【干货】合金的塑性变形 23
合金的塑性变形
合金是在纯金属的基础上又加入其它元素，使相结构发生了变化，也改变了基体金属的变形抗力，使强度、硬度提高，塑韧性降低。
1. 单相固溶体合金的塑性变形
溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用上。
（1）固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力提高。
机理：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。
效果：提高强度、降低塑韧性。
影响固溶强化的因素：
①溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大，特别是当原子数分数很低时，强化效应更为显著。
②溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
③间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。
④溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著，固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提高。
固溶强化是多方面因素共同作用的结果。
（2）屈服现象与应变时效
柯氏气团：通常把溶质原子与位错交互作用后，在位错周围偏聚的现象称为气团，是由柯垂尔首先提出，又称柯氏气团。
C，N间隙溶质原子在位错附近与位错发生弹性交互作用形成柯垂尔气团，受柯垂尔气团钉扎的位错需要更大的应力使它们摆脱气团，出现上屈服点，而一旦挣脱气团之后位错的运动就比较容易，因此应力减小，形成下屈服点。开动的位错产生塑性变形逐渐转移到其它未发生塑性变形的区域，产生不均匀塑性变形（吕德斯带）。
如何避免上屈服点和下屈服点的出现
防止方法：去除C，N（IF钢）；
预变形使位错摆脱钉扎。
应变时效
退火状态低碳钢拉伸试样超过屈服点发生少量塑性变形卸载，然后立即重新加载拉伸，不再出现屈服点。但是若不采取上述方案，将预变形试样室温下放置几天或经200℃左右短时加热后再拉伸，屈服现象又复出现。称为应变时效。
Cottrell气团理论解释为卸载后放置时间较长或经时效则溶质原子已经通过扩散而重新聚集到位错周围形成了气团，故屈服现象又复出现。
2. 多相合金的塑性变形
多相合金与单相固溶体合金的不同之处是除基体相外，还有第二相存在，第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，使多相合金的塑性变形更加复杂。
（1）脆的第二相呈不连续的网状分布在晶界上，使塑韧性大大降低。
（2）第二相在晶粒内部呈片层状分布，使其强度、硬度比基体金属要高得多，使塑韧性下降。
（3）第二相在晶粒内呈弥散点状分布，使硬度和强度大大提高，对塑韧性影响不大.这是最有利的分布，这种由于第二相呈点状弥散分布在基体内，使其强度、硬度明显升高的现象叫弥散强化。
第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。
第二相粒子分为：不可变形粒子和可变形粒子。
（1）不可变形粒子的强化作用见图5.34所示。
粒子越多，间距越小，强化作用越明显。
（2）可变形粒子的强化作用见图5.35所示。
强化作用如下：
1）位错切过粒子时，出现新的表面，界面能升高；
2）位错切过粒子时，产生反相畴界，引起能量升高；
3）位错切过粒子时，引起原子错排，需要额外做功；
4）位错切过粒子时，产生弹性应力场，阻碍位错运动；
5）位错切过粒子时，产生割阶，阻碍位错运动。
3. 塑性变形对材料组织与性能的影响
（1）显微组织的变化
随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长，出现各向异性。除了每个晶粒内部出现大量的滑移带或者孪晶带外，随着变形程度的增加，原来的等轴晶晶粒将逐渐沿着其变形方向伸长。当晶粒变形程度很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已经难以分辨出来，呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。
（2）亚结构的变化
经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，形成位错缠结，进一步增加变形量时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构，随着变形量的增加，变形胞的数量增多，尺寸减小。
形变↑ → 位错密度↑（106→ 1011-12）→位错缠结→ 胞壁→亚晶。
（3）性能的变化
加工硬化即金属材料经冷加工变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性下降的现象。产生原因：变形量不大时，晶界附近产生位错堆积；随变形量增加，位错之间产生交互作用，出现缠结现象，使晶粒破碎成为亚晶粒；变形越大，晶粒越碎，亚晶界增多，位错密度增大，变形抗力增大，表现出：强度、硬度升高，塑韧性降低，即产生了加工硬化。
加工硬化是强化材料的一种主要手段。如拖拉机的履带，铁路的道岔等都是利用加工硬化来提高硬度及耐磨性的。但有时也会使进一步加工带来困难，如钢板冷轧、钢丝冷拔等过程中，需安排中间退火工艺，消除加工硬化。
金属单晶体典型应力应变曲线（塑性变形部分）由3阶段组成：（2008、2007）
Ⅰ阶段——易滑移阶段：当 τ 达到晶体的 τc 后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率θⅠ（θ=dτ/dγ或者θ=dσ/dε）即加工硬化率低，一般θⅠ为约10-4G数量级（G为材料切边模量）。
Ⅱ阶段——线性硬化阶段：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，θⅡ≈G/300，近乎常数。
Ⅲ阶段——抛物线硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，θⅢ逐渐下降。
对于A1（FCC）和A2（BCC），其晶体滑移系很多，很容易出现多系滑移，其应力应变曲线出现典型的三阶段加工硬化现象。只是当含有微量杂质原子的体心立方晶体，因杂质与位错发生交互作用产生屈服效应，曲线有所变化，出现屈服平台。对于A3（hcp），其滑移系很少，若形变时取向合适，滑移限制在基面上滑移，这样就只有一组平行的滑移面滑移，第一阶段很长（如上图），往往第二阶段还未充分发展时就已发生断裂。
（4）形变织构
塑性变形的过程中，随着变形程度的增加各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变的方向转动，逐渐使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间中的取向呈一定程度的规律性，变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。
有两种类型：
拔丝时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向趋于平行于拉拔方向。
轧板时形成的织构称为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于平行轧制面和轧制方向。
形成织构引起各向异性。织构有有利的一面，也有有害的一面。
如生产上可利用织构提高硅钢片某一方向的导磁率（硅钢片<100>，方向最易磁化，织构可减少铁损。电机、变压器铁芯）；
在冲压薄板件时，它会带来不均匀的塑性变形，而产生“制耳”现象，这是不希望产生的。
（5）残余应力
残余应力是一种内应力，在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀及相互间的牵制作用所致。
（1）宏观残余应力：是工件不同部分的宏观变形不均引起的。
（2）微观残余应力：是晶粒或亚晶粒之间的变形不均产生的。
（3）点阵畸变：是工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。
内应力的产生，使材料变脆，耐蚀性降低。
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