金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。许多工程、设备选用金属材料时一般会以力学性能作为主要依据，因此选材时必须掌握力学性能的主要指标，今天我们先来解析金属的塑性及塑性变形。
一、塑性及塑性变形
定义：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。一般也是通过拉伸试验测定。
1）断后伸长率
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，以δ表示。其计算公式为：
L0为试样原始标距长度，mm；L1为试样拉断后对接的标距长度，mm。工程上一般把δ≥5％的材料称为塑性材料,δ＜5％的材料称为脆性材料。
2）断面收缩率
断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 用符号Ψ表示。其数值按下式计算：
式中，S0为试样原始横截面积，mm2；S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积，mm2。
总结：δ和Ψ数值越大，材料的塑性越好。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成型工艺，而且在使用中万一超载，由于塑性好，能避免突然断裂。因此，大多数机械零件除要求有较高的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况下，断后伸长率达 5％或断面收缩率达10％的材料，即可满足大多数零件的使用要求。
金属材料经过冶炼浇注后大多都要进行塑性加工，如下图所示的轧制、挤压、拉丝、锻造和冲压等。
图1 金属压力加工方法示意图
金属在承受压力加工时，不仅会改变金属的外形和尺寸，其内部组织和性能也会产生重要的影响，如果选择的加工工艺不当，金属的形变超过塑性值就会产生塑性变形。
首先金属在外力的作用下变形分为两种：
弹性变形
弹性变形是由于外力克服了原子间的作用力，使部分原子稍微偏离原来的平衡位置，当外力去除后，原子返回原来的平衡位置，金属恢复原来的形状，因此弹性变形是在外力作用 下的临时变形。金属的弹性变形对金属的组织和性能没有改变。
塑性变形
塑性变形是永久变形，成型加工是利用塑性变形来实现的。塑性变形过程比弹性变形过程复杂 ，变形后金属的组织及性能均发生了改变。
3.1 单晶体的塑性变形
一般工程用金属材料多为多晶体，其塑性变形与各个晶粒的变形有关，因此单晶体塑性变形是研究多晶体变形的基础。
单晶体受力后外力可分解为正应力和切应力如下图所示，在正应力作用下只产生弹性形变并直接过渡到脆性断裂，在切应力作用下会产生塑性变形。
图2 应力分解图
单晶体的塑性变形有滑移和孪生两种方式：
1）滑移
单晶体的塑性变形主要是以滑移的形式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。如图3所示，当原子滑移到新的平衡位置就会产生微量的塑性形变，大量的滑移总和就形成金属在宏观上显示的塑性变形。
图3 单晶体的滑移变形
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
图4 三种典型的金属晶格滑移系
滑移系越多，金属越可能发生滑移，塑性相对应较好，一般来说，属于面心立方晶格的金属具有更好的塑性 （延展 性），如金、银、铜、铝等。这是由于面心立方晶格的金属，其原子排列较致密，滑移面之间的距离较大，在塑性变形时能参与滑移的滑移系较多。
2）孪生
孪生是指在切应力作用下，单晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向）产生剪切变形，如图5所示。孪生变形只有在滑移很难进行的情况下才发生。孪生变形会在周围引起很大的畸变，因此产生的塑性变形量比滑移小得多，但孪生变形引起晶体位向改变，因而能促进滑移的产生。
图5 单晶体的孪生变形
密排六方晶格金属滑移系少，一般以孪生方式变形，体心立方晶格金属只在低温或冲击作用下发生孪生形变；面心立方晶格金属一般不发生孪生变形，但常会有孪晶存在。
3.2 多晶体的塑性变形
晶粒的细化是金属的一种非常重要的强韧化手段，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化 。
3.3 合金的塑性变形
单相固溶体合金组织与纯金属相同，塑性变形过程与多晶体纯金属相似，但随着溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为固溶强化。
多相合金的塑性变形不仅与合金基体特性相关，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。其中第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，一般工业合金中第二相为化合物。 晶界呈现网状分布，合金强度塑性不佳； 晶内呈现片状分布，强度、硬度升高，塑性、韧性降低。
二、塑性变形对金属组织和性能的影响
1）晶粒变形
金属发生塑性变形时，其内部晶粒的形状也发生了变化。通常晶粒沿变形方向被压扁或拉长，当变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维状的组织， 称为纤维组织，如图6所示。
图6 塑性变形晶粒形状变化示意图
2）亚结构
金属产生塑性变形时，由于位错密度增加产生交互作用，局部堆积很多位错相互缠结且分布不均匀，使晶粒分化产生位向不同的小晶块，在晶粒内产生亚晶粒。
图7 金属经变形后的亚结构
3）产生形变织构
金属塑性变形到很大程度（70％以上）时 ，由于晶粒发生转动，使晶粒位向趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结构，称为形变织构。
形变织构一般分为两种：
一种是丝织构：大多数晶粒的某个晶向平行于拉拔方向；
一种是板织构：大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向。
图8 形变织构示意图
用有形变织构的板材冲制筒形零件时，由于在不同方向上的力学性能差别很大，零件的边缘形变出现“制耳”，同时因变形不均，零件的壁厚和硬度也不均匀。形变织构形成后很难消除，工业生产中为了避免形变织构，零件较大的变形量往往分几次变形来完成，并进行中间退火。
1）加工硬化
塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起金属力学性能变化。其显著的影响：随着变形程度的增大，金属的强度、硬度提高，而塑性和韧性明显下降，这种现象称为形变强化，也称加工硬化。
产生原因：
①变形量不断增加导致位错密度增加，又因为位错之间堆积和缠结，导致变形抗力增加。
②变形量增加，亚结构细化，空间密度增加。
加工硬化的实际意义：
①作为重要的强化手段，可用来提高金属材料的强度；
②能够将金属变形趋于均匀；
③金属具有较好的变形强化能力，能够保证零件和构件的工作安全性，也能防止短时超载引起断裂。
不利影响：
在冲压拉伸时，因为变形导致塑性下降，很难一次得到较深的筒形零件，需要多次进行，有的可能还需要中间退火处理来消除加工硬化。
2）产生残余应力
残余应力：除外力后残余留在金属内部的应力，由金属内部变形不均匀引起。
储存能：塑性变形中外力所做的功大部分转换为热，有一小部分以畸变能存在形变材料内部，这部分为储存能。具体表现方式为宏观残余应力、微观残余应力以及点阵畸变。
残余应力影响：残余应力的存在可能会降低工件的承载能力，导致工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐腐蚀性。
金属加工后的残余应力通常可通过去应力退火消除。
3）金属的物理、化学性能改变
不仅改变金属的力学性能，也能改变金属的物理、化学性能，使金属电阻增大，导磁性和耐腐蚀性降低等。
责任编辑：乔欣
审核人：游小秀
参考文献：林直义. 汽车材料技术[M]. 北京：机械工业出版社，2019.
来源：材易通
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