詳解車身修復中的塑性變形

◆文/海南 王萃奮

詳解車身修復中的塑性變形

◆文/海南 王萃奮

汽車的車身金屬構件包括結構件和板件。結構件是車身的骨架，在汽車的內部焊接形成。板件是車身的外蒙皮，一般通過螺栓、螺母固定在結構件上。在汽車事故中，車身受到撞擊，金屬構件將會發生變形。金屬構件變形的狀態有彈性變形、塑性變形及斷裂。在大多數事故造成的金屬構件變形中，塑性變形幾乎占了70%。認識金屬材料塑性變形的機理，能讓我們對金屬材料有微觀的了解，并更加科學有效地進行車身修復。

一、金屬變形的特征

圖1為車身碰撞造成的嚴重變形，一個杰出的車身修復技師不僅能把車恢復到達到要求的技術參數，也要能明白其變形的原理及特征，以下將講述在外力作用下金屬材料變形的表現及其特征。

金屬材料在外力的作用下，首先出現的變形是彈性變形。載荷增加到一定值后，除了發生彈性變形外，同時將產生塑性變形。持續增加載荷，塑性變形也將逐漸增大，直到金屬材料發生斷裂，圖2為通過對低碳鋼的拉伸得到的應力——應變曲線圖。

1.彈性變形階段

在低碳鋼應力——應變圖中，σe值為材料的屈服極限，它表示材料保持彈性變形時的最大應力。當應力低于σe值時，試樣屬于彈性變形階段。什么是彈性變形？物質在一定的外力作用下發生形變，而當施加的外力消失時，該物質能自動恢復到原狀的物理現象稱之為彈性變形。

在上圖中可以看出彈性變形階段的變形量隨著應力的增加而增加，應力與應變成正比。

只要施加的應力低于σe值，材料不會產生塑性變形，而當施加的應力消失時，材料又自動恢復回原來的尺寸。σe值也被稱為彈性極限。

2. 彈塑性變形階段

當應力在σe值與σs值之間時，試樣屬于彈塑性變形階段。什么是彈塑性變形？物質在外力施加的同時立即產生全部變形，而在外力解除的同時，只有一部分變形立即消失，其余部分變形在外力解除后卻永遠不會自行消失的物理現象稱之為彈塑性變形。

在上圖中可以看出對應σe值與σs值的線條是不呈直線關系的。在這階段試樣開始產生塑性變形，但這時產生的塑性變形是微量的，如果此時對試樣卸載，試樣還會有部分的恢復，而內部也將保留一部分的殘余變形。在彈塑性變形階段的試樣表現中，還是以彈性變形為主。

3.塑性變形階段

當應力在σs值與σb值之間時，試樣發生明顯而均勻的塑性變形，什么是塑性變形？物質在一定的外力作用下發生形變，而當施加的外力消失時，該物質不能恢復到原狀的物理現象稱之為塑性變形。

在圖2中可以看出σs和σb值對應的線條是呈平滑曲線的，應力的增加則變形量也隨之增加。當應力到達σb值時，試樣的均勻變形階段也就停止了。我們把σb值稱之為材料的強度極限或抗拉強度，它表示材料對均勻塑性變形的最大抗力(應力)。在塑性變形階段中也存在著彈性變形，只不這這階段產生的彈性變形是微量的，試樣的主體表現還是塑性變形。

4.斷裂階段

當應力超過σb值,試樣開始發生不均勻的塑性變形并有縮頸的現象，所需的應力也隨之下降。當應力達到σk值時，試樣發生斷裂表示材料變形的告終。

斷裂是金屬材料在外力作用下喪失連續性工作的物理現象。我們把σk值稱之為材料的斷裂強度，它表示材料對塑性變形的極限抗力。

金屬材料的彈性變形、塑性變形和斷裂階段的變化，與材料的性質相關，不同材料的三大變形階段都有所不同。如灰鑄鐵在拉伸試驗時，幾乎沒有明顯的塑性變形就發生斷裂。

二、塑性變形機理

在我們平常的鈑金修復工作，最常見的車身變形是塑性變形，車身修復技師有時也會利用塑性變形的表現來進行修復工作，如門蒙皮、葉子板有線條的部位的修復都是利用制造時存在的加工硬化(圖3)。為了更好地進行修復工作，我們需要通過了解內部原子變化及運動，來掌握塑性變形的機理。

塑性變形的內部表現主要方式是滑移和孿生，而滑移與孿生的產生則是因為位錯的存在。在外力的作用下，金屬內部原子離開其平衡位置，慢慢地就會形成位錯，位錯持續增加會發生滑移，在滑移的過程中會有孿生的發生，這就塑性變形的內部過程。

1.位錯

位錯的運動是造成金屬塑形變形的主要原因。位錯是金屬中某處有一列或若干列原子發生了有規律的錯排現象，是長度達幾百至幾萬個原子間距、寬約幾個原子間距范圍內的原子離開其平衡位置，發生了有規律的錯動。

我們知道，要想一個原子離開其平衡為，那就要對其做功。那么，位錯就相當于我們同時對一排或若干排的原子做功，使其離開其平衡位置(圖4)。位錯對金屬的強度、斷裂及塑性變形等起著決定性的作用。由于它的存在，晶體在受力后原子容易沿位錯線運動，降低金屬的變形抗力。通過位錯運動的傳遞，原子的排列發生滑移和孿生。

2.滑移

滑移是塑性變形的主要方式。在力的作用下，金屬內的一部分原子沿著一定的滑移方向相對于另一部分發生相對的移動，這個方向由材料的原子結構及狀態決定。我們可以把滑移看著是大量的位錯運動的結果(圖5、6)。

從圖5中，我們可以看出滑移的結果是使大量的原子逐步地從一個穩定的位置移到另一個穩定的位置，金屬材料被拉伸成形，在電子顯微鏡的觀察下，我們會發現有許多相互平行的滑移線，而很多原子平面的滑移線會組成滑移帶，很多滑移帶集合起來就成為可見的塑性變形。

圖7為在電子顯微鏡觀察到的滑移帶。滑移線的間距與大小跟材料的結構性質有關。金屬材料的滑移過程不是沿著滑移面上的所有原子同時產生剛性的相對滑動，而是在其局部區域首先產生滑移，并逐步擴大，直至最后整個滑移面上都完成滑移。

3.孿生

孿生是塑性變形的另一種重要方式。當金屬的一部分沿一定的孿生面和孿生方向相對于另一部分金屬作均勻地切變就是孿生。孿生的移動不會改變金屬原子的排列位置，但是卻可以改變原子的排列方向(圖8)。

一般來說，產生孿生的作用力要比產生滑移的作用力大得多，只有在滑移很難進行的條件下，金屬才進行孿生變形。孿生變形產生的塑性變形量一般不超過10%，由于孿生后變形部分的孿生位向發生改變，所以孿生與滑移往往交替發生，這樣就可以獲得較大的塑性變形量。可使原來處于不利取向的滑移帶轉變為新的有利取向，這樣就可以激發起金屬的進一步滑移，提高金屬的塑性變形能力。

位錯、滑移和孿生初步地解釋了塑性變形的機理，有助于我們進一步了解到其內部微觀的變化與運動。

三、塑性變形對金屬性能的影響

1.加工硬化

加工硬化是在鈑金修理中常見的現象，是指金屬材料在冷加工的情況下，出現的強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現象。產生加工硬化的原因是金屬在塑性變形時引起位錯增殖，位錯密度增加，不同方向的位錯發生交割，位錯的運動受到阻礙，從而使金屬產生加工硬化。

加工硬化主要應用在工業生產加工上，廣泛應用于提高金屬材料的強度。如金屬薄板在拉深過程中，彎角處變形最嚴重，首先產生加工硬化，當該處變形到一定程度后，隨后的變形才轉到其他位置，這樣才可得到厚薄均勻的沖壓件。

而在事故車碰撞中產生的加工硬化會使金屬材料的進一步修復帶來困難，如大梁的彎折，要想進一步校正，必須進行退火處理、消除組織缺陷，使其降低硬度、恢復可塑性。

2.殘余應力

金屬材料在制造加工或事故碰撞過程中，將受到來自各種因素的作用與影響；當這些因素消失之后，若金屬材料所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在金屬材料內，則這種殘留的作用與影響稱為殘余應力。殘余應力是當物體沒有外部因素作用時，在物體內部保持平衡而存在的應力。

金屬材料在制造加工過程中會產生殘余應力，這種殘余應力會影響構件的穩定性、剛性等。在制造加工過程中，應進行必要的退火處理，以消除殘余應力。

在事故車碰撞時造成的變形，也表明其內部存在著殘余應力，如大梁彎曲、門蒙皮凹凸不平等。消除殘余應力就必須進行退火處理，如果結構件變形嚴重，考慮到其安全性，則必須進行更換。如果只是輕微的變形，那么可用氧-乙炔焊機加熱修復。

在面板的修復中，小面積的修復可利用介子機休整即可。而大面積的板件修復就比較困難了，因為大面積的板件變形已使其金屬材料產生了一定程度的拉伸與加工硬化。

較難處理的是變形面變薄的情況，因為經過嚴重碰撞，板件會產生拉伸的現象，俗稱鐵皮“軟”。相當于“軟”區的原子受到外力作用，產生滑移或跑到周圍區去了。我們可以這樣理解，一塊面板，不承受任何外力，其內部是處于一種平衡狀態的。而當受到外力碰撞時，其面部會產生相應的殘余應力。理論上，只要我們能消除面板產生的殘余應力，那么這個面板就會恢復到原來樣子。當然，在我們修復工作中是不可能做到，在此進行說明是為了讓大家更理解殘余應力的性質。

對“軟”區的修復要對其進行“收火”，也稱之為退火，消除其殘余應力。在整個板件修復的差不多的時候，我們會發現“軟”區會拱起，可用介子機碳棒對拱的部位進行“收火”，有時需要一邊“收火”一邊修復，直到整個面板平整即可。“收火”其實是利用熱脹冷縮的原理， 先對“軟”部位進行加熱，乘原子在活躍運動時再對周圍適當敲擊，使聚集的原子分散，之后對加熱的部位用水冷卻，使其收縮，達到修復的目的(圖9)。

退火是一種熱處理工藝，是將金屬加熱到一定溫度并保持一定的時間，然后以適當的溫度進行冷卻的工藝。目的是降低硬度，消除殘余應力，穩定尺寸，消除組織缺陷等。

金屬在塑性變形時所做的功，大部分以熱能的形式消耗掉了，還有一部分以空位、位錯等方式儲存起來。回復是在退火的情況下，空位與位錯發生運動，從而改變他們的數量與組織形態的過程。

在對塑性變形后的金屬加熱的情況下，其脫離空位的原子加劇運動，它們可以移到表面、位錯處、空位處等，特別是加熱到金屬熔點的40%～50%的情況下，變形嚴重部位堆積纏繞的原子會慢慢運動起來，最后使其位錯與空位逐漸減少，達到退火的目的。

汽車碰撞造成的塑性變形，其存在機理是很復雜的，上述概念只是對其一般現象簡單的解釋，希望能讓大家對金屬材料的塑性變形有一定的了解，能讓我們鈑金技師不僅會做，而且也能明白金屬材料塑性變形存在的機理。