塑性變形

材料在外力作用下產生形變，而在外力去除後，彈性變形部分消失，不能恢復而保留下來的的那部分變形即為塑性變形 。

材料在外力作用下產生應力和應變（即變形）。當應力未超過材料的彈性極限時，產生的變形在外力去除後全部消除，材料恢復原狀，這種變形是可逆的彈性變形。當應力超過材料的彈性極限，則產生的變形在外力去除後不能全部恢復，而殘留一部分變形，材料不能恢復到原來的形狀，這種殘留的變形是不可逆的塑性變形。在鍛壓、軋製、拔制等加工過程中，產生的彈性變形比塑性變形要小得多，通常忽略不計。這類利用塑性變形而使材料成形的加工方法，統稱為塑性加工。 ^[2] 

固態金屬是由大量晶粒組成的多晶體，晶粒內的原子按照體心立方、面心立方或緊密六方等方式排列成有規則的空間結構。由於多種原因，晶粒內的原子結構會存在各種缺陷。原子排列的線性參差稱為位錯。由於位錯的存在,晶體在受力後原子容易沿位錯線運動，降低晶體的變形抗力。通過位錯運動的傳遞，原子的排列發生滑移和孿晶（圖1）。滑移使一部分晶粒沿原子排列最緊密的平面和方向滑動，很多原子平面的滑移形成滑移帶，很多滑移帶集合起來就成為可見的變形。孿晶是晶粒一部分相對於一定的晶面沿一定方向相對移動，這個晶面稱為孿晶面。原子移動的距離和孿晶面的距離成正比。兩個孿晶面之間的原子排列方向改變，形成孿晶帶。滑移和孿晶是低温時晶粒內塑性變形的兩種基本方式。多晶體的晶粒邊界是相鄰晶粒原子結構的過渡區。晶粒越細，單位體積中的晶界面積越大，有利於晶間的移動和轉動。某些金屬在特定的細晶結構條件下，通過晶粒邊界變形可以發生高達 300～3000%的延伸率而不破裂。

金屬在室温下的塑性變形，對金屬的組織和性能影響很大，常會出現加工硬化、內應力和各向異性等現象。

塑性變形引起位錯增殖，位錯密度增加，不同方向的位錯發生交割，位錯的運動受到阻礙，使金屬產生加工硬化。加工硬化能提高金屬的硬度、強度和變形抗力，同時降低塑性，使以後的冷態變形困難。

塑性變形在金屬體內的分佈是不均勻的，所以外力去除後，各部分的彈性恢復也不會完全一樣，這就使金屬體內各部分之間產生相互平衡的內應力，即殘餘應力。殘餘應力降低零件的尺寸穩定性，增大應力腐蝕的傾向。

金屬經冷態塑性變形後，晶粒內部出現滑移帶或孿晶帶。各晶粒還沿變形方向伸長和扭曲。當變形量很大（如70%或更大）而且是沿着一個方向時，晶粒內原子排列的位向趨向一致，同時金屬內部存在的夾雜物也被沿變形方向拉長形成纖維組織，使金屬產生各向異性。沿變形方向的強度、塑性和韌性都比橫向的高。當金屬在熱態下變形，由於發生了再結晶，晶粒的取向會不同程度地偏離變形方向，但夾雜物拉長形成的纖維方向不變，金屬仍有各向異性。

經過冷變形的金屬，如加熱到一定温度並保持一定的時間，原子的激活能增加到足夠的活動力時，便會出現新的晶核，併成長為新的晶粒，這種現象稱為再結晶。經過再結晶處理後，冷變形引起的晶粒畸變以及由此引起的加工硬化、殘餘應力等都會完全消除。

通常以經一小時保温完成再結晶的温度為金屬的再結晶温度。各種金屬的再結晶温度，按絕對温度(K)計大約相當於該金屬熔點的40～50%。 低碳鋼的再結晶温度約460℃。當變形程度較小時，在再結晶過程中，尤其是當温度偏高時，再結晶的晶粒特別粗大。因此如要晶粒細小，金屬材料在再結晶處理前會有較大的變形量。

再結晶温度對金屬材料的塑性加工非常重要。在再結晶温度以上進行的塑性加工和變形稱為熱加工和熱變形；在再結晶温度以下進行的塑性加工和變形稱為冷加工和冷變形。熱變形時，金屬材料在變形過程中不斷地發生再結晶，不引起加工硬化，假如緩慢地冷卻，也不出現內應力。 ^[3] 

冷變形後的金屬，當加熱到稍低於再結晶温度時，通過原子的擴散會減少晶體的缺陷，降低晶體的畸變能，從而減小內應力；但是不出現新的晶粒，金屬仍保留加工硬化和各向異性，這就是金屬的回覆。這樣的熱處理稱為去應力退火。 ^[3] 

塑性變形變形量的大小，常依變形方式的不同用不同的指標來表示。有的用坯料變形前後截面積的變化表示，有的用某一方向長度的變化表示，扭轉時用轉角的大小表示。鐓粗和壓縮的變形量在工程上常用壓縮率表示。如坯料原始高

，鐓粗後高

（圖2），則壓下量△H=

－

，壓縮率為金屬在鍛壓過程中所能承受的變形量有一定的限值。金屬能承受較大的變形量而不破裂的性能稱為塑性。金屬的塑性可由實驗測定(見鍛造性能試驗)。金屬塑性的好壞與化學成分、內部組織結構、變形温度和速度、變形方式等因素有關。純金屬和合金元素低的金屬（如鋁、紫銅、低碳鋼等）塑性好，高合金和含雜質多的金屬塑性差。一般金屬在低温時塑性差，高温時塑性好。金屬的塑性還與變形方式有關，例如在自由鍛鐓粗時，坯料的周圍向外凸出，材料受拉應力，金屬的塑性低，容易開裂。擠壓時，坯料三向受壓，金屬的塑性高。在很小的變形下就開裂的金屬稱為脆性材料，如鑄鐵。脆性材料通常不宜鍛壓加工。

變形力 　在鍛壓過程中，坯料內部一般處於三向應力狀態。開始塑性變形的應力不是由某一方向的應力單獨確定的。用1、2、3代表坯料內任意一點單元體上三個相互垂直方向的主應力(圖3) ^[4]  ，實驗表明，如要這個單元體發生塑性變形，則三個主應力所引起的彈性畸變能應達到一定值。它的數學表達式為

式中Y為金屬的變形抗力，由抗拉試驗或抗壓試驗測定。上式表示金屬坯料內任意一點開始塑性變形時三個方向主應力所應達到的條件，稱為屈服準則。在鍛壓過程中，坯料內某些面上各點都會發生塑性變形，這時所加的外力稱為變形力。

影響變形力P 的主要因素有4個，即

式中Y為金屬的靜載變形抗力，它與化學成分、温度、變形過程等有關。低碳鋼的變形抗力低，高合金鋼的變形抗力高；低温時變形抗力高，高温時變形抗力低；

室温下的退火金屬在開始鍛壓時變形抗力低，經過變形產生加工硬化後變形抗力增高。A為鍛件加力方向的橫截面積。

為應變速率係數。在慢速的液壓機上鍛壓時，

=1～1.5；在應變速率高的鍛錘上鍛壓時，

埍3。

為多餘功係數，它與變形方式有關，例如自由鍛時壞料側表面不受約束，

=1～2.5；模鍛和擠壓時，金屬的流動受模膛約束，

=2.5～6。另外,模膛表面的粗糙度和潤滑狀況也有影響，鍛模表面光潔且有良好的潤滑時

較小；模具表面粗糙且沒有潤滑時，

較大。