工业上使用的金属材料大多是合金,根据合金的组织可将其分为两大类:单相固溶体合金和多相合金。多晶体合金的塑性变形方式,总的来说与多晶体纯金属的情况基本相同,但由于合金元素的存在,组织也不相同,故塑性变形也各有特点,下面分别进行讨论。
1.单相固溶体合金的塑性变形
由于单相固溶体合金的显微组织与多晶体纯金属相似,因而其塑性变形过程也基本相同。但是由于固溶体中存在着溶质原子,因而使合金的强度、硬度提高,而塑性、韧性有所下降,产生了固溶强化效果。
2.多相合金的塑性变形
多相合金也是多晶体,但其中有些晶粒是另一相,有些界面是相界面。多相合金的组织主要分为两类:一类是两相晶粒尺寸相近,两相的塑性也相近;另一类是由塑性较好的固溶体基体及其上分布的硬脆的第二相所组成的。这类合金除了具有固溶强化效果外,还有因第二相的存在而引起的强化,它们的强度往往比单相固溶体合金高。多相合金的塑性变形除与固溶体基体密切相关外,还与第二相的性质、形状、大小、数量及分布状况等有关,后者在塑性变形时甚至起着决定性的作用。现分述如下。
(1)合金中两相的性能相近合金中两相的含量相差不大,且两相的变形性能相近,则合金的变形性能为两相的平均值,合金的强度随较强的一相的含量增加而呈线性增大。
(2)合金中两相的性能相差很大合金中两相的变形性能相差很大,若其中的一相硬而脆,难以变形,另一相的塑性较好,且为基体相,则合金的塑性变形除与相的相对量有关外,在很大程度上取决于脆性相的分布情况。脆性相的分布有三种情况。
1)硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上。这种分布情况是最恶劣的,因为脆性相在空间把塑性相分割开,从而使其变形能力无从发挥,经少量的变形后,即沿着连续的脆性相裂开,使合金的塑性和韧性急剧下降。这时,脆性相越多,网越连续,合金的塑性也就越差,甚至强度也随之下降。例如过共析钢中的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时,使钢的脆性增大,强度和塑性下降。生产上可通过热塑性加工(如轧制和锻压)和热处理(如正火)相互配合来破坏或消除其网状分布。
2)脆性的第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上。例如钢中的珠光体组织,铁素体和渗碳体呈片状分布,铁素体的塑性好,渗碳体硬而脆,所以塑性变形主要集中在铁素体中,位错的移动被限制在渗碳体片之间很短的距离内,此时位错运动至障碍物渗碳体片之前时,当其造成的应力集中足以激发相邻铁素体中的位错源开动时,相邻的铁素体才开始变形。也可用霍尔一配奇公式描述珠光体的屈服强度:
Rr0.2=Ri+KsS0-1/2
式中Ri-铁素体的屈服强度;Ks-材料常数;S0-珠光体片间距。
可见,珠光体片间距越小,则强度越高,且其变形越均匀,变形能力增加。对于细珠光体,甚至渗碳体片也可发生滑移、弯曲变形,表现出一定的变形能力。所以细珠光体不但强度高,塑性也好。
3)脆性相在塑性相中呈颗粒状分布。如共析钢或过共析钢经球化退火后得到的粒状珠光体组织,由于颗粒的渗碳体对铁素体的变形阻碍作用大大减弱,故强度降低,塑性和韧性得到显著改善。一般来说,粒状的脆性第二相对塑性的危害要比针状和片状的小。若脆性的第二相呈弥散粒子均匀地分布在塑性相基体上,则可显著提高合金的强度,这种强化称为第二相强化,又称弥散强化、沉淀强化或析出强化。其主要原因是由于弥散细小的第二相粒子与位错的交互作用,阻碍了位错运动,从而提高了合金的塑性变形抗力。