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金屬變形加工

金屬的變形包括：彈性變形和塑性變形。當(dāng)載荷卸掉以后，彈性變形會(huì)回復(fù)。塑性變形是在外力作用下，金屬發(fā)生的永久變形，這種變形是不可回復(fù)的。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)外加載荷超過(guò)材料的彈性極限并超過(guò)屈服點(diǎn)以后，金屬就會(huì)發(fā)生塑性變形。在這個(gè)過(guò)程中所輸入的能量就會(huì)被金屬屈服過(guò)程中位錯(cuò)的滑移和孿生所消耗。

軸向拉伸時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

塑性變形通常以滑移的方式發(fā)生，滑移通常沿著晶體中的原子密排面開動(dòng)，因?yàn)樵谠拥拿芘琶嫔祥_動(dòng)滑移所需要的能量最小。位錯(cuò)在晶粒中滑移一直到滑移出晶粒才會(huì)結(jié)束。于是，就在晶體的表面產(chǎn)生臺(tái)階，這種臺(tái)階就叫滑移帶。在就愛(ài)你剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移帶稱為剪切滑移帶，簡(jiǎn)稱剪切帶[Shear bands]。

金屬中的晶粒形貌

金屬晶粒中的位錯(cuò)形貌

滑移帶模型

滑移會(huì)連續(xù)發(fā)生，每次只產(chǎn)生一個(gè)臺(tái)階，所以晶體結(jié)構(gòu)會(huì)一直保持不變。對(duì)于大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，其密排面就是（111）晶面。因此，滑移帶通常在與主應(yīng)力呈45度角方向產(chǎn)生。

金屬中的剪切帶

在孿生情況下，晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。孿生是一種晶體結(jié)構(gòu)的扭折，在孿晶界兩側(cè)創(chuàng)造晶體結(jié)構(gòu)的鏡像。在孿生的過(guò)程中，原子只移動(dòng)一個(gè)原子間距的幾分之一的距離。不過(guò)，由于涉及許多原子的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。晶格的宏觀變化可以看到，有時(shí)甚至可以聽(tīng)到聲音。這里需要注意，在孿晶界兩側(cè)晶體的取向是不同的，但在滑移帶兩側(cè)，晶體的取向相同。

金屬中的孿晶形貌

在金屬板的沖壓過(guò)程中，零件是通過(guò)對(duì)坯料的拉伸成型的。在成型過(guò)程中坯料被固定在一個(gè)特定的位置。因此，相對(duì)于鍛造，沖壓是通過(guò)拉伸實(shí)現(xiàn)的，而不是壓縮實(shí)現(xiàn)的。

高壓扭轉(zhuǎn)加工示意圖

ECAP加工示意圖

嚴(yán)重塑性變形(SPD)是一種加工納米結(jié)構(gòu)金屬的方法。它是創(chuàng)造塊體納米材料的一種很吸引人的方法，因?yàn)樗簧婕笆褂眉{米粉末。通過(guò)SPD處理以后，材料的力學(xué)性能也會(huì)有顯著提升。在SPD加工過(guò)程中，材料會(huì)經(jīng)歷一個(gè)極高的塑性應(yīng)變，會(huì)導(dǎo)致大量的剪切變形。隨著應(yīng)變的增加，原來(lái)的粗晶粒會(huì)變得越來(lái)越小。這一結(jié)果會(huì)導(dǎo)致形成大量的納米晶粒，同時(shí)晶粒的取向差也變大。這些亞微米尺寸的晶粒取向差變大以后，塊體的力學(xué)性能以及磁性性能都會(huì)得到改善。

ECAP加工后的金屬微觀組織結(jié)構(gòu)

等通道角擠壓[ECAP]是SPD的一種。它是一種結(jié)構(gòu)，由于兩個(gè)圓形通道構(gòu)成，金屬通道設(shè)備的壓頭擠壓出去，引入較大的剪切變形。經(jīng)過(guò)一次ECAP以后，金屬樣品的直徑不變，所以可以對(duì)一個(gè)金屬樣品進(jìn)行多次ECAP加工，經(jīng)過(guò)多道次加工以后，晶粒會(huì)變得更加等軸和更加均勻，材料的強(qiáng)度和韌性都會(huì)極大的提升。每一次ECAP都會(huì)向金屬材料內(nèi)部引入較大的塑性變形。

有一種很特殊的變形，就是金屬在高應(yīng)變速率條件下的變形，如爆炸。這種變形的過(guò)程中在金屬內(nèi)部會(huì)留下一些特殊的結(jié)構(gòu)，稱為絕熱剪切局部化[Adiabatic shear localization]。局部剪切通常發(fā)生在金屬內(nèi)部一個(gè)較薄的區(qū)域內(nèi)，它很重要，因?yàn)樗ǔＪ墙饘侔l(fā)生失效的前兆。在多數(shù)情況下，局部剪切與結(jié)構(gòu)的局部軟化有關(guān)。這種軟化通常與熱或幾何原因有關(guān)。在幾何軟化過(guò)程中，晶體的結(jié)構(gòu)通常自己轉(zhuǎn)向容易滑移的方向。

絕熱剪切帶形貌

與熱有關(guān)的軟化，主要是因?yàn)榫植繙囟鹊脑黾訉?dǎo)致局部剪切。在極端的情況下，當(dāng)應(yīng)變速率極高時(shí)，局部產(chǎn)生的熱量無(wú)法從塑性變形區(qū)逃逸，這種剪切帶就稱為絕熱剪切帶[Adiabatic shear bands]。絕熱剪切帶是高速變形的一種重要特征，可以通過(guò)微觀組織結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行鑒定。