金属材料内应力引起的裂纹判定

塑形变形会对金属内部组织结构和性能产生重要影响，综合起来主要有4个方面。

2．5．1 晶粒拉长，产生纤维组织

在塑形性变形中，随着变形量的增加，可看到金属的晶粒沿着变形方向被拉长，由等轴晶粒变为扁平形或长条形，当变形量较大时，晶粒被拉成纤维状，此时的组织称为“纤维组织”。它的出现使金属材料由原来的各向同性变成了各向异性，即沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向的强度。

2．5．2 晶粒碎化、位错密度、加工硬化

在未变形的晶粒内经常存在大量的位错，呈位错壁（亚晶界）和位错网等形式。随着塑性变形即位错运动的发生，位错与位错会产生复杂的交互作用，造成位错缠结现象。随着变形量的增大，原来每个晶粒中位向完全相同的结构会“碎化”成许多位向差较小（一般小于1°）、尺寸为10－6～10－3cm的小晶块。在小晶块中，特别是在小晶块的交界处分布有大量位错，这种结构相对于晶粒结构称为胞状亚结构。变形量越大，晶粒的破碎程度越大，胞的数量增多，尺寸减小。如果经强烈冷轧或冷拉等变形，则在纤维组织出现的同时，其亚结构也将由大量细长状变形胞组成。

因此，金属的塑性变形导致亚结构细化，位错密度大大增加，从而使位错运动的阻力增大，变形抗力增加。即随着变形程度的增大，金属的强度、硬度上升而塑性、韧性下降，这就是冷变形强化，也称为加工硬化。如图2．16所示表示含碳量0．3％碳钢的冷轧变形程度与强度、硬度、塑性等之间的关系。

图2．16 含碳量0．3％碳钢冷轧后力学性能的变化

冷变形强化是强化金属材料的重要手段之一，尤其对热处理不能强化的纯金属和某些合金来说，显得更为重要。冷变形强化还可以提高构件在使用过程中的安全性，构件万一超载，产生塑性变形，由于变形强化，故可防止构件突然断裂。但是，冷变形强化会给金属进一步加工带来困难。例如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致完全不能产生变形。为此，需安排中间退火工序，通过加热消除冷变形强化，恢复塑性变形能力，使轧制得以继续进行。

位错密度与金属强度的关系如图2．17所示。由图可知，当金属中不存在或存在极少的位错（如金属须）时、金属的强度也很高，这是因为此时的滑移需要克服整个滑移面上几乎所有的原子同时移动的阻力，故强度很高，接近理论强度。随着位错密度的增大，强度急剧下降，位错密度相当于图中退火状态时，强度最低，这是由于此时位错大大助长了塑性变形的进行，塑性变形抗力最低。但当位错密度继续增大时，又使强度增加。

图2．17 金属的强度与位错密度之间的关系

因此，从理论上讲，提高金属材料的强度有两种途径：一是完全消除晶体内部的位错和其他晶体缺陷，使其强度达到或接近于理论值；二是通过塑性变形等措施，在金属材料中产生大量位错等晶体缺陷来提高强度。近年来发现的非晶态金属或金属玻璃是没有金属特征的金属，可看作缺陷达到100％的极端情况，其强度也很高。

冷加工过程中除了力学性能的变化外，材料的物理性能和化学性能也有所改变。比如，由于晶格畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，给自由电子的运动造成一定干扰，从而使电阻率增高，电阻温度系数降低，磁滞与矫顽力略有增加而磁导率下降。此外，由于原子活动能力增大使扩散加速，抗蚀性减弱。

2．5．3 织构现象

由于多晶体在滑移变形的同时伴随着晶粒的转动，故在变形量达到一定的程度（70％～90％）时，原来晶格位向不同的各晶粒在空间的位向达到大体一致，这种现象称为择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构，如图2．18所示。变形织构随加工变形方式的不同主要有两种类型：拉拔引起的织构称之为丝织构；轧制引起的织构称为板织构。

织构的形成会造成多晶体金属的各向异性，甚至退火也难以消除，这在大多数情况下会使其加工成形性恶化。例如，用于深冲成形的板材，因织构的存在而造成不同方向变形能力的不均匀，使冲压件边缘出现所谓“制耳”缺陷（见图2．19）。但在某些情况下，织构又可以加以利用。如制造变压器铁芯的硅钢片，沿＜100＞晶向最易磁化，如果采用具有＜100＞织构的硅钢片制作，并在制作中使其＜100＞晶向平行于磁力线方向，就能使变压器铁芯的磁导率显著增大，磁滞损耗减小，大大提高变压器的效率。

图2．18 织构示意图

图2．19 因变形织构造成的制耳

2．5．4 残余内应力

金属材料经塑性变形后，外力对材料所做的功约有90％转变成热能散发掉了，但是约有10％以残余内应力形式的弹性能留在材料中，使内能增加。残余内应力就是指平衡于金属内部的应力，当外力去除后仍然保留下来的内应力。它的产生是由于金属内部各区域的变形不均匀以及相互之间的牵制作用所致。根据残余内应力的平衡范围不同，可分为3类：

①宏观残余内应力又称为第一类内应力，它是由工件不同部分（如表面与心部）的宏观变形不均匀引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。这类内应力只占总残余内应力的极小部分（通常为0．1％左右）。

②微观残余内应力又称为第二类内应力，是指平衡于晶粒或亚晶界之间的内应力。它是由于晶粒或亚晶界之间的变形不均匀性产生的，占总残余内应力的1％～2％。

③晶格畸变内应力又称为第三类内应力，它平衡于晶格畸变处的多个原子之间。它是由金属变形时产生的大量位错、空位等缺陷而产生，即由晶格畸变引起。它占总残余内应力的绝大部分（90％以上）。

这3种内应力对工件的影响是不同的。第三类内应力是使金属强化的主要原因，也是变形中的主要内应力。而第一、二类内应力虽占比例不大，但在多数情况下不仅会降低金属的强度，而且还会因随后应力松弛或重新分布而引起材料变形。此外，残余内应力还会使金属的抗腐蚀性下降，如变形的钢丝易生锈。因此，金属在塑性变形后通常要进行退火处理，以消除或降低这些内应力。