1、塑性变形中文名称：塑性变形 英文名称：plastic deformation 定义：岩体、土体受力产生的、力卸除后不能恢复的那部分变形。 应用学科：水利科技（一级学科）；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科）；土力学（水利）（三级学科） 塑性变形（Plastic Deformation），的定义是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。材 料 在 外 力 作 用 下 产 生 而 在 外 力 去 除 后 不 能 恢 复 的 那 部 分 变 形 塑 性 变 形。 材 料 在 外 力 作 用 下 产 生 应 力 和 应 变
2、 （ 即 变 形 ） 。 当 应 力 未 超 过 材 料 的 弹性 极 限 时 ， 产 生 的 变 形 在 外 力 去 除 后 全 部 消 除 ， 材 料 恢 复 原 状 ， 这 种 变 形 是可 逆 的 弹 性 变 形 。 当 应 力 超 过 材 料 的 弹 性 极 限 ， 则 产 生 的 变 形 在 外 力 去 除 后不 能 全 部 恢 复 ， 而 残 留 一 部 分 变 形 ， 材 料 不 能 恢 复 到 原 来 的 形 状 ， 这 种 残 留的 变 形 是 不 可 逆 的 塑 性 变 形 。 在 锻 压 、 轧 制 、 拔 制 等 加 工 过 程 中 ， 产 生 的弹 性 变 形 比
3、塑 性 变 形 要 小 得 多 ， 通 常 忽 略 不 计 。 这 类 利 用 塑 性 变 形 而 使 材 料成 形 的 加 工 方 法 ， 统 称 为 塑 性 加 工 。 机 理固 态 金 属 是 由 大 量 晶 粒 组 成 的 多 晶 体 ， 晶 粒 内 的 原 子 按 照 体 心 立 方 、面 心 立 方 或 紧 密 六 方 等 方 式 排 列 成 有 规 则 的 空 间 结 构 。 由 于 多 种 原 因 ， 晶 粒内 的 原 子 结 构 会 存 在 各 种 缺 陷 。 原 塑 性 变 形子 排 列 的 线 性 参 差 称 为 位 错 。 由 于 位 错 的 存 在 ,晶 体 在 受
4、力 后 原 子 容 易 沿 位错 线 运 动 ,降 低 晶 体 的 变 形 抗 力 。 通 过 位 错 运 动 的 传 递 ， 原 子 的 排 列 发 生 滑移 和 孪 晶 （ 图 1） 。 滑 移 是 一 部 分 晶 粒 沿 原 子 排 列 最 紧 密 的 平 面 和 方 向 滑 动 ，很 多 原 子 平 面 的 滑 移 形 成 滑 移 带 ， 很 多 滑 移 带 集 合 起 来 就 成 为 可 见 的 变 形 。孪 晶 是 晶 粒 一 部 分 相 对 于 一 定 的 晶 面 沿 一 定 方 向 相 对 移 动 ， 这 个 晶 面 称 为 孪晶 面 。 原 子 移 动 的 距 离 和 孪 晶
5、 面 的 距 离 成 正 比 。 两 个 孪 晶 面 之 间 的 原 子 排 列方 向 改 变 ， 形 成 孪 晶 带 。 滑 移 和 孪 晶 是 低 温 时 晶 粒 内 塑 性 变 形 的 两 种 基 本 方式 。 多 晶 体 的 晶 粒 边 界 是 相 邻 晶 粒 原 子 结 构 的 过 渡 区 。 晶 粒 越 细 ， 单 位 体积 中 的 晶 界 面 积 越 大 ， 有 利 于 晶 间 的 移 动 和 转 动 。 某 些 金 属 在 特 定 的 细 晶 结构 条 件 下 ， 通 过 晶 粒 边 界 变 形 可 以 发 生 高 达 300 3000 的 延 伸 率 而 不 破裂 。 影 响
6、金 属 在 室 温 下 的 塑 性 变 形 ， 对 金 属 的 组 织 和 性 能 影 响 很 大 ， 常 会 出 现 加工 硬 化 、 内 应 力 和 各 向 异 性 等 现 象 。 加 工 硬 化塑 性 变 形 引 起 位 错 增 殖 ， 位 错 密 度 增 加 ， 不 同 方 向 的 位 错 发 塑 性 变 形 力 学 原 理生 交 割 ， 位 错 的 运 动 受 到 阻 碍 ， 使 金 属 产 生 加 工 硬 化 。 加 工 硬 化 能 提 高 金属 的 硬 度 、 强 度 和 变 形 抗 力 ， 同 时 降 低 塑 性 ， 使 以 后 的 冷 态 变 形 困 难 。 内 应 力塑 性
7、 变 形 在 金 属 体 内 的 分 布 是 不 均 匀 的 ， 所 以 外 力 去 除 后 ， 各 部 分 的 弹性 恢 复 也 不 会 完 全 一 样 ， 这 就 使 金 属 体 内 各 部 分 之 间 产 生 相 互 平 衡 的 内 应 力 ，即 残 余 应 力 。 残 余 应 力 降 低 零 件 的 尺 寸 稳 定 性 ， 增 大 应 力 腐 蚀 的 倾 向 。 各 向 异 性金 属 经 冷 态 塑 性 变 形 后 ， 晶 粒 内 部 出 现 滑 移 带 或 孪 晶 带 。 各 晶 粒 还 沿 变形 方 向 伸 长 和 扭 曲 。 当 变 形 量 很 大 (如 70 或 更 大 )而
8、且 是 沿 着 一 个 方 向 时 ，晶 粒 内 原 子 排 列 的 位 向 趋 向 一 致 ， 同 时 金 属 内 部 存 在 的 夹 杂 物 也 被 沿 变 形 方向 拉 长 形 成 纤 维 组 织 ， 使 金 属 产 生 各 向 异 性 。 沿 变 形 方 向 的 强 度 、 塑 性 和 韧性 都 比 横 向 的 高 。 当 金 属 在 热 态 下 变 形 ， 由 于 发 生 了 再 结 晶 ， 晶 粒 的 取 向 会不 同 程 度 地 偏 离 变 形 方 向 ， 但 夹 杂 物 拉 长 形 成 的 纤 维 方 向 不 变 ， 金 属 仍 有 各向 异 性 。 再 结 晶 和 回 复经
9、过 冷 变 形 的 金 属 ， 如 加 热 到 一 定 温 度 并 保 持 一 定 的 时 间 ， 原 子 的 激 活能 增 加 到 足 够 的 活 动 力 时 ， 便 会 出 现 新 的 晶 核 ， 并 成 长 为 新 的 晶 粒 ， 这 种 现象 称 为 再 结 晶 。 经 过 再 结 晶 处 理 后 ， 冷 变 形 引 起 的 晶 粒 畸 变 以 及 由 此 引 起 的加 工 硬 化 、 残 余 应 力 等 都 会 完 全 消 除 。 再 结 晶 温 度 通 常 以 经 一 小 时 保 温 完 成 再 结 晶 的 温 度 为 金 属 的 再 结 晶 温 度 。 各 种 金 属的 再 结
10、晶 温 度 ， 按 绝 对 温 度 (K)计 大 约 相 当 于 该 金 属 熔 点 的 40 50 。 低碳 钢 的 再 结 晶 温 度 约 460 。 当 变 形 程 度 较 小 时 ,在 再 结 晶 过 程 中 ， 尤 其 是当 温 度 偏 高 时 ， 再 结 晶 的 晶 粒 特 别 粗 大 。 因 此 如 要 晶 粒 细 小 ， 金 属 材 料 在 再结 晶 处 理 前 会 有 较 大 的 变 形 量 。 再 结 晶 温 度 对 金 属 材 料 的 塑 性 加 工 非 常 重 要 。 在 再 结 晶 温 度 以 上 进 行 的塑 性 加 工 和 变 形 称 为 热 加 工 和 热 变
11、形 ； 在 再 结 晶 温 度 以 下 进 行 的 塑 性 加 工 和变 形 称 为 冷 加 工 和 冷 变 形 。 热 变 形 时 ， 金 属 材 料 在 变 形 过 程 中 不 断 地 发 生 再结 晶 ， 不 引 起 加 工 硬 化 ， 假 如 缓 慢 地 冷 却 ， 也 不 出 现 内 应 力 。 回 复 冷 变 形 后 的 金 属 ， 当 加 热 到 稍 低 于 再 结 晶 温 度 时 ， 通 过 原 子 的 扩 散 会 减少 晶 体 的 缺 陷 ， 降 低 晶 体 的 畸 变 能 ， 从 而 减 小 内 应 力 ； 但 是 不 出 现 新 的 晶 粒 ，金 属 仍 保 留 加 工
12、硬 化 和 各 向 异 性 ， 这 就 是 金 属 的 回 复 。 这 样 的 热 处 理 称 为 去应 力 退 火 。 变 形 量 和 塑 性塑 性 变 形 变 形 量 的 大 小 ， 常 依 变 形 方 式 的 不 同 用 不 同 的 指 标 来 表 示 。 有的 用 坯 料 变 形 前 后 截 面 积 的 变 化 表 示 ,有 的 用 某 一 方 向 长 度 的 变 化 表 示 ,扭转 时 用 转 角 的 大 小 表 示 。 镦 粗 和 压 缩 的 变 形 量 在 工 程 上 常 用 压 缩 率 表 示 。如 坯 料 原 始 高 H 0,镦 粗 后 高 H1（ 图 2） ， 则 压 下
13、量 H H 0 H 1， 压 缩率 为 公 式 1金 属 在 锻 压 过 程 中 所 能 承 受 的 变 形 量 有 一 定 的 限 值 。 金 属 能 承 受 较 大 的 变 形量 而 不 破 裂 的 性 能 称 为 塑 性 。 金 属 的 塑 性 可 由 实 验 测 定 (见 锻 造 性 能 试 验 )。金 属 塑 性 的 好 坏 与 化 学 成 分 、 内 部 组 织 结 构 、 变 形 温 度 和 速 度 、 变 形 方 式 等因 素 有 关 。 纯 金 属 和 合 金 元 素 低 的 金 属 （ 如 铝 、 紫 铜 、 低 碳 钢 等 ） 塑 性 好 ，高 合 金 和 含 杂 质 多
14、 的 金 属 塑 性 差 。 一 般 金 属 在 低 温 时 塑 性 差 ， 高 温 时 塑 性 好 。金 属 的 塑 性 还 与 变 形 方 式 有 关 ， 例 如 在 自 由 锻 镦 粗 时 ， 坯 料 的 周 围 向 外 凸出 ， 材 料 受 拉 应 力 ， 金 属 的 塑 性 低 ， 容 易 开 裂 。 挤 压 时 ， 坯 料 三 向 受 压 ，金 属 的 塑 性 高 。 在 很 小 的 变 形 下 就 开 裂 的 金 属 称 为 脆 性 材 料 ， 如 铸 铁 。 脆性 材 料 通 常 不 宜 锻 压 加 工 。 变 形 力 在 锻 压 过 程 中 ， 坯 料 内 部 一 般 处 于
15、 三 向 应 力 状 态 。 开 始 塑 性变 形 的 应 力 不 是 由 某 一 方 向 的 应 力 单 独 确 定 的 。 用 1、 2、 3 代 表 坯 料 内 任意 一 点 单 元 体 上 三 个 相 互 垂 直 方 向 的 主 应 力 (图 3)， 实 验 表 明 ， 如 要 这 个 单元 体 发 生 塑 性 变 形 ， 则 三 个 主 应 力 所 引 起 的 弹 性 畸 变 能 应 达 到 一 定 值 。 它 的数 学 表 达 式 为 公 式 3式 中 Y 为 金 属 的 变 形 抗 力 ， 由 抗 拉 试 验 或 抗 压 试 验 测 定 。 上 式 表 示 金 属 坯 料内 任
16、意 一 点 开 始 塑 性 变 形 时 三 个 方 向 主 应 力 所 应 达 到 的 条 件 ， 称 为 屈 服 准 则 。在 锻 压 过 程 中 ， 坯 料 内 某 些 面 上 各 点 都 会 发 生 塑 性 变 形 ， 这 时 所 加 的 外 力 称为 变 形 力 。 影 响 变 形 力 P 的 主 要 因 素 有 4 个 ， 即 公 式 2式 中 Y 为 金 属 的 静 载 变 形 抗 力 ,它 与 化 学 成 分 、 温 度 、 变 形 过 程 等 有 关 。 低碳 钢 的 变 形 抗 力 低 ， 高 合 金 钢 的 变 形 抗 力 高 ； 低 温 时 变 形 抗 力 高 ， 高 温
17、 时 变形 抗 力 低 ； 塑 性 变 形室 温 下 的 退 火 金 属 在 开 始 锻 压 时 变 形 抗 力 低 ， 经 过 变 形 产 生 加 工 硬 化 后 变 形抗 力 增 高 。 A 为 锻 件 加 力 方 向 的 横 截 面 积 。 1 为 应 变 速 率 系 数 。 在 慢 速 的液 压 机 上 锻 压 时 , 1=1 1.5； 在 应 变 速 率 高 的 锻 锤 上 锻 压 时 , 1 埍3。 2 为 多 余 功 系 数 ， 它 与 变 形 方 式 有 关 ， 例 如 自 由 锻 时 坏 料 侧 表 面 不 受 约束 , 2=1 2.5； 模 锻 和 挤 压 时 ， 金 属 的 流 动 受 模 膛 约 束 ， 2=2.5 6。另 外 ,模 膛 表 面 的 粗 糙 度 和 润 滑 状 况 也 有 影 响 ， 锻 模 表 面 光 洁 且 有 良 好 的 润滑 时 2 较 小 ； 模 具 表 面 粗 糙 且 没 有 润 滑 时 ， 2 较 大 。
