晶界处滑移大于晶粒内部的原因

第二节　金属的塑性变形

一、金属塑性变形的实质

金属塑性变形的实质是晶体内部产生了滑移。通常使用的金属都是由大量微小晶粒组成的多晶体，下面我们就以单晶体和多晶体的变形简单讲解金属塑性变形的实质。

1．单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。如图2－1所示，晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦称滑移面）和晶向（也称滑移方向）相对于另一部分产生滑移。实际上，单晶体的滑移变形除了晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑动外，晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。如图2－2所示，当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。

图2－1　晶体滑移变形示意图

图2－2　位错运动引起的滑移变形示意图

2．多晶体的塑性变形

工业中实际使用的金属大多是多晶体。多晶体的塑性变形，除了有单晶体滑移为主的晶内变形外，还有晶界变形。同时晶内变形还要受周围晶粒（多晶体的各个晶粒是相互制约的）及自身晶粒晶向（晶粒的滑移面与外力成45°角时最容易产生滑移）的影响，因此，多晶体的塑性变形是各个晶粒分批投入、逐渐产生变形的。晶界变形的变形抗力比晶内（滑移）变形大，而且晶界变形使各个晶粒之间的相互制约作用逐渐失效，因此，过大的晶界变形意味着晶体的破裂。所以，晶粒越小，晶界就越多，材料的变形抗力越大、塑性越好。

金属材料随着塑性变形程度的增加，最容易产生滑移的面越来越少，晶界处的变形也越来越困难，从而使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化（也称形变强化）。如果要消除这种加工硬化现象，则必须对材料进行加热。

二、冷变形金属加热时组织和性能的变化

金属冷变形后，由于晶体的晶格发生畸变，处于不稳定状态，它虽有自发地恢复到原来稳定状态的趋势，但在室温下，原子活动能量小，不可能自行恢复到未变形前的稳定状态。当加热后，原子活动能力增加，随着加热温度的升高，加工硬化后的金属组织会相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。与此同时，其性能也发生相应变化。

再结晶温度可用经验关系式表示如下：

T_再＝（0．4～0．5）T_熔

式中T_再为最低的再结晶温度，T_熔为金属熔点的温度，且均为热力学温度。

1．回复

当加热温度低于T_再时，晶格中的原子只能做短距离扩散，使空位与间隙原子合并，空位与位错发生交互作用而消失，使晶格畸变减轻，残余应力显著下降。但变形金属的显微组织无明显变化，其力学性能变化也不大。

2．再结晶

当加热温度超过T_再时，在变形晶粒的晶界、滑移带、孪晶带等晶格严重畸变的区域，形成新的晶核（再结晶核心），晶核向周围长大形成新的等轴晶粒，已经变形的晶粒逐渐消失，直到金属内部的变形晶粒全部为新的等轴晶粒所取代，这个过程称为再结晶。

再结晶后形成的是无晶格畸变的、位错密度很低的、新的等轴晶粒。再结晶消除了变形的晶粒，消除了加工硬化的残余应力，金属又恢复到塑性变形以前的力学性能。需要指出的是，再结晶只是改变了晶粒的形状，消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，但原晶粒变形时定向伸长的杂质并不因再结晶的作用而消除。再结晶也没有改变晶格的类型，再结晶不是相变过程。

再结晶过程需要一定的时间。加热温度越高，所需时间越少，再结晶速度越快。为了消除加工硬化所进行的热处理称为再结晶退火。再结晶退火的温度应比再结晶温度高150℃～250℃。

3．晶粒长大

对冷塑性变形金属进行再结晶退火后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。所以要正确选择再结晶温度和加热时间。

三、冷变形和热变形

1．冷变形

坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程称为冷变形，变形过程中会出现加工硬化。冷变形有利于提高金属的强度和表面质量，但变形程度不宜过大，以免产生裂纹。冷变形在生产中的应用如冷轧、冷锻、冷冲压、冷拔等，常用于制造半成品或成品。

2．热变形

金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程称为热变形，变形过程中既有加工硬化又有再结晶，且加工硬化被再结晶完全消除，获得综合力学性能良好的再结晶组织。若加热温度过高或保温时间过长，晶粒还会聚合长大，使力学性能降低，在生产中应予避免。热变形所需的变形力小，变形程度大，在生产中应用更广泛，如热轧、热锻、热冲压、热拔等，常用于毛坯或半成品的制造。

应当指出：热变形、冷变形的划分是以变形后的组织为依据的，而不是以加热温度的高低来决定的。