而也不會導(dǎo)致開裂，所以晶粒越細塑性變形的能力越大。1

塑性應(yīng)變對組織與性能影響塑性應(yīng)變對組織與結(jié)構(gòu)的影響1.顯微組織的變化

將塑性應(yīng)變程度不同的金屬，在顯微鏡下觀察時，可以發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)的滑移帶即變形線隨變形程度增加而增多，晶粒的形狀及金屬內(nèi)的夾雜物沿變形方向被拉長。當(dāng)應(yīng)變程度很大時，晶界模糊不清，不能分辨各個晶粒，只觀察到纖維狀的條紋，并稱之為纖維組織。這種組織使得沿纖維方向的力學(xué)性能與垂直纖維方向性能不同，前者高而后者低。

2.亞結(jié)構(gòu)的形成

金屬無塑性應(yīng)變或塑性應(yīng)變程度很小時，位錯分布是均勻的。但在大量應(yīng)變之后，由于位錯運動及位錯間的交互作用，位錯分布不均，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的弧晶塊，并被稱為亞晶粒。亞晶邊界上聚集大量位錯，而其內(nèi)部位錯很少。

3.變形織構(gòu)

未變形時，金屬晶粒的位向呈統(tǒng)計分布，在大量變形后，各晶粒的位向會趨于一致，即形成變形織構(gòu)。變形織構(gòu)有兩種。一種是金屬線材拉成絲時，各晶粒的某一晶向會平行于拉絲方向，這種結(jié)構(gòu)稱為絲織構(gòu)。一種是金屬被軋制時，各晶粒的某一晶面會平行于軋制平面，某一晶向平行于軋制方向，這種織構(gòu)稱為板織構(gòu)。

塑性應(yīng)變對性能的影響1.應(yīng)變硬化

塑性變形使金屬組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致金屬力學(xué)性能的變化，隨塑性變形程度的增加，金屬強度、硬度增高，而塑性韌性降低的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變硬化（加工硬化或冷作硬化）。

應(yīng)變硬化是利用塑性變形來強化金屬、特別是將金屬成型與強化相結(jié)合的重要措施，例如冷軋鋼板、鋼帶，冷拉的鋼絲、銅絲等，材料的強度均得到提高。

應(yīng)變硬化效應(yīng)可提高零件工作中的安全性。例如零件在服役中，一旦意外地過載，可能導(dǎo)致塑性應(yīng)變，因而產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使零件變形自動終止，防止零件伸長或斷裂帶來的事故。

塑性應(yīng)變效應(yīng)有時給冷壓成型帶來困難。例如冷壓成型時，材料強度升高，所需動力增大，而且被加工的材料的塑性隨變形程度的增加而降低，若強力使它變形則會斷裂，因而應(yīng)進行退火處理。

2.殘余內(nèi)應(yīng)力

金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，通常是不均勻的。當(dāng)外力去除后，有的部位受拉應(yīng)力，而有的部位受壓應(yīng)力。因此金屬內(nèi)部內(nèi)部會殘留處于平衡狀態(tài)的內(nèi)應(yīng)力，即稱為殘余內(nèi)應(yīng)力。金屬不同部位，例如表面和中心由于變形不均而造成的內(nèi)應(yīng)力，稱為宏觀應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）；相鄰晶粒之間變形不均勻或晶粒內(nèi)不同部位變形不均所造成的內(nèi)應(yīng)力，稱為微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）；由于位錯等缺陷使晶格畸變所形成的內(nèi)應(yīng)力，稱晶格畸變內(nèi)應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）。

殘余內(nèi)應(yīng)力是塑性變形時，外力對金屬作功后所貯留于金屬內(nèi)部的一種能量形式，通常是不利的。例如容易使金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生作用，從而增加金屬的腐蝕傾向，在表面切削加工后，破壞了原來的應(yīng)力平衡，在應(yīng)力重新分布時易使金屬（零件）變形；表面殘留拉應(yīng)力時，將降低承受外載荷的能力，尤其是會降低疲勞強度。1

塑性應(yīng)變測量在靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測量的情況下，有時結(jié)構(gòu)構(gòu)件在較大載荷下，局部材料進入擺性狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再服從彈性虎克定律。采用電阻應(yīng)變計可以測量較大的塑性應(yīng)變。再根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系計算應(yīng)力，這時應(yīng)力應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，這里只討論塑性應(yīng)變的測量技術(shù)問題。

應(yīng)變計的選用

一般電阻應(yīng)變計可測量的應(yīng)變極限為8000到20000μm/m（即0.8～2%）。對于較小的塑性應(yīng)變?nèi)?%以下，普通箔式應(yīng)變計已能勝任。對于需測量大于2%的塑性應(yīng)變的情形，需采用專門的大應(yīng)變應(yīng)變計。國外已有多種規(guī)格的產(chǎn)品，分別可測量6%、10%和20%的塑性應(yīng)變。國內(nèi)亦有使用于5%、10%、15%應(yīng)變測量的大應(yīng)變應(yīng)變計。這里需注意兩個問題·：

大應(yīng)變應(yīng)變計一般需用專門的粘結(jié)劑。普通應(yīng)變計常用的快干膠可用于5%應(yīng)變以下的測量，更大的應(yīng)變需專門的應(yīng)變粘結(jié)劑，并且對粘貼技術(shù)要求較高，否則質(zhì)量高的大應(yīng)變應(yīng)變計也發(fā)揮不了作用。一般大應(yīng)變應(yīng)變計的柵長較大。

大應(yīng)變應(yīng)變計的工作特性。對于普通應(yīng)變計其靈敏系數(shù)由廠家提供，當(dāng)應(yīng)變較大時實際靈敏系數(shù)有變化。按照應(yīng)變極限的定義，在應(yīng)變計的應(yīng)變極限范圍內(nèi)，應(yīng)變計靈敏系數(shù)變化在±10%以內(nèi)，對于大應(yīng)變應(yīng)變計，應(yīng)給出靈敏系數(shù)-應(yīng)變量的工作特性曲線，才能較準(zhǔn)確的測量大應(yīng)變。2