金屬塑性變形對微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響

1、金屬塑性變形對微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響金屬塑性變形定義 (plastic deformation of metals )金屬零件在外力作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形。 單晶體產(chǎn)生塑性變形的原因是原子的滑移錯位。多晶體（實際使用的金屬大多是多晶體）的塑性變形中，除了各晶粒內(nèi)部的變形（晶內(nèi)變形）外，各晶粒之間也存著變形（稱為晶間變形）。多晶體的塑性變形是晶內(nèi)變形和晶內(nèi)變形的總和。人類很早就利用塑性變形進行金屬材料的加工成形，但只是在一百多年以前才開始建立塑性變形理論。18641868年，法國人特雷斯卡 （H.Tresca）在一系列論文中提出產(chǎn)生塑性變形的最大切應(yīng)力條件。1911年德國卡門（T.von

2、 Karman）在三向流體靜壓力的條件下，對大理石和砂石進行了軸向抗壓試驗；1914年德國人伯克爾(R.B?ker)對鑄鋅作了同樣的試驗。他們的試驗結(jié)果表明：固體的塑性變形能力(即塑性指標(biāo))不僅取決于它的內(nèi)部條件（如成分、組織）,而且同外部條件(如應(yīng)力狀態(tài)條件)有關(guān)。1913年德國馮·米澤斯(R.von Kises)提出產(chǎn)生塑性變形的形變能條件；1926年德國人洛德(W.Lode)、1931年英國人泰勒()和奎尼(H.Quinney) 分別用不同的試驗方法證實了上述結(jié)論。 金屬晶體塑性的研究開始于金屬單晶的制造和 X射線衍射的運用。早期的研究成果包括在英國伊拉姆()(1935年)、德

3、國施密特(E.Schmidt)(1935年)、美國巴雷特()(1943年)等人的著作中。主要研究了金屬晶體內(nèi)塑性變形的主要形式滑移以及孿晶變形。以后的工作是運用晶體缺陷理論和高放大倍數(shù)的觀測方法研究塑性變形的機理。塑性變形微觀結(jié)構(gòu)變化圖 1塑性變形中產(chǎn)生的滑移塑性變形中最基本的微觀變化是位錯滑移和滑移帶的產(chǎn)生。分為單滑移，雙滑移，多滑移等。另外，還有孿生等現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖 2 3.25% Si-Fe單晶體中的平直滑移帶 多晶金屬在塑性變形過程中，仍然保持著連續(xù)性。即每個晶粒的變形都要受到相鄰晶粒的制約，并與相鄰晶粒的變形相協(xié)調(diào)。 晶粒越細，屈服強度越高 金屬塑性變形的力學(xué)性能影響鋼經(jīng)形變處理后，

4、形變奧氏體中的位錯密度大為增加，可形變量愈大，位錯密度愈高，金屬的抗斷強度也隨之增高。隨著形變程度增加不但位錯密度增加而且位錯排列方式也會發(fā)生變化由于變形溫度下，原子有一定的可動性，位錯運動也較容易進行，因此在形變過程中及形變后停留時將出現(xiàn)多邊化亞結(jié)構(gòu)及位錯胞狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)亞晶之間的取向差達到幾度時，就可象晶界一樣，起到阻礙裂紋擴展的作用，由霍爾一派奇公式，晶粒越小則金屬強度越大。由于亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，相變時馬氏體成核、長大過程均受到亞晶界的影響，生長的馬氏體片尺寸d減小，從而使相界增加，材料強度提高。由于形變奧氏體內(nèi)位錯密度增加，亞結(jié)構(gòu)細化，從而為碳化物析出提供了處所，為碳的擴散開辟了通道，有利于碳

5、化物彌散析出，起到了彌散硬化的作用，其強化效果與析出粒子間距成反比:綜上所述，形變處理的強化效果是位錯強化、細晶強化、彌散硬化和相變強化的綜合表現(xiàn)。超塑性變形對金屬力學(xué)性能的影響材料在外力的作用下，產(chǎn)生變形，而外力過大會產(chǎn)生大素性變形，而這樣的變形對材料的性能產(chǎn)生了巨大的影響，為了更加準(zhǔn)確的研究材料的性能，將材料表面細化至納米化或超細晶化。強塑性變形金屬表面納米化在外加載荷的重復(fù)作用下，材料表面的粗晶組織通過不同方向產(chǎn)生的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。由表面機械加工處理導(dǎo)致的表面自身納米化的過程包括：材料表面通過局部強烈塑性變形而產(chǎn)生大量的缺陷，如位錯、孿晶、層錯和剪切帶；當(dāng)位錯密度增至一

6、定程度時，發(fā)生湮沒、重組，形成具有亞微米或納米尺度的亞晶，另外隨著溫度的升高，表面具有高形變儲能的組織也會發(fā)生再結(jié)晶，形成納米晶；此過程不斷發(fā)展，最終形成晶體學(xué)取向呈隨機分布的納米晶組織。樣品表面采用高能振動噴丸技術(shù)來實現(xiàn)納米化。圖1是高能噴丸裝置示意圖。工作時，整個容器作垂直振動，使彈丸從各方向與樣品下表面發(fā)生大能量碰撞，使得樣品表面產(chǎn)生強烈塑性變形而導(dǎo)致晶粒細化。形變誘發(fā)的納米化機理：高層錯能立方系純鐵的塑性變形方式為位錯運動，在外力的作用下晶粒細化的過程包括：在粗晶內(nèi)部形成高密度的位錯墻和位錯纏結(jié)；通過不斷地吸收位錯，位錯墻和位錯纏結(jié)逐漸演變成小角度亞晶界；小角度亞晶界繼續(xù)吸收位錯而轉(zhuǎn)變

7、成大角度亞晶界；亞晶內(nèi)部重復(fù)上述過程，使晶粒尺寸不斷減小、取向差不斷增大，最終形成等軸狀、取向呈隨機分布的納米晶組織。中等層錯能立方系金屬純銅的變形方式主要是位錯運動，隨著應(yīng)變量的增加依次形成了由較厚位錯墻分割的等軸狀位錯胞、晶粒尺寸逐漸減小，而取向差逐漸增大的亞微晶和取向呈隨機分布的納米晶。機械孿生只發(fā)生在表面附近應(yīng)變量較大的、晶體學(xué)取向不適合位錯運動的晶粒中，其作用主要是調(diào)整晶粒取向，使晶粒碎化易于以位錯運動方式進行。較低層錯能立方系奧氏體粗晶內(nèi)部通過位錯湮滅和重組形成位錯胞；應(yīng)變量和應(yīng)變速率的增加誘發(fā)機械孿生，形成片層狀孿晶；孿晶內(nèi)部通過位錯的運動使顯微組織逐漸由片層狀向等軸狀轉(zhuǎn)變，同時

8、晶粒尺寸逐漸減小、取向差逐漸增大；最終形成等軸狀、取向呈隨機分布的納米晶組織。低層錯能立方系不銹鋼的位錯在面上滑移、并相互交割形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；單系孿晶形成并逐漸過渡到多系孿晶；多系孿晶相互交割使晶粒尺寸不斷減小，并在孿晶交叉處形成馬氏體相；孿晶系增多與孿晶重復(fù)交割強度加大使得碎化晶粒的尺寸進一步減??；最終在大應(yīng)變量、高應(yīng)變速率等作用下，形成等軸狀、取向呈隨機分布的馬氏體相納米晶組織。對于立方系金屬，高層錯能材料的塑性變形一般通過位錯運動；而具有低層錯能的材料則為機械孿生；對于層錯能介于二者之間的材料，位錯滑移和機械孿生兩種方式均可發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)對稱性較低的金屬，由于滑移面較少，即使在層錯能較高的材料中（如鈦）也存在著機械孿生。急劇塑性變形制備納米/超細晶材料急劇塑性變形是具有強烈的細化晶粒的能力，甚至可以將晶體加工成非晶。急劇塑性變可以在低溫下使金屬材料的微觀組織得到明顯細化，從而大大提高其強度和韌性，近年來的研究表明，SPD法可以制備出具有亞微米級甚至納米級微觀結(jié)構(gòu)的金屬材料，因而日益受到人們的關(guān)注。急劇塑性變常用的工藝形主要包括等通道角擠壓法(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)法(SPTS)、累積軋焊法(ARB)、多向鍛造(MF)多向壓縮(MC)和反復(fù)彎曲平法(RCS)等。急劇大塑性變