2.2.3 金属多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形和单晶体的塑性变形没有本质的区别。但是，多晶体是由许多位向不同的晶粒组成的，晶粒与晶粒之间是晶界，从图2-14中看出，晶粒A的滑移面与拉力轴大致呈45°夹角，处于分切应力最大的有利位向（软位向），而晶粒C的滑移面与拉力接近平行，处于不利位向（硬位向）。随应力增大，处于软位向晶粒中的位错先发生滑移，而处于硬位向晶粒中的位错后发生滑移，所以，各个晶粒的塑性变形不是同时开始的。
图2-14 多晶体的软位向和硬位向
2.2.3.1 晶界的强化和韧化作用
多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，它们的变形必然要与其他临近的晶粒相互协调配合。当位错运动到晶界时，在晶界处塞积，造成应力集中，在相邻晶粒内产生附加的应力场，促使相邻晶粒协调变形，如图2-15所示。
图2-15 位错在晶界处塞积不能穿过晶界
图2-16是位错在晶界塞积的透射电镜照片，可以看到离晶界越远位错之间的距离越大。晶粒越细小，晶界越多，位错越不容易运动，强度越高。图2-17是低碳钢在不同温度拉伸时的屈服强度与晶粒直径之间的关系。从图2-17中看出：①屈服强度与晶粒直径的关系符合霍尔-佩奇公式（1-13）；②随试验温度降低，屈服强度升高。
细晶粒易于协调，使塑性提高。晶界是滑移的障碍，晶界的存在提高了材料的强度，晶粒越细小，不仅强度越高，而且塑性和韧性也越高，所以在实际中应尽量使晶粒得到细化。
图2-16 位错在晶界塞积
图2-17 低碳钢屈服强度与晶粒直径关系
2.2.3.2 塑性变形对显微组织的影响
多晶体经过强烈的塑性变形，晶粒被拉长，由变形前的等轴状晶粒变为长条形或扁平形晶粒，称其为纤维组织。图2-18是铜经不同程度冷轧后的光学显微组织，随变形量增大，晶粒被拉长，形成纤维组织。
图2-18 铜经不同程度冷轧后的光学显微组织
在变形过程中各个晶粒的滑移面和滑移方向逐渐与变形方向趋于一致，这种现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构。形变织构分为两种：丝织构和板织构，如图2-19所示。织构的产生会使材料出现各向异性，在产生织构的方向上强度提高，垂直于织构的方向上强度降低。用有织构的板材进行冲压时影响到冲压成形性能，如图2-20所示。
图2-19 丝织构和板织构
图2-20 织构对冲压件的影响
2.2.3.3 塑性变形对亚结构的影响
随着塑性变形量的增大，晶体中的位错不断增殖，位错密度迅速提高，位错在运动过程中发生缠结，形成位错胞（亚晶粒），如图2-21所示。亚晶粒内位错密度低，亚晶粒间形成高密度位错，位错缠结在一起形成亚晶界，亚晶粒尺寸只有数百纳米。
图2-21 铜经不同程度冷轧后的透射电镜形貌
2.2.3.4 塑性变形对金属力学性能的影响
如前所述，晶体在变形过程中发生转动，位向发生变化，使cosϕcosλ［式（2-3）］增大，只有继续增大应力才能继续变形。随变形量增大，位错密度提高，形成亚晶粒，亚晶界阻碍位错运动，也需要增大应力才能继续变形。因此，随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，称之为加工硬化。图2-22是铜和铝的屈服强度与亚晶粒尺寸的关系，随亚晶粒尺寸减小屈服强度提高，并且也符合霍尔-佩奇公式。图2-23是纯铁的力学性能与变形量关系。布氏硬度由未变形时的60HBS，经80%变形后增加到了120HBS；屈服强度由未变形时的100MPa，经80%变形后增加到了400MPa；抗拉强度由未变形时的210MPa，经80%变形后增加到了400MPa；而延伸率由未变形时的60%，经80%变形后降到了8%。
图2-22 铜和铝的屈服强度与亚晶粒尺寸的关系
图2-23 纯铁的力学性能与变形量关系
2.2.3.5 塑性变形对残余应力的影响
在弹性变形阶段，外力去除后变形恢复，原子又回到了原来的平衡位置，如果原来材料中不存在残余应力，那么外力去除后也没有残余应力。但是，多晶体塑性变形之后，由于变形不均匀，外力去除后会存在残余应力。这些残余应力可分为三大类：宏观内应力、微观内应力和点阵畸变。
宏观内应力的作用范围大，通常在毫米数量级内达到平衡。其产生的原因是工件不同部位或不同深度的宏观变形不均匀。例如承受弯曲的梁发生塑性变形，承受拉应力的位置卸载后变为残余压应力，原来承受压应力的位置卸载后变为残余拉应力。
微观内应力的作用范围与晶粒尺寸相当，是晶粒与晶粒或亚晶粒与亚晶粒之间的变形不均匀引起的。
点阵畸变是由空位和间隙原子和位错等晶体缺陷而引起的。作用范围约几百个到几千个原子范围内。
外加应力与残余应力叠加是作用在材料上的应力。如果残余应力为拉应力，则与外加拉应力叠加后应力增大，促使材料变形和断裂，是有害的，它常导致材料及工件的变形、开裂和应力腐蚀。如果残余应力为压应力，则与外加拉应力叠加后应力减小，提高零件的使用寿命。工件中的宏观残余应力如果在储存、使用过程中减小，则会引起工件的变形。
微观残余应力往往更大，总可以与外加应力产生叠加效应，促使位错运动，降低弹性极限。
生产加工中可以通过退火处理减小或消除残余应力。当然不是所有的残余应力都是不好的，残余压应力也可提高工件使用寿命。表面喷丸、滚压和表面淬火以及化学热处理等都能增加表面残余压应力，提高零件寿命。
知识巩固2-4
1.在多晶体中，各个晶粒是同时开始塑性变形的。（ ）
2.多晶体塑性变形时，邻近晶粒需要相互协调配合，细晶粒易于协调，塑性高。（ ）
3.晶界是位错运动的障碍，阻碍位错运动，具有强化作用，细化晶粒可以提高强度。（ ）
4.在塑性变形过程中，晶粒会沿着变形方向伸长成为长条形或扁平形晶粒，称其为纤维组织。（ ）
5.随着塑性变形增大，位错发生增殖、缠结形成亚晶粒，使强度提高。（ ）
6.在变形过程中各个晶粒的滑移面和滑移方向逐渐与变形方向趋于一致，这种现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构。（ ）
7.出现形变织构的多晶体仍然具有各向同性的特点。（ ）
8. RP0.2=580MPa，A=30%的材料经过塑性变形，RP0.2提高，同时A也增大。（ ）
9.塑性变形使材料产生残余应力。（ ）
10.残余拉应力降低零件的使用寿命而残余压应力可提高零件的使用寿命。（ ）