塑性變形的定義：
金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。
金屬材料塑性變形對使用性能和加工性能的影響
抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在承載時產生不可恢復的塑性變形；
塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。
塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。
塑性加工包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。
金屬塑性變形形式有冷變形、熱變形和溫變形。
冷變形是指在再結晶溫度以下的變形。變形后具有明顯的加工硬化現象(冷變形強化)。
如冷擠壓、冷軋、冷沖壓等。
熱變形是指在再結晶溫度以上的變形。在其變形過程中，其加工硬化隨時被再結晶所消除。因而，在此過程中表現不出加工硬化現象。
如熱軋、熱鍛、熱擠壓等。
溫變形是指介于冷、熱變形之間的變形，加工硬化和再結晶同時存在。
如：溫鍛、溫擠壓等。
塑性變形的微觀形式
一、晶內的塑性變形基本方式：滑移和孿生。
1.滑移
晶體在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑動叫滑移。
滑移是在切應力作用下發生的：當切應力超過彈性極限，晶體上下部分產生相對滑移。當應力足夠大，晶體就會發生斷裂。
滑移的結果是使晶體表面形成臺階，產生滑移線和滑移帶。
晶體中易發生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。
晶體滑移大多優先發生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向對滑移所起的作用比滑移面作用大；
面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。
塑性對比：面心立方>體心立方>密排六方。
2. 孿生變形
在切應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發生切變的變形過程。發生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶；孿晶與未變形部分晶體原子分布對稱。
孿生變形的特征：
孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進行的情況下才發生；滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發生孿生；體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時才發生孿生。
滑移與孿生的區別：
晶格取向：滑移前后晶格方向不變，孿生后晶格方向發生變化；
發生條件：孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進行的情況下才發生。
二、晶間變形，晶粒間的相對滑動和轉動
工程上使用的金屬絕大部分是多晶體；多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同；多晶體材料中，各個晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復雜得多。
1. 晶界的影響
晶界上原子排列不很規則,阻礙位錯的運動, 使變形抗力增大；金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度和塑性就越大。細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。
2.變形的不均勻性
晶粒的位向不同，變形有先后；隨著外力的增加，滑移是分批逐次進行的。應力分布有變化，造成不均勻變形。
三、合金的塑性變形
合金的組成相為固溶體時，溶質原子會造成晶格畸變，增加滑移抗力，產生固溶強化，塑性變形能力降低。溶質原子常常分布在位錯附近，降低了位錯附近的晶格畸變，使位錯易動性減小，形變抗力增加，強度升高。
冷塑性變形對金屬組織和性能的影響
一、金屬組織的變化
1.晶粒發生變形
金屬發生塑性變形后, 晶粒發生變形, 沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時, 晶粒變成細條狀(拉伸時), 金屬中的夾雜物和第二相也被拉長, 形成纖維組織。
塑性變形中的組織變化
2.冷變形亞結構形成
金屬經大的塑性變形時，由于位錯的密度增大并發生交互作用，大量位錯堆積在局部地區， 并相互纏結， 形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊， 從而在晶粒內產生亞結構（亞晶粒）。
3.冷變形形變織構
在塑性變形中，隨著變形大程度的增加，各個晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉動，使各晶粒的位向呈現一定程度的規律性，這一現象稱為擇優取向，這種組織狀態稱為形變織構。
按照產品外形，變形織構可分為：絲織構和板織構。
絲織構：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經大變形量冷拔后,其（100）平行于拔絲方向;
板織構：各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構為{001}（110）。
二、對金屬性能的影響
1.形變強化
金屬發生塑性變形時，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降，這種現象稱為加工硬化，也叫形變強化或冷作硬化。
在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。
金屬發生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結, 造成位錯運動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。晶粒破碎細化, 使強度得以提高。（細晶效應）
加工硬化是金屬材料五大強化手段之一；在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。特別是對于純金屬和不能熱處理強化的材料，冷變形加工是強化它們的主要手段。
金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個工件上，而不致于集中在某些局部而導致最終斷裂。
構件在使用過程中，往往不可避免地會某些部位出現應力集中和過載現象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到平衡，變形就不會繼續發展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。
2.產生各向異性
纖維組織和變形織構的形成,使金屬產生各向異性； 沿纖維方向的強度和塑性高于垂直方向。有織構的板材沖制筒形零件時,由于各方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現“制耳”。
但是，變壓器用硅鋼片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生產中通過軋制可獲得具有（110）[001]織構和磁化性能優異的硅鋼片。
在冷變形過程中不發生軟化過程的愈合作用，因滑移（位錯的運動及其受阻、雙滑移、交叉滑移等），孿晶等過程的復雜作用以及各晶粒所產生的相對轉動與移動，造成了在晶粒內部及晶粒間界處出現一些顯微裂紋、空洞等缺陷使金屬密度減少，是造成金屬顯微裂紋的根源。
3.產生殘余內應力
塑性變形中外力所作的功除大部分轉化成熱外，還有一小部分以畸變能的形式存儲在材料內部，這部分存儲能的具體表現方式為：宏觀殘余應力、微觀殘余應力、點陣畸變。
金屬經塑性變形后的殘余應力是不可避免的，這對工件的變形、開裂和應力腐蝕產生影響和危害。
金屬塑性變形后的殘余應力，可以通過去應力退火來消除；例如：經拉延成型的黃銅彈殼在280℃左右進行去應力退火，以避免變形和應力腐蝕。
殘余應力的應用：有意控制殘余應力的分布，使其與工作應力方向相反，可以提高工件的力學性能，如車架承重板簧。
4.對物理性能的影響
密度、導熱、導電、導磁性下降。晶間物質的破壞使晶粒直接接觸、晶粒位向有序化、晶間出現了顯微裂紋、裂口、空洞等缺陷致使金屬的密度降低。
原子脫離其平衡位置，位錯密度的增加
化學活性增加，電極電位提高，耐腐蝕性下降結構缺陷多，自由焓升高，擴散速度快。
冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化
金屬冷變形使材料內部空位、位錯等結構缺陷密度增加，畸變能升高，使其處于熱力學不穩定的高自由能狀態。因此材料具有自發恢復到變形前低自由能狀態的趨勢。當冷變形金屬加熱時會發生回復、再結晶和晶粒長大等過程。
1.回復
變形后金屬在較低溫度加熱，發生回復過程。
晶粒內部位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態，顯微組織不發生明顯變化；實際應用：對變形金屬進行去應力退火、降低殘余內應力，保留加工硬化效果。
2、再結晶
變形后的金屬在較高溫度加熱時，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶，這個過程稱為再結晶。只有經過塑性變形的金屬才會發生再結晶。
再結晶對金屬組織、性能的影響
變形金屬再結晶后，強度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現象被消除，內應力全部消失；物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。
再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。
再結晶溫度
再結晶溫度是一溫度范圍，并非一恒定溫度；
再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再)：用經過嚴重冷塑性變形的金屬,經1小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度：
T再=0.4T熔點
式中溫度單位為絕對溫度(K)。
再結晶溫度影響因素：
1)變形程度
2)金屬純度 ：純度越高,最低再結晶溫度也就越低
3）加熱速度
再結晶是一擴散過程,需一定時間才能完成；提高加熱速度會使再結晶在較高溫度下發生；原始晶粒越粗大,再結晶溫度越高。
晶粒長大及影響再結晶后晶粒大小的因素
加熱溫度過高或保溫時間過長，晶粒會長大，得到粗大晶粒，使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能顯著降低。
影響再結晶后晶粒大小的因素：
1）加熱溫度和保溫時間
2）變形度
3）加熱速度
在回復階段，各材料釋放的存儲能量均較小，再結晶晶粒出現的溫度對應于儲能釋放曲線的高峰處。
冷變形金屬加熱時組織和性能變化
金屬的熱加工及其對組織、性能影響
鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結晶溫度以上發生塑性變形后，隨即發生再結晶；塑性變形引起的加工硬化隨即消除，使材料保持良好的塑性狀態。
熱加工與冷加工的區別
熱加工和冷加工不是根據變形時是否加熱來區分，而是根據變形時的溫度處于金屬的再結晶溫度以上還是以下來劃分。
熱加工：在再結晶溫度以上的塑性變形加工。
冷加工：在再結晶溫度以下的塑性變形加工。
一、熱變形主要機理
1.晶內滑移
在通常條件下，熱變形的主要機理是晶內滑移。這是由于高溫時原子間距增大，原子的熱振動及擴散速度增加，位錯的滑移、攀移、交滑移及位錯結點脫錨比低溫時來得容易，滑移系增多，滑移的靈活性提高，改善了各晶粒之間變形的協調性，晶界對位錯運動的阻礙作用減弱。
2.晶界滑移
熱塑性變形時，由于晶界強度低于晶內，使得晶界滑動容易進行，又由于熱增加擴散作用，及時消除晶界滑動所引起的破壞。因此，與冷變形相比，晶界滑動的變形量要大。三向壓應力的作用會通過塑性粘焊效應及時修復高溫晶界滑移所產生裂紋，產生較大的晶間變形。
盡管如此，在常規的熱變形條件下，晶界滑動相對于晶內滑移變形量還是小的。只有在微細晶粒的超塑性變形條件下，晶界滑動機理才起主要作用，并且晶界滑動是在擴散蠕變調節下進行的。
3.擴散性蠕變
擴散性蠕變是在應力場作用下，由空位的定向移動所引起的。在應力場作用下，受拉應力晶界的空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化學勢能差，引起空位的定向移動，即空位從垂直于拉應力的晶界放出，而被平行于拉應力的晶界所吸收。按擴散途徑的不同，可分為晶內擴散和晶界擴散。晶內擴散引起晶粒在拉應力方向上的伸長變形，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴散引起晶粒的“轉動”。
擴散性蠕變即使在低應力誘導下，也會隨時間的延續而不斷地發生，只不過進行的速度很緩慢。溫度越高、晶粒越細和應變速率越低，擴散蠕變所起的作用就越大。這是因為溫度越高，原子的動能和擴散能力就越大；晶粒越細，則意味著有越多的晶界和原子擴散的路程越短；而應變速率越低，表明有更充足的時間進行擴散。在回復溫度以下的塑性變形，這種變形機理所起的作用不明顯，只在很低的應變速率下才有考慮的必要，而在高溫下的塑性變形，特別是在超塑性變形和等溫鍛造中，這種擴散性蠕變則起著非常重要的作用。
溫度高（能量大），晶粒細（路程短），應變速率低（時間多）擴散蠕變作用大。
熱塑性變形中的軟化過程
二、熱變形對金屬組織的影響
1.加工流線
熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成纖維組織(或稱“流線”)，使金屬的力學性能特別是塑性和韌性具有方向性，縱向上的性能顯著大于橫向上的。因此熱加工時應力求工件流線分布合理。
鍛造曲軸的合理流線分布，可保證曲軸工作時所受的最大拉應力與流線一致，而外加剪切應力或沖擊力與流線垂直，使曲軸不易斷裂。
2.帶狀組織
復相合金中的各個相，在熱加工時沿著變形方向交替呈帶狀分布的組織。往往是由于枝晶偏析或夾雜物在壓力加工過程中被拉長所造成的。鋼中的鐵素體或滲碳體以伸長的雜質為核心形核，形成帶狀組織。
缺點：
導致材料的各向異性
避免在兩相區變形；
減少夾雜元素含量；
采用高溫擴散退火或正火可以消除帶狀組織。
3.網狀組織
鋼材內部缺陷之一，表現為熱加工的鋼材冷卻后沿奧氏體晶界析出的過剩碳化物(指過共析鋼等)或鐵素體(指亞共析鋼)形成的網狀結構。組織晶粒粗大，塑性和沖擊韌性嚴重下降。控制加熱溫度，提高塑性加工時的壓縮比，控制冷卻速度，或正火熱處理，均可改善或減輕網狀碳化物組織。
4，改善組織，提高性能，
改造鑄態組織：壓縮（焊合）鑄態金屬的組織的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷。
細化晶粒：軋制破壞粗大柱狀晶、樹枝晶，通過熱變形與再結晶形成細小等軸晶粒，甚至亞晶組織。
破碎夾雜物：破碎夾雜物和第二相并改變它們的分布狀態，有效改善材料性能。
三、低應變速率下熱變形
1.超塑性
指材料在一定的內部條件和外部條件下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現象。超塑性的特點有大延伸率，無縮頸，小應力，易成形。
實現條件：一定的變形溫度；低的應變速率；細小晶粒
本質：晶界的轉動；晶粒的轉動 。
分類：極細等軸晶粒（直徑五微米以下）下超塑性稱為超細晶粒超塑性；通過組織中發生相轉變，在相變點附近加工完成超塑性，稱為相變超塑性。
優點：無晶內滑移無位錯密度升高；長時間晶粒微略長大但保持等軸；帶狀分布合金可均勻化等。
缺點：加工時間較長。
2.蠕變
構件在工作溫度及恒定壓力作用下（通常<σs），發生緩慢而又連續的塑性流變現象。
機制：位錯蠕變；擴散蠕變；晶界滑動蠕變。
研究蠕變行為對于高溫條件下使用的材料（航空發動機、高壓蒸汽鍋爐、大型化工設備等）具有重要工程意義。
冷和熱變形的對比
冷變形性能變化是單向的
熱變形性能變化是雙向的：不顯現加工硬化
冷變形屬加工硬化；熱變形屬細晶強化
冷變形強度提高，但塑韌性嚴重下降；而熱變形各方面性能均有所提升
冷變形晶體可能被破壞，晶內、晶界可能產生微裂紋，甚至宏觀裂紋，此外還有殘余應力
熱變形不易產生織構
冷變形組織和性能一般更均勻(加工工件本身決定)
冷加工尺寸精度更高，表面光潔度更好
特殊應用：
冷變形---純金屬/奧氏體鋼加工硬化
熱變形---超塑性
End
