金属变形加工

金属的变形包括：弹性变形和塑性变形。当载荷卸掉以后，弹性变形会回复。塑性变形是在外力作用下，金属发生的永久变形，这种变形是不可回复的。一般来说，当外加载荷超过材料的弹性极限并超过屈服点以后，金属就会发生塑性变形。在这个过程中所输入的能量就会被金属屈服过程中位错的滑移和孪生所消耗。

轴向拉伸时的工程应力-应变曲线

塑性变形通常以滑移的方式发生，滑移通常沿着晶体中的原子密排面开动，因为在原子的密排面上开动滑移所需要的能量最小。位错在晶粒中滑移一直到滑移出晶粒才会结束。于是，就在晶体的表面产生台阶，这种台阶就叫滑移带。在就爱你剪切应力作用下产生的滑移带称为剪切滑移带，简称剪切带[Shear bands]。

金属中的晶粒形貌

金属晶粒中的位错形貌

滑移带模型

滑移会连续发生，每次只产生一个台阶，所以晶体结构会一直保持不变。对于大多数金属来说，其密排面就是（111）晶面。因此，滑移带通常在与主应力呈45度角方向产生。

金属中的剪切带

在孪生情况下，晶格结构会发生变化。孪生是一种晶体结构的扭折，在孪晶界两侧创造晶体结构的镜像。在孪生的过程中，原子只移动一个原子间距的几分之一的距离。不过，由于涉及许多原子的同时转动。晶格的宏观变化可以看到，有时甚至可以听到声音。这里需要注意，在孪晶界两侧晶体的取向是不同的，但在滑移带两侧，晶体的取向相同。

金属中的孪晶形貌

在金属板的冲压过程中，零件是通过对坯料的拉伸成型的。在成型过程中坯料被固定在一个特定的位置。因此，相对于锻造，冲压是通过拉伸实现的，而不是压缩实现的。

高压扭转加工示意图

ECAP加工示意图

严重塑性变形(SPD)是一种加工纳米结构金属的方法。它是创造块体纳米材料的一种很吸引人的方法，因为它不涉及使用纳米粉末。通过SPD处理以后，材料的力学性能也会有显著提升。在SPD加工过程中，材料会经历一个极高的塑性应变，会导致大量的剪切变形。随着应变的增加，原来的粗晶粒会变得越来越小。这一结果会导致形成大量的纳米晶粒，同时晶粒的取向差也变大。这些亚微米尺寸的晶粒取向差变大以后，块体的力学性能以及磁性性能都会得到改善。

ECAP加工后的金属微观组织结构

等通道角挤压[ECAP]是SPD的一种。它是一种结构，由于两个圆形通道构成，金属通道设备的压头挤压出去，引入较大的剪切变形。经过一次ECAP以后，金属样品的直径不变，所以可以对一个金属样品进行多次ECAP加工，经过多道次加工以后，晶粒会变得更加等轴和更加均匀，材料的强度和韧性都会极大的提升。每一次ECAP都会向金属材料内部引入较大的塑性变形。

有一种很特殊的变形，就是金属在高应变速率条件下的变形，如爆炸。这种变形的过程中在金属内部会留下一些特殊的结构，称为绝热剪切局部化[Adiabatic shear localization]。局部剪切通常发生在金属内部一个较薄的区域内，它很重要，因为它通常是金属发生失效的前兆。在多数情况下，局部剪切与结构的局部软化有关。这种软化通常与热或几何原因有关。在几何软化过程中，晶体的结构通常自己转向容易滑移的方向。

绝热剪切带形貌

与热有关的软化，主要是因为局部温度的增加导致局部剪切。在极端的情况下，当应变速率极高时，局部产生的热量无法从塑性变形区逃逸，这种剪切带就称为绝热剪切带[Adiabatic shear bands]。绝热剪切带是高速变形的一种重要特征，可以通过微观组织结构的特征进行鉴定。