提高材料塑性变形的抗力

2．7．1 提高塑性变形抗力的意义

如前所述，塑性好的金属在成形与制造过程中，较容易被加工成预定形状与尺寸的机件。但在工程实用中绝大多数的机件都是不允许产生塑性变形的，因为变形会使它们丧失原有功效。如精密机床的丝杆，在工作中若产生微量的塑性变形就会使精度明显下降；炮筒如果有微量塑性变形就会使炮弹偏离射击目标；至于所有的弹簧件不管其形状如何都必须在弹性范围内工作也是不难理解的。

实验表明，在给定外加载荷的条件下，机件是否发生塑性变形取决于它的截面大小及所用材料的屈服强度σs。材料的屈服强度越高，即变形抗力越大，则发生塑形变形的可能性越小。可见提高材料的变形抗力，以使机件在使用过程中不发生过量的塑性变形而过早失效是必要的。

2．7．2 提高塑性变形抗力的途径

提高塑性变形抗力的过程称为材料的强化。金属材料的屈服强度可在很大范围内变化，它对金属的纯度、成分和热处理状态的变化非常敏感。由于金属的塑性变形主要是由位错的滑移运动造成的，各种强化方法的本质均是设法增大位错运动的阻力。

（1）细化晶粒

图2．27 几种金属在室温时的屈服强度与晶粒大小的关系

晶界是位错运动难以克服的障碍。晶界上原子排列紊乱，容易形成阻碍其他位错继续向晶界移动的反向应力。金属的晶粒越细，这一阻碍作用越强。金属的强度与其晶粒大小存在以下关系（HP关系式）：

σs＝σ0＋Kd－1／2

式中 d——晶粒尺寸；

σ0、K——与材料有关，与晶粒大小无关的常数，前者代表位错在晶内运动的总阻力，后者表征晶界对变形的影响，与晶界结构有关。

可见常温下晶粒尺寸越小，金属塑性受形的抗力越高，如图2．27所示。现已证实，HP关系式不仅可用于金属材料，也可用于陶瓷材料；不仅用于多晶体的晶粒，也可用于亚晶粒等。

晶粒细化不仅能显著提高强度，同时能提高韧性，降低韧脆转变温度，这是其他强化方法所不能比拟的。因此在金属材料的所有强化方法中，细化组织方法最受重视，在生产中被广泛应用。

（2）形成固溶体

固溶强化是强化金属的重要方法。由于溶质原子与基体金属（溶剂）原子的大小不同，形成固溶体后使基体晶格发生畸变，导致滑移面变得“粗糙”，增加了位错运动的阻力，因此提高了金属塑性变形的抗力。例如钢的淬火形成马氏体，使较多碳原子过饱和的固溶于铁素体中，因而获得显著强化。

（3）形成第二相

通常把在合金中呈连续分布且数量占多数的相称为基体相；把极细小分散粒子称为第二相。弥散分布的第二相可以提高金属塑性变形的抗力，这是因为它有效地阻碍了位错的运动。研究表明，当运动的位错在滑移面上遇到第二相粒子时必须提高外加应力，才能克服它的阻挡，使滑移继续进行，并且只有当第二相粒子的尺寸小于0．1～0．2μm时，这种阻挡效果才是最好的。

工程上金属材料常利用下列两种方法引入第二相粒子：

一是过饱和固溶体中析出，利用合金的溶解度随温度降低，沉淀析出细小的第二相粒子。如淬火钢回火时析出呈细小弥散分布的合金碳化物微粒。许多有色金属合金（铝合金、铜合金）是这一方法的典型实例。该方法又称为析出强化或沉淀强化。

二是粉末冶金方法，把互不相溶的弥散颗粒（例如氧化物）和金属粉末均匀混合后压实，再在高温下烧结，可得到强化的两相合金。如Al基体上分布Al2O3细小颗粒，Ni基体上分布Y2O3颗粒。这类两相合金不仅具有高的屈服强度，且在高温下有好的稳定性。该方法又称为弥散强化。

（4）采用冷加工变形

金属在发生塑性变形的过程中，欲使变形继续进行下去，必须不断增加外力。只要反复弯一根铁丝，马上就可感觉到越来越费劲。这说明金属中产生了阻止继续塑变的抗力。而这种抗力就是由于变形过程中位错密度不断增加，位错运动受阻所引起的（即加工硬化）。

采用冷加工变形对于提高金属板材和线材的强度有着很大的实用价值。例如，经冷拉拔的琴弦，具有很高的强度。此外，对于那些在热处理过程中不发生相变的金属，加工硬化则更是极为重要的强化手段。

金属材料除了可以整体冷变形外，工程上，例如航空工业广泛应用的滚压、喷丸就是表面冷变形强化工艺，不仅能强化金属表层，而且使工件表层产生很高的残余压应力（达500～1000MPa），有效地提高了工件的疲劳强度。