第三篇塑性變形材料學(xué)基礎(chǔ)

1、第三篇 塑性變形材料學(xué)基礎(chǔ)第5章 金屬的塑性§5. 1 金屬的塑性金屬塑性加工是以塑性為前提，在外力作用下進(jìn)行的。從金屬塑性加工的角度出發(fā)，人們總是希望金屬具有高的塑性。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多低塑性、高強(qiáng)度的新材料需要進(jìn)行塑性變形。因此，研究提高金屬的塑性問題具有重要意義。5. 1. 1 塑性的基本概念所謂塑性，是指固體金屬在外力作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。因此，塑性反映了材料產(chǎn)生塑性變形的能力。塑性的好壞或大小，可用金屬在破壞前產(chǎn)生的最大變形程度來表示，并稱其為“塑性極限”或“塑性指標(biāo)”。人們有時(shí)會(huì)把金屬的塑性與柔軟性混淆起來，其實(shí)它們是有嚴(yán)格區(qū)別的

2、兩種概念，前者是指金屬的流動(dòng)性能，指是否易于變形而言，后者則是指金屬抵抗變形的能力，是指變形量的大小而言，即塑性好的金屬不一定易于變形，因此變形抗力不一樣，如銅的塑性好，并不像鉛那樣易于變形，因?yàn)殂~的變形抗力較高。而鉛的柔軟性，主要不是指它的塑性好，而是指它變形抗力很小。所有的金屬在高溫下變形抗力都很小，可以說具有很好的柔軟性，但絕對(duì)不能肯定它們必然有良好的塑性。因?yàn)闇囟冗^高往往使其產(chǎn)生過熱或過燒，在變形時(shí)，就容易產(chǎn)生裂紋，即塑性變坯?？梢?，金屬的塑性與柔軟性是完全不同的概念。研究金屬塑性的目的是為了探索金屬塑性的變化規(guī)律，尋求改善金屬塑性的途徑，以便選擇合理的加工方法，確定最適宜的工藝制度，

3、為提高產(chǎn)品的質(zhì)量提供理論依據(jù)。5. 1. 2 塑性指標(biāo)及其測(cè)量方法1塑性指標(biāo)為了便于比較各種材料的塑性性能和確定每種材料在一定變形條件下的加工性能，需要有一種度量指標(biāo)，這種指標(biāo)稱為塑性指標(biāo)，即金屬在不同變形條件下允許的極限變形量。由于影響金屬塑性的因素很多，所以很難采用一種通用指標(biāo)來描述。目前人們大量使用的仍是那些在某特定的變形條件下所測(cè)出的塑性指標(biāo)。如拉伸試驗(yàn)時(shí)的斷面收縮率及延伸率，沖擊試驗(yàn)所得之沖擊韌性；鐓粗或壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一條裂紋出現(xiàn)前的高向壓縮率（最大壓縮率）；扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)破壞前的扭轉(zhuǎn)角（或扭轉(zhuǎn)數(shù)）；彎曲實(shí)驗(yàn)試樣破壞前的彎曲角度等等。2塑性指標(biāo)的測(cè)量方法（1）拉伸試驗(yàn)法用拉伸試驗(yàn)法可

4、測(cè)出破斷時(shí)最大延伸率（）和斷面收縮率（），和的數(shù)值由下式確定： （5-1） （5-2）式中：L0拉伸試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；Lh拉伸試樣破斷后標(biāo)距間的長(zhǎng)度；F0拉伸試樣原始斷面積；Fh拉伸試樣破斷處的斷面積（2）壓縮試驗(yàn)法在簡(jiǎn)單加載條件下，因壓縮試驗(yàn)法測(cè)定的塑性指標(biāo)用下式確定： （5-3）式中：e 壓下率；H0試樣原始高度；Hh試樣壓縮后，在側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度（3）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法是在專門的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)圓柱體試樣的一端固定，另一端扭轉(zhuǎn)。隨試樣扭轉(zhuǎn)數(shù)的不斷增加，最后將發(fā)生斷裂。材料的塑性指標(biāo)用破斷前的總扭轉(zhuǎn)數(shù)（n）來表示，對(duì)于一定試樣，所得總轉(zhuǎn)數(shù)越高，塑性越好，可將扭轉(zhuǎn)數(shù)換作

5、為剪切變形（）。 （5-4）式中：R試樣工作段的半徑；L0試樣工作段的長(zhǎng)度；n試樣破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)。（4）軋制模擬試驗(yàn)法在平輥間軋制楔形試件，用偏心軋輥軋制矩形試樣，找出試樣上產(chǎn)生第一條可見裂紋時(shí)的臨界壓下量作為軋制過程的塑性指標(biāo)。上述各種試驗(yàn)，只有在一定條件下使用才能反映出正確的結(jié)果，按所測(cè)數(shù)據(jù)只能確定具體加工工藝制度的一個(gè)大致的范圍，有時(shí)甚至與生產(chǎn)實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。因此需將幾種試驗(yàn)方法所得結(jié)果綜合起來考慮才行。5. 1. 3 塑性狀態(tài)圖及其應(yīng)用表示金屬塑性指標(biāo)與變形溫度及加載方式的關(guān)系曲線圖形，稱為塑性狀態(tài)圖或簡(jiǎn)稱塑性圖。它給出了溫度速度及應(yīng)力狀態(tài)類型對(duì)金屬及合金塑性狀態(tài)影響的明晰概念。在塑性圖

6、中所包含的塑性指標(biāo)越多，變形速度變化的范圍越寬廣，應(yīng)力狀態(tài)的類型越多，則對(duì)于確定正確的熱變形溫度范圍越有益。塑性圖可用來選擇金屬及合金的合理塑性加工方法及制訂適當(dāng)?shù)睦錈嶙冃我?guī)程，是金屬塑性加工生產(chǎn)中不可缺少的重要的數(shù)據(jù)之一，具有很大的實(shí)用價(jià)值。由于各種測(cè)定方法只能反映其特定的變形力學(xué)條件下的塑性情況，為確定實(shí)際加工過程的變形溫度，塑性圖上需給出多種塑性指標(biāo)，最常用的有、n等。此外，還常給出曲線以作參考。下面以MB5塑性圖為例，分析選定該合金加工工藝規(guī)程的原則和方法。MB5塑性圖如圖5-1所示。試驗(yàn)溫度，圖5-1 MB5合金的塑性圖沖擊韌性；慢力作用下的最大壓縮率，沖擊力作用下的最大壓縮率；斷面

7、收縮率，彎曲角度MB5屬變形鎂合金，其主要成分為Al5. 57. 0%，Mn0. 150. 5%，Zn0. 51. 5%。根據(jù)鎂鋁二元相圖（圖5-2）可以看出，鋁在鎂中的溶解度很大，在共晶溫度437時(shí)達(dá)到最大，為12. 6%，隨著溫度的降低，溶解度急劇下降，鎂鋁合金中鋁含量對(duì)合金性能的影響，如圖5-3所示。隨著鋁含量的增加，強(qiáng)度雖緩慢上升，但塑性卻顯著下降。因?yàn)樵谄胶鉅顟B(tài)下的鎂鋁合金顯微組織是由-固溶體和析出在晶界上的金屬化合物相（Mg4Al3或Mg17Al12）組成。相隨鋁含量的增加而逐漸增多，當(dāng)Al含量達(dá)15%時(shí)，則形成封閉的網(wǎng)狀組織，使合金變脆。溫度，, %、b，公斤/毫米2HB，公斤/

8、毫米2 圖5-2 Mg-Al二元系狀態(tài)圖 圖5-3 鎂合金中鋁含量對(duì)合金機(jī)械性能的影響從狀態(tài)圖中可見，該合金成分如圖中虛線所示。在530附近開始熔化，270以下為二相系，因此，它的熱變形溫度應(yīng)選在270以上的單相區(qū)。如在慢速下加工，當(dāng)溫度為350400時(shí)，值和都有最大值，因此不論是軋制或擠壓，都可以在這個(gè)溫度范圍內(nèi)以較慢的速度進(jìn)行。假若在鍛錘下加工，因在350左右有突變，所以變形溫度應(yīng)選擇在400450。若工件形狀比較復(fù)雜，在變形時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，則應(yīng)根據(jù)曲線來判定。從圖中可知，在相變點(diǎn)270附近突然降低，因此，鍛造或沖壓時(shí)的工作溫度應(yīng)在250以下進(jìn)行為佳。以上是一個(gè)應(yīng)用塑性圖，并配合合金狀態(tài)

9、圖選擇加工溫度及加工方法的實(shí)例，必須指出，各種試驗(yàn)方法都是相對(duì)于其特定受力狀況和變形條件所測(cè)定的塑性指標(biāo)，因此僅具有相對(duì)和比較意義。況且由于塑性圖的研究并未完善，比較適用和全面的塑性圖也不多，所以對(duì)加工工作者來說，仍有繼續(xù)深入研究和積累經(jīng)驗(yàn)的必要。§5. 2 金屬多晶體塑性變形的主要機(jī)制工業(yè)上實(shí)際使用的金屬和合金絕大部分都是多晶體，多晶體是由大小、形狀和位向不同的晶粒組成，晶粒之間有晶界相連，因而多晶體的變形比單晶體要復(fù)雜得多。5. 2. 1 多晶體變形的特點(diǎn)1變形不均勻多晶體內(nèi)的晶界及相鄰晶粒的不同取向?qū)ψ冃萎a(chǎn)生重要的影響。如果將一個(gè)只有幾個(gè)晶粒的試樣進(jìn)行拉伸變形，變形后就會(huì)產(chǎn)生“

10、竹節(jié)效應(yīng)”（圖5-4）。此種現(xiàn)象說明，在晶界附近變形量較小，而在晶粒內(nèi)部變形量較大。 （a）變形前 （b）變形后圖5-4 多晶體塑性變形的竹節(jié)現(xiàn)象 圖5-5 多晶體塑性變形的不均勻性多晶體塑性變形的不均勻性，不僅表現(xiàn)在同一晶粒的不同部位，而且也表現(xiàn)在不同晶粒之間。當(dāng)外力加在具有不同取向晶粒的多晶體上時(shí)，每個(gè)晶?；葡瞪系姆智袘?yīng)力因取向因子不同而存在著差異。因此，不同晶粒進(jìn)入塑性變形階段的起始早晚也不同。如圖5-5所示，分切應(yīng)力首先在軟取向的晶粒B中達(dá)到臨界值，優(yōu)先發(fā)生滑移變形；而與其相鄰的硬向晶粒A，由于沒有足夠的切應(yīng)力使之滑移，不能同時(shí)進(jìn)入塑性變形。這樣硬取向的晶粒將阻礙軟取向晶粒的變形，于

11、是在多晶體內(nèi)便出現(xiàn)了應(yīng)力與變形的不均勻性。另外在多晶體內(nèi)部機(jī)械性能不同的晶粒，由于屈服強(qiáng)度不同，也會(huì)產(chǎn)生類似的應(yīng)力與變形的不均勻分布。圖5-6是粗晶鋁在總變形量相同時(shí)，不同晶粒所承受的實(shí)際變形量。由圖可見，不論是同一晶粒內(nèi)的不同位置，還是不同晶粒間的實(shí)際變形量都不盡相同。因此，多晶體在變形過程中存在著普遍的變形不均勻性。2晶界的作用及晶粒大小的影響在2mm內(nèi)的延伸率，%晶粒5晶粒4晶粒3晶粒2晶粒1位置，mm圖5-6 多晶鋁的幾個(gè)晶粒各處的應(yīng)變量。垂直虛線是晶界，線上的數(shù)字為總變形量多晶體的塑性變形還受到晶界的影響。在晶界中，原子排列是不規(guī)則的，在結(jié)晶時(shí)這里還積聚了許多不固溶的雜質(zhì)，在塑性變形

12、時(shí)這里還堆積了大量位錯(cuò)（一般位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界處即行停止），此外還有其它缺陷，這些都造成了晶界內(nèi)的晶格畸變。所以，晶界使多晶體的強(qiáng)度、硬度比單晶體高。多晶體內(nèi)晶粒越細(xì)，晶界區(qū)所占比率就越大，金屬和合金的強(qiáng)度、硬質(zhì)也就越高。此外，晶粒越細(xì)，即在同一體積內(nèi)晶粒數(shù)越多，塑性變形時(shí)變形分散在許多晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形也會(huì)均勻些，與具有粗大晶粒的金屬相比，局部地區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中的程度較輕，因此出現(xiàn)裂紋和發(fā)生斷裂也會(huì)相對(duì)較遲，這就是說，在斷裂前可以承受較大的變形量，所以細(xì)晶粒金屬不僅強(qiáng)度、硬度高，而且在塑性變形過程中塑性也較好。多晶體由于晶粒具有各種位向和受晶界的約束，各晶粒的變形先后不同、變形大小不同，晶體內(nèi)甚至同

13、一晶粒內(nèi)的不同部位變形也不一致，因而引起多晶體變形的不均勻性。由于變形的不均勻性，在變形體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生各種內(nèi)應(yīng)力，變形結(jié)束后不會(huì)消失，成為殘余應(yīng)力。5. 2. 2 多晶體的塑性變形機(jī)構(gòu)多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形兩種。晶內(nèi)變形的主要方式是滑移和孿生。晶間變形包括晶粒之間的相對(duì)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、溶解沉積機(jī)構(gòu)以及非晶機(jī)構(gòu)。冷變形時(shí)以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對(duì)晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。熱變形時(shí)則晶內(nèi)變形和晶間變形同時(shí)起作用，這里主要討論晶間變形機(jī)構(gòu)。1晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)多晶體變形時(shí)，由于各晶粒原來位向不同，變形發(fā)生、發(fā)展情況各異，但金屬整體的變形應(yīng)該是連續(xù)的、相容的（不然將立刻斷裂），所以在相鄰晶粒間產(chǎn)生了

14、相互牽制又彼此促進(jìn)的協(xié)同動(dòng)作，因而出現(xiàn)力偶（圖5-7），造成了晶粒間的轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果圖5-7 晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)可促使原來位向不適于變形的晶粒開始變形，或者促使原來已變形的晶粒能繼續(xù)變形。另外，在外力的作用下，當(dāng)晶界所承受的切應(yīng)力已達(dá)到（或者超過了）阻止晶粒彼此間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的阻力時(shí)，則將發(fā)生晶間的移動(dòng)。晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)，常常造成晶間聯(lián)系的破壞，出現(xiàn)顯微裂紋。如果這種破壞完全不能依靠其它塑性變形機(jī)構(gòu)來修復(fù)時(shí)，繼續(xù)變形將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)大與發(fā)展并引起金屬的破壞。由于晶界難變形的作用，低溫下晶間強(qiáng)度比晶內(nèi)大，因此低溫下發(fā)生晶界移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性較小，晶間變形的這種機(jī)構(gòu)只能是一種輔助性的過渡型式，它本

15、身對(duì)塑性變形貢獻(xiàn)不大，同時(shí)，低溫下出現(xiàn)這種變形，又常常是斷裂的預(yù)兆。在高溫下，由于晶間一般有較多的易熔物質(zhì)，并且因晶格的歪扭原子活潑性比晶內(nèi)大，所以晶間的熔點(diǎn)溫度比晶粒本身低，而產(chǎn)生晶粒的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性大。同時(shí)伴隨著產(chǎn)生了軟化與擴(kuò)散過程，能很快的修復(fù)與調(diào)整因變形所破壞的聯(lián)系，因此金屬借助晶粒的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能獲得很大的變形，且沒有斷裂的危險(xiǎn)。可以認(rèn)為，在高溫下這種變形機(jī)構(gòu)比晶內(nèi)變形所起的作用大，對(duì)整個(gè)變形的貢獻(xiàn)也較多。2溶解沉積機(jī)構(gòu)在研究高溫緩慢變形條件下兩相合金的塑性變形時(shí)確定了這個(gè)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是一相晶體的原子迅速而飛躍式的轉(zhuǎn)移到另一相的晶體中去。為了完成原子由一相轉(zhuǎn)移至另一相，除了應(yīng)

16、保證兩相有較大的相互溶解度以外，還必須具備下列條件。（1）因?yàn)樵拥倪w移，最大可能是從相的表面層進(jìn)行，故應(yīng)隨著溫度的變化或原有相晶體表面大小及曲率的變化，伴隨有最大的溶解度改變。（2）在變形時(shí)，必須有利于進(jìn)行高速溶解和沉積產(chǎn)生的擴(kuò)散過程，也就是說應(yīng)具備足夠高的溫度條件。溶解沉積機(jī)構(gòu)的重要特點(diǎn)是塑性變形在兩相間的界面上進(jìn)行，又由于金屬的沉淀很容易在顯微空洞和顯微裂紋中進(jìn)行，則原子的相間轉(zhuǎn)移可使這些顯微空洞和裂紋消除，起著修復(fù)損傷的作用，從而可使金屬的塑性顯著增大。3非晶機(jī)構(gòu)非晶機(jī)構(gòu)是指在一定的變形溫度和速度條件下，多晶體中的原子非同步的連續(xù)的在應(yīng)力場(chǎng)和熱激活的作用下，發(fā)生定向遷移的過程。它包括間

17、隙原子和大的置換式溶質(zhì)原子將從晶體的受壓縮的部位向?qū)捤刹课贿w移；空位和小的置換式溶質(zhì)原子將從晶體的寬松部位向壓縮部位遷移。大量原子的定向遷移將引起宏觀的塑性變形，其切應(yīng)力取決于變形速度和靜水壓力。在受力狀態(tài)下，由溫度的作用產(chǎn)生的這種變形機(jī)制，又稱熱塑性。這種機(jī)制在多晶體的晶界進(jìn)行得尤其激烈。這是因?yàn)?，晶界原子的排列是很不?guī)則的，畸變相當(dāng)嚴(yán)重，尤其當(dāng)溫度提高至0.5T熔以上時(shí)，原子的活動(dòng)能力顯著增大，所以原子沿晶界具有異常高的擴(kuò)散速度。這種變形機(jī)制即使在較低的應(yīng)力下，也會(huì)隨時(shí)間的延續(xù)不斷地發(fā)生，只不過進(jìn)行的速度緩慢些。溫度越高，晶粒越小，擴(kuò)散性形變的速度就越快，此種變形機(jī)制強(qiáng)烈地依賴于變形溫度。

18、5. 2. 3 合金的塑性變形生產(chǎn)中實(shí)際使用的金屬材料大部分是合金，合金按其組織特征可分為兩大類：1）具有以基體金屬為基的單相固溶體組織，稱單相合金。2）加入合金元素?cái)?shù)量超過了它在基體金屬中的飽和溶解度，其顯微組織中除了以基體金屬為基的固溶體以外，還將出現(xiàn)新的第二相構(gòu)成了所謂多相合金。1單相固溶體合金的變形單相固溶體的顯微組織與純金屬相似，因而其變形情況也與之類同，但是在固溶體中由于溶質(zhì)原子的存在，使其對(duì)塑性變形的抗力增加。固溶體的強(qiáng)度、硬度一般都比其溶劑金屬高，而塑性、韌性則有所降低，并具有較大的加工硬化率。在單相固溶體中，溶質(zhì)原子與基體金屬組織中的位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，造成晶格畸變而增加滑移阻

19、力。另外異類原子大都趨向于分布在位錯(cuò)附近，又可減少位錯(cuò)附近晶格的畸變程度，使位錯(cuò)易動(dòng)性降低，因而使滑移阻力增大。2多相合金的變形多相合金中的第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，其塑性變形不僅和基體相的性質(zhì)，而且和第二相（或更多相）的性質(zhì)及存在狀態(tài)有關(guān)。如第二相本身的強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化性質(zhì)、尺寸大小、形狀、數(shù)量、分布狀態(tài)、兩相間的晶體學(xué)匹配、界面能、界面結(jié)合情況等等。這些因素都對(duì)多相合金的塑性變形有影響，下面將按最常見的兩種第二相分布方式來分別討論。（1）聚合型兩相合金的塑性變形合金中第二相粒子的尺寸與基體晶粒的尺寸如屬同一數(shù)量級(jí)，就稱為聚合型兩相合金。在聚合型兩相合金中，如果兩個(gè)相都具有塑性

20、，則合金的變形情況決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。假設(shè)合金的各相在變形時(shí)應(yīng)變是相等的，則對(duì)于一定應(yīng)變時(shí)合金的平均流變應(yīng)力為： （5-5）式中：f1、f2兩個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)，f1 + f2 =1、兩個(gè)相在給定應(yīng)變時(shí)的流變應(yīng)力。如假定各相在變形時(shí)受到的應(yīng)力是相等的，則對(duì)于一定應(yīng)力時(shí)的合金的平均應(yīng)變?yōu)椋?（5-6）式中：、在給定應(yīng)力下兩個(gè)相的應(yīng)變。由上兩式可知，并非所有的第二相都能產(chǎn)生強(qiáng)化作用。只有當(dāng)?shù)诙酁檩^強(qiáng)的相時(shí)，合金才能強(qiáng)化，當(dāng)合金發(fā)生塑性變形時(shí)，滑移首先發(fā)生于較弱的一相中；如果較強(qiáng)的相數(shù)量很少時(shí)，則變形基本上是在較弱相中進(jìn)行；如果較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)占到30%時(shí)，較弱相一般不能彼此相連，這時(shí)兩相就要以接近于

21、相等的應(yīng)變發(fā)生變形；如較強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)高于70%時(shí)，則該相變?yōu)楹辖鸬幕w相，合金的塑性變形將主要由元素控制。如兩相合金中，一相是塑性相，而另一相為硬而脆的相時(shí)，則合金的機(jī)械性能主要決定于硬脆相的存在情況。當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)，在硬而脆的第二相處將產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中并且過早地?cái)嗔?。隨著第二相數(shù)量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性皆下降。在這種情況下，滑移變形只限于基體晶粒內(nèi)部，硬而脆的第二相幾乎不能產(chǎn)生塑性變形。（2）彌散分布型兩相合金的塑性變形兩相合金中，如果第二相粒子十分細(xì)小，并且彌散地分布在基體晶粒內(nèi)，則稱為彌散分布型兩相合金。在這種情況下，第二相質(zhì)點(diǎn)可能使合金的強(qiáng)度顯著提高而對(duì)塑性和韌性的不利影響可減

22、至最小程度。第二相以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)的形態(tài)存在而合金顯著強(qiáng)化的現(xiàn)象稱彌散強(qiáng)化。圖5-8 位錯(cuò)切開軟相彌散強(qiáng)化的主要原因如下：當(dāng)?shù)诙嘣诰w內(nèi)呈彌散分布時(shí)，一方面相界（即晶界）面積顯著增多并使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而使滑移抗力增加。但更重要的是這些第二相質(zhì)點(diǎn)本身成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙物。第二相質(zhì)點(diǎn)以兩種明顯的方式阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)或被位錯(cuò)切開（軟質(zhì)點(diǎn)）或阻攔位錯(cuò)而迫使位錯(cuò)只有在加大外力的情況下才能通過。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)小而軟，或?yàn)檐浵鄷r(shí)，位錯(cuò)能割開它并使其變形，如圖5-8所示，這時(shí)加工硬化小，但隨質(zhì)點(diǎn)尺寸的增大而增加。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)堅(jiān)硬而難于被位錯(cuò)切開時(shí)，位錯(cuò)不能直接越過這種第二相質(zhì)點(diǎn)，但在外力

23、作用下，位錯(cuò)線可以環(huán)繞第二相質(zhì)點(diǎn)發(fā)生彎曲，最后在質(zhì)點(diǎn)周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)而讓位錯(cuò)通過。使位錯(cuò)線彎曲將增加位錯(cuò)影響區(qū)的晶格畸變能，增加位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移抗力提高。位錯(cuò)線彎曲的半徑越小，所需外力越大。因此，在第二相數(shù)量一定的條件下，第二相質(zhì)點(diǎn)的彌散度越大（分散成很細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)），則滑移抗力越大，合金的強(qiáng)化程度越高（因?yàn)槲诲e(cuò)線的彎曲半徑，取決于質(zhì)點(diǎn)間距離，質(zhì)點(diǎn)細(xì)化使質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增多而質(zhì)點(diǎn)空間間距減小）。但應(yīng)注意，第二相質(zhì)點(diǎn)細(xì)化，對(duì)合金強(qiáng)化的貢獻(xiàn)是有一個(gè)限度的，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)太細(xì)小時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間的空間間距太小，這時(shí)位錯(cuò)線不能彎曲，但可“剛性的”掃過這些極細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)，因而強(qiáng)化效果反而降低。這就存在著一個(gè)能造成最大強(qiáng)化的

24、第二相質(zhì)點(diǎn)間距，這個(gè)臨界參數(shù)有下列計(jì)算式： （5-7）式中 f半徑為r的球形質(zhì)點(diǎn)所占體積份量。對(duì)一般金屬值約為2550個(gè)原子間距。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)間距小于這個(gè)數(shù)值時(shí)，強(qiáng)化效果反而減弱。第二相呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布時(shí)，對(duì)合金塑性、韌性影響較小，因?yàn)檫@樣分布的質(zhì)點(diǎn)幾乎不影響基體相的連續(xù)性，塑性變形時(shí)第二相質(zhì)點(diǎn)可隨基本相的變形而“流動(dòng)”，不會(huì)造成明顯應(yīng)力集中，因此，合金可承受較大的變形量而不致破裂。5. 2. 4 變形機(jī)構(gòu)圖金屬發(fā)生塑性變形，當(dāng)外在條件（例如應(yīng)力、溫度、應(yīng)變速率）不同時(shí)，或者金屬的組織結(jié)構(gòu)（例如晶粒大?。┎煌瑫r(shí)，將有不同的塑性變形機(jī)構(gòu)起作用；或者在特定的條件下，起著作用的幾種塑性變形機(jī)構(gòu)中，將有某一種

25、機(jī)構(gòu)起控制作用。確定在各種特定條件下，支配材料性能的變形機(jī)理對(duì)材料科技工作者和工程師們都是重要的?？梢酝ㄟ^解各種變形機(jī)理的本構(gòu)方程（應(yīng)力、溫度、材料常數(shù)和應(yīng)變速率關(guān)系的表達(dá)式）并分析各種變形機(jī)理的相互依賴或相互獨(dú)立的關(guān)系，在應(yīng)力溫度坐標(biāo)上作出所謂的變形機(jī)理圖來，揭示出某一種特定的變形機(jī)理在哪一個(gè)應(yīng)力溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變速率起控制作用?；蛘吒鼜V泛地說，可把在某一種變數(shù)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變速率起控制作用的變形機(jī)理表示出來，這就是變形機(jī)理圖。圖5-9表示了純銀和鍺的典型變形機(jī)理圖。其應(yīng)力數(shù)值是相對(duì)切變模量歸一化的數(shù)值。此圖給出了不同變形機(jī)制起控制作用的溫度應(yīng)力區(qū)間。兩種材料的晶粒尺寸都是以32m和10-8/s的

26、應(yīng)變速率來確定其邊界線的。最近的研究指出，最好能在變形機(jī)制圖上表示出與特定溫度-初始應(yīng)力條件相聯(lián)系的應(yīng)變速率的影響。這一點(diǎn)可以通過應(yīng)變速率線來實(shí)現(xiàn)。圖5-10就是經(jīng)過這樣改進(jìn)以后的變形機(jī)制圖。只要知道溫度、應(yīng)力和應(yīng)變速率這三個(gè)參數(shù)中的任何兩個(gè)，就可以從中獲得第三個(gè)參數(shù)，用以控制變形機(jī)制。這一點(diǎn)是非常有用的，它有助于我們了解實(shí)際壓力加工過程或工程材料在實(shí)際使用情況下的溫度-應(yīng)力-變形速率范圍內(nèi)，哪種變形機(jī)制在起控制作用，以便采取相應(yīng)措施根據(jù)實(shí)際需要來控制變形機(jī)制，促進(jìn)變形或抑制變形。一些研究者們進(jìn)一步改進(jìn)了變形機(jī)制圖，把晶粒尺寸也作為一個(gè)控制參數(shù)。如圖5-11給出了固定溫度下的變形機(jī)制的邊界，它

27、清楚地表明了每種變形機(jī)制對(duì)晶粒尺寸的依賴關(guān)系。 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1.0110-110-210-310-410-510-610-710-80 200 400 600 800-200溫度，溫度，這種圖解的主要價(jià)值，在于它們提供了一種介紹并形象化地表達(dá)各種變形機(jī)構(gòu)之間復(fù)雜關(guān)系的方法，也是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論計(jì)算相比較的有益手段。在某個(gè)區(qū)域中心，一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將極好地符合占優(yōu)勢(shì)的機(jī)構(gòu)，而在某個(gè)區(qū)域的周邊附近，則可意料到將產(chǎn)生一種復(fù)合機(jī)構(gòu)。最后，這種圖解提供了選擇工程應(yīng)用某種材料的一種定量途徑，也可指出該種材料變形的可能機(jī)構(gòu)或者預(yù)見其效果。此外，也能指出強(qiáng)化機(jī)構(gòu)。彈性

28、區(qū)擴(kuò)散流變（Nabarro蠕變）位錯(cuò)蠕變鍺位錯(cuò)滑移理論剪切應(yīng)力104103102101110-110-210-3彈性區(qū)蠕變Nabarro蠕變Coble擴(kuò)散蠕變-位錯(cuò)蠕變-位錯(cuò)滑移理論剪切應(yīng)力拉伸應(yīng)力，MPa拉伸應(yīng)力，MPa10410310210110-110-210-3 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1.0110-110-210-310-410-510-610-710-80 200 400 600 800-200圖5-9 變形機(jī)制圖（a）純銀和（b）鍺給出不同變形機(jī)制起控制作用的應(yīng)力-溫度區(qū)間，兩種材料的晶粒尺寸都是32m以10-8/s的應(yīng)變速率來確定彈性邊界溫度，

29、-200 0 200 400 600 800-200 0 200 400 600 800溫度，Bulk遷移L. T低溫蠕變擴(kuò)散流變晶界遷移10-10/秒10-910-810-710-610-510-310-4100/秒高溫蠕變10-10/秒1/秒純鎳d=10m位錯(cuò)滑移理想強(qiáng)度L. T低溫蠕變(沿位錯(cuò)核心擴(kuò)散)冪乘律蠕變1/秒晶界擴(kuò)散(CoBe蠕變)(Nabarro Herring蠕變）Bulk擴(kuò)散擴(kuò)散流10-10/秒10610-210-410-610-810-9純鎳d=1mm高溫蠕變(晶格擴(kuò)散)位錯(cuò)滑移理想強(qiáng)度0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10剪切應(yīng)力（MPa）10410310210

30、1110-110-210-310-110-210-310-410-510-610-710-8歸一化的剪應(yīng)力剪切應(yīng)力（MPa）104103102101110-110-210-310-110-210-310-410-510-610-710-80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10歸一化的剪應(yīng)力圖5-10 晶粒尺寸為（a）1mm和（b）10m 的鎳的變形機(jī)制圖-3-2-10123-4.0-3.0-2.0-1.03210-1-2-1.5-3.0-1.50.0對(duì)數(shù)晶粒尺寸 b理想強(qiáng)度位錯(cuò)滑移冪乘律蠕變（位錯(cuò)攀移和滑移）對(duì)數(shù)應(yīng)力，MPa對(duì)數(shù)應(yīng)力, (ksi)晶界滑移Bulk遷移（Nabarro He

31、rring蠕變）晶界遷移(Cobe蠕變)=10-6秒=10-5=10-4對(duì)數(shù)晶粒尺寸(in)圖5-11 1400K溫度下，在應(yīng)力-晶粒尺寸坐標(biāo)中50Fe-50Ni的變形機(jī)制圖§5. 3 影響金屬塑性的因素金屬的塑性不是固定不變的，它受到許多內(nèi)在因素和外部條件的影響。同一種材料，在不同的變形條件下，會(huì)表現(xiàn)出不同的塑性。因此，塑性是金屬及合金的一種狀態(tài)屬性。它不僅與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與變形速度、變形溫度、變形程度、應(yīng)力狀態(tài)諸因素有關(guān)，下面分別加以討論。5. 3. 1 影響塑性的內(nèi)部因素1化學(xué)成分化學(xué)成分對(duì)金屬塑性的影響是很復(fù)雜的。工業(yè)用的金屬除基本元素之外大都含有一定的雜質(zhì)，

32、有時(shí)為了改善金屬的使用性能還人為地加入一些其它元素，這些雜質(zhì)和加入的合金元素，對(duì)金屬的塑性均有影響。（1）雜質(zhì)一般而言，金屬的塑性是隨純度的提高而增加的。例如純度為99.96%的鋁，延伸率為45%，而純度為98%的鋁，共延伸率則只有30%左右。金屬和合金中的雜質(zhì)，有金屬、非金屬、氣體等，它們所起的作用各不相同。應(yīng)該特別注意那些使金屬和合金產(chǎn)生脆化現(xiàn)象的雜質(zhì)。因?yàn)橛捎陔s質(zhì)的混入或它們的含量達(dá)到一定的值后，可使冷熱變形都非常困難，甚至無法進(jìn)行，例如鎢中含有極少量（百萬分之一）的鎳時(shí)，就大大降低鎢的塑性。因此，在退火時(shí)應(yīng)避免鎢絲與鎳合金接觸，又如純銅中的鉍和鉛都為有害雜質(zhì)，含十萬分之幾的鉍，使熱變形

33、困難；當(dāng)鉍含量增加到萬分之幾時(shí)，冷熱變形難于進(jìn)行。鉛含量超過0.03% 0.05%時(shí)引起熱脆現(xiàn)象。雜質(zhì)的有害影響，不僅與雜質(zhì)的性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)，而且與其存在狀態(tài)，雜質(zhì)在金屬基體中的分布情況和形狀有關(guān)，例如鉛在純銅及低鋅黃銅中的有害作用，主要是由于鉛在晶界形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，破壞熱變形時(shí)晶間的結(jié)合力，產(chǎn)生熱脆性。但在兩相黃銅中則不同，分散于晶界上的鉛由于的相轉(zhuǎn)變而進(jìn)入晶內(nèi)，對(duì)熱變形無影響，此時(shí)的鉛不僅無害，而且是作為改善切削性能的添加元素。通常金屬中含有鉛、錫、銻、鉍、磷、硫等雜質(zhì)，當(dāng)它們不溶于金屬中，而以單質(zhì)或化合物的形式存在于晶界處時(shí)，將使晶界的聯(lián)系削弱，從而使金屬冷熱變形的能力顯著降低。當(dāng)其在一

34、定條件下能溶于晶內(nèi)時(shí)，則對(duì)合金的塑性影響較小。在討論雜質(zhì)元素對(duì)金屬與合金塑性的有害影響時(shí)，必須注意各雜質(zhì)元素之間的相互影響。因?yàn)槟畴s質(zhì)的有害作用可能因?yàn)榱硪浑s質(zhì)元素的存在而得到改善。例如鉍在銅中的溶解度約為0. 002%，若銅中含鉍量超過了此數(shù)，則多余的鉍能使銅變脆。這是由于鉍和銅之間的界面張力的作用，促使鉍沿著銅晶粒的邊界面擴(kuò)展開，銅晶粒被覆一層金屬鉍的網(wǎng)狀薄膜，顯著降低晶粒間的聯(lián)系而變脆，故一般銅中允許的含鉍量不大于0. 005%。但若在含鉍的銅中加入少量的磷，又可使銅的塑性得到恢復(fù)。因?yàn)榱啄苁广G和銅之間的界面張力降低，改善了鉍的分布狀態(tài)，使之不能形成連續(xù)狀的薄膜。又如，硫幾乎不溶于鐵中，

35、在鋼中硫以FeS及Ni的硫化物（NiS, Ni3S2）的夾雜形式存在。FeS的熔點(diǎn)為1190，F(xiàn)eFeS及FeSFeO共晶的熔點(diǎn)分別為985和910；NiS和NiNi3S2共晶的溶點(diǎn)分別為797和645。當(dāng)溫度達(dá)到共晶體和硫化物的熔點(diǎn)時(shí)，它們就熔化、變形中引起開裂，即產(chǎn)生所謂的紅脆現(xiàn)象。這是因?yàn)镕e、Ni 的硫化物及其共晶體是以膜狀包圍在晶粒外邊的緣故。如在鋼加入少量Mn，形成球狀的硫化錳夾雜，并且MnS的熔點(diǎn)又高（1600），因此，在鋼中同時(shí)有硫和適量的錳元素存在而形成MnS以代替引起紅脆的硫化鐵時(shí)，可使鋼的塑性提高。氣體夾雜對(duì)金屬塑性的有害作用可舉工業(yè)用鈦為例來說明。氮、氧、氫是鈦中的常見

36、雜質(zhì)，微量的氮（萬分之幾）可使鈦的塑性顯著下降。氧可以高溫中強(qiáng)烈的以擴(kuò)散方式滲入鈦中，使鈦的塑性變壞，氫甚至可以使存放中的鈦及其合金的半成品發(fā)生破裂。因此，規(guī)定氫在鈦及其合金中的含量不得超過0. 015%。（2）合金元素對(duì)塑性的影響，在本質(zhì)上與前述雜質(zhì)的作用相同，不過合金元素的加入，多數(shù)是為了提高合金的某種性能（為了提高強(qiáng)度、提高熱穩(wěn)定性、提高在某種介質(zhì)中的耐蝕性等）而人為加入的。合金元素對(duì)金屬材料塑性的影響，取決于加入元素的特性，加入數(shù)量，元素之間的相互作用。當(dāng)加入的合金元素與基體的作用（或者幾種元素的相互作用）使在加工溫度范圍內(nèi)形成單相固溶體（特別是面心立方結(jié)構(gòu)的固溶體）時(shí)，則有較好的塑性

37、，如果加入元素的數(shù)量及組成不適當(dāng)，形成過剩相，特別是形成金屬間化合物或金屬氧化物等脆性相，或者使在壓力加工溫度范圍內(nèi)兩相共存，則塑性降低。 Zn, %圖5-12 銅鋅合金的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系紫銅的塑性是很好的，如果往銅中加入適量的鋅，組成銅鋅合金-普通黃銅，則因黃銅是面心立方結(jié)構(gòu)的相固溶體組織，塑性仍然較好?？墒?，當(dāng)加入的鋅量超過39%50%，就形成兩相組織（）或單相組織（相）。相是體心立方結(jié)構(gòu)，其低溫塑性較差，這可由銅鋅系狀態(tài)圖及銅鋅合金的機(jī)構(gòu)性能隨鋅含量變化的圖5-12中看出。又如在錳黃銅中，由于錳可以溶于固態(tài)黃銅中，添加少量的錳對(duì)黃銅組織無顯著影響，并可提高其強(qiáng)度而不降低塑性。當(dāng)錳含

38、量超過4%時(shí)，由于溶解度的降低，出現(xiàn)新的含錳量多的相。相是脆性相，使錳黃銅的塑性降低。5040302010024681012020406080100, %, b, ×10MPaHB,公斤/毫米2, %, b, ×10MPaHB,×10MPa2520151050246810020406080100Al, %Zn, %（a）（b）對(duì)于二元以上的多元合金，由于各元素的不同作用及元素之間的相互作用，對(duì)金屬材料塑性的影響是不能一般而論的，圖5-13說明Mg-Al-Zn系變形鎂合金中的鋁、鋅含量對(duì)塑性和強(qiáng)度有影響。由圖5-13a可知，隨鋁含量的增加，合金的塑性指標(biāo)（）逐漸降低

39、，當(dāng)鋁含量超過12%時(shí)值幾乎降低到零，而圖5-13b表明，當(dāng)含約5%以下的鋅時(shí)，卻能使合金的塑性得到改善。圖5-13 鎂合金中鋁、鋅含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響（a）鋁的影響曲線； （b）鋅的影響曲線2組織結(jié)構(gòu)金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)是指組元的晶格、晶粒的取向及晶界的特征而言。面心晶格的塑性最好（如Al、Ni、Pb、Au、Ag等），體心晶格次之（如Fe、Cr、W、Mo等），六方晶格的塑性較差（如Zr、Hf、Ti等）。多數(shù)金屬單晶體在室溫下有較高的塑性，相比之下多晶體的塑性則較低。這是由于一般情況下多晶體晶粒的大小不均勻、晶粒方位不同、晶粒邊界的強(qiáng)度不足等原因所造成的。如果晶粒細(xì)小，則標(biāo)志著晶界面積大，

40、晶界強(qiáng)度提高，變形多集中在晶內(nèi)，故表面出較高的塑性。超細(xì)晶粒，因其近于球形，在低變形速度下還伴隨著晶界的滑移，故呈現(xiàn)出更高的塑性，而粗大的晶粒，由于大小不容易均勻，且晶界強(qiáng)度低，容易在晶界處造成應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋，故塑性較低。一般認(rèn)為，單相系（純金屬和固溶體）比兩相系和多相系的塑性要高，固溶體比化合物的塑性要高。單相系塑性高主要是由于這種晶體具有大致相同的力學(xué)性能，其晶間物質(zhì)是最細(xì)的夾層，其中沒有易熔的夾雜物、共晶體、低強(qiáng)度和脆性的組成物。而兩相系和多相系的合金，其各相的特性、晶粒的大小、形狀和顯微組織的分布狀況等無法一致。因而給塑性帶來不良的影響。如在錫磷青銅中含P0. 1%，磷與銅形成熔點(diǎn)

41、為707的化合物Cu3P(P占14. 1%)，此化合物又與錫青銅形成三元共晶，熔點(diǎn)為628；當(dāng)磷含量超過0. 3%時(shí)，磷以淡藍(lán)色的磷化共析體夾雜析出；當(dāng)含磷量大于0. 5%時(shí)，磷化物在熱加工溫度條件下處于液態(tài)，其作用類似熱加工單相銅合金時(shí)鉛與鉍的作用，造成熱脆性，都使之不能進(jìn)行熱加工。不僅相的特性對(duì)塑性有影響，第二相的形狀、顯微分布狀況對(duì)塑性亦有重要影響。若第二相為硬相，且為大塊均勻分布的顆粒，往往使塑性降低；若第二相為軟相，則影響不大，甚至對(duì)塑性有利。如在兩相黃銅中，若相（軟相）以細(xì)針狀分布于晶粒的基體中，則有較大的塑性；若相以細(xì)小圓形夾雜物形態(tài)析出，則黃銅的塑性較低。含鋁8. 511%的銅

42、鋁合金，在緩冷時(shí)相分解成，并形成連續(xù)鏈狀析出的相大晶粒，使合金變脆，加入鐵，能使這種組織細(xì)化，消除其不利影響。鋼中的碳化物，呈板狀滲碳體，則加工性能不好，當(dāng)經(jīng)過球化熱處理使其呈球狀分布時(shí)，則提高了塑性。綜上所述，合金中的組元及所含雜質(zhì)越多，其顯微組織與宏觀組織越不均勻，則塑性越低，單相系具有最大的塑性。金屬與合金中，脆性的和易熔的組成物的形狀及它們分布的狀態(tài)，也對(duì)塑性有很大影響。5. 2. 2 影響金屬塑性的外部因素變形過程的工藝條件（變形溫度、速度，變形程度和應(yīng)力狀態(tài)）以及其它外部條件（尺寸、介質(zhì)與氣氛），對(duì)金屬的塑性也有很大影響。1、變形溫度金屬的塑性可能因?yàn)闇囟鹊纳呙鞫玫礁纳?。因?yàn)殡S

43、著溫度的升高，原子熱運(yùn)動(dòng)的能量增加，那些具有明顯擴(kuò)散特性的塑性變形機(jī)構(gòu)（晶間滑移機(jī)構(gòu)、非晶機(jī)構(gòu)、溶解沉淀機(jī)構(gòu)）都發(fā)揮了作用。同時(shí)隨著溫度的升高，在變形過程中發(fā)生了消除硬化的再結(jié)晶軟化過程，從而使那些由于塑性變形所造成的破壞和顯微缺陷得到修復(fù)的可能性增加；隨著溫度的升高，還可能出現(xiàn)新的滑移系，滑移系的增加，意味著塑性變形能力的提高。如鋁的多晶體，其最大的塑性出現(xiàn)在450550的溫度范圍內(nèi)，此時(shí)不僅可沿著（111）面滑移，而且還可以沿著（001）面及其它方向進(jìn)行滑移。塑性指標(biāo)溫度，°K圖5-14 溫度對(duì)塑性影響的典型曲線實(shí)際上，塑性并不是隨著溫度的升高而直線上升的，因?yàn)橄鄳B(tài)和晶粒邊界隨溫

44、度的波動(dòng)而產(chǎn)生的變化也對(duì)塑性有顯著的影響。在一般情況下，溫度由絕對(duì)零度上升到熔點(diǎn)時(shí)，可能出現(xiàn)三個(gè)脆性區(qū)：低溫脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)和高溫脆性區(qū)（圖5-14）。低溫脆性區(qū)主要指具有六方晶格的金屬在低溫時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。如鎂合金冷加工性能就不好。因?yàn)殒V是六方晶格，在低溫時(shí)只有一個(gè)滑移面，而在300以上時(shí)，由于鎂合金晶體中產(chǎn)生了附加滑移面，因而塑性提高了。故一般鎂合金在350450的溫度范圍內(nèi)可進(jìn)行各種壓力加工。低溫脆性區(qū)的出現(xiàn)是由于沿晶粒邊界的某些組織組成物隨溫度的降低而脆化了。某些金屬間的化合物就具有這種行為。如MgZn系中MgZn、MgZn2是低溫脆性化合物，它們隨著溫度的降低而沿晶界析出，

45、使低溫塑性降低。中溫脆性區(qū)的出現(xiàn)是由于在一定溫度-速度條件下，塑性變形可使脆性相從過飽和固溶體中沉淀出來，引起脆化；晶間物質(zhì)中個(gè)別的低熔點(diǎn)組成物因軟化而強(qiáng)度顯著降低，削弱了晶粒之間的聯(lián)系，導(dǎo)致熱脆；在一定溫度與應(yīng)力狀態(tài)下，產(chǎn)生固溶體的分解，此時(shí)可能出現(xiàn)新的脆性相。高溫脆性區(qū)則可能是由于在高溫下周圍氣氛和介質(zhì)的影響結(jié)果引起脆化、過熱或過燒。如鎳在含硫的氣氛中加熱、鈦的吸氫。晶粒長(zhǎng)大過快，或因晶間物質(zhì)熔化等，也顯著降低塑性。上述三個(gè)典型的脆性區(qū)，是指一般而言，對(duì)于具體的金屬與合金，可能只有一個(gè)或兩個(gè)脆性區(qū)?？傊?，出現(xiàn)幾個(gè)脆性區(qū)及塑性較好的區(qū)域，要視溫度的變化，金屬及合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織的改變而定。碳

46、鋼的脆性區(qū)有四個(gè)，塑性較好的區(qū)域有三個(gè)，各區(qū)的溫度范圍詳見圖5-15。對(duì)于具體的金屬與合金，其塑性隨溫度而變化的曲線圖，稱為塑性圖。圖5-16是幾種鋁和銅合金的塑性圖。塑性圖表明了該金屬最有利的加工溫度范圍，是擬定熱變形規(guī)程的必備資料之一。如從鋁合金LC4的塑性圖看出，在370420的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱軋時(shí)，不但塑性較好，而且變形抗力也較小，又如黃銅H68的塑性圖，表示在300500范圍內(nèi)塑性差，有明顯的中溫脆性區(qū)。而在690830的溫度區(qū)間內(nèi)塑性則較好，顯然，應(yīng)該選定這個(gè)溫度范圍作為熱軋的區(qū)間，對(duì)于QSn6. 5-0. 4 錫磷青銅，因有明顯的高溫脆性區(qū)，所以它是難以進(jìn)行熱軋的。根據(jù)許多實(shí)驗(yàn)證

47、明，溫度對(duì)各種金屬與合金塑性的影響規(guī)律并不是一致的，若從材質(zhì)和溫度出發(fā)，概括起來可能有八種類型，如圖5-17。圖中的曲線也可表示熱加工性能變化的情況。金屬的加工性能包括變形抗力和塑性兩個(gè)方面，變形抗力小、塑性大的材料，可以判斷其加工性能好。溫度，塑性圖5-15 碳鋼的塑性隨溫度變化圖無氧銅純鋁b, ×10MPab, ×10MPab, ×10MPaK，公斤，米/厘米2×10MPa圖5-16 幾種鋁合金及銅合金的塑性圖12435678相相溫度（TM-熔點(diǎn)）TM圖5-17 各種合金系的典型熱加工性能曲線1純金屬和單相合金：鋁合金、鉭合金、鈮合金；2晶粒成長(zhǎng)快的

48、純金屬和單相合金：鈹、鎂合金、鎢合金、單相鈦合金；3含有形成非固溶性化合物元素的合金、含有硒的不銹鋼；4含有形成固溶性化合物元素的合金，含有氧化物的鉬合金，含有固溶性碳化物或氮化物的不銹鋼；5加熱時(shí)形成韌性第二相的合金；高鉻不銹鋼；6加熱時(shí)形成低熔點(diǎn)第二相的合金：含硫鐵、含有鋅的鎂合金；7冷卻時(shí)形成韌性第二相的合金：低碳鋼、低合金鋼、-及鈦合金；8冷卻時(shí)形成脆性第二相的合金：鎳-鈷-鐵超合金、磷氫不銹鋼（根據(jù)H. J. Henning, F. W. Boulger）由圖可見，由于晶粒粗大化以及金屬內(nèi)化合物、析出物或第二相的存在、分布和變化等原因，出現(xiàn)塑性不隨溫度上升而提高的各種情況。2變形速度

49、變形速度對(duì)塑性的影響比較復(fù)雜。當(dāng)變形速度不大時(shí)，隨變形速度的提高塑性是降低的；而當(dāng)變形速度較大時(shí)，塑性隨變形程度的提高反而變好。這種影響還沒有找到確切的定量關(guān)系。一般可用圖5-18所示的曲線概括。塑性隨變形速度的升高而降低（區(qū)），可能是由于加工硬化及位錯(cuò)受阻力而形成顯微裂口所致；塑性隨速度的升高而增長(zhǎng)（區(qū)）可能是由于熱效應(yīng)使變形金屬的溫度升高，硬化得到消除和變形的擴(kuò)散過程參與作用。也可能是位錯(cuò)借攀移而重新啟動(dòng)的緣故。變形速度的增加，在下述情況下降低金屬的塑性，在變形過程中，加工硬化的速度大于軟化的速度（考慮到熱效應(yīng)的作用）；由于熱效應(yīng)的作用使變形物體的溫度升高到熱脆區(qū)。變形速度的增加，在下述情

50、況下提高金屬的塑性，在變形過程中，硬化的消除過程比其增長(zhǎng)過程進(jìn)行的快；由于變形速度增加，熱效應(yīng)的作用使金屬的溫度升高，由脆性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)。變形速度對(duì)塑性的影響，實(shí)質(zhì)上是變形熱效應(yīng)在起作用。所謂熱效應(yīng)，即金屬在塑性變形時(shí)的發(fā)熱現(xiàn)象。因?yàn)?，供給金屬產(chǎn)生塑性變形的能量，將消耗于彈性變形和塑性變形。耗于彈性變形的能量造成物體的應(yīng)力狀態(tài)，而耗于塑性變形的那部分能量的絕大部分轉(zhuǎn)化為熱。當(dāng)部分熱量來不及向外放散而積蓄于變形物體內(nèi)部時(shí)，促使金屬的溫度升高。塑性變形過程中的發(fā)熱現(xiàn)象是個(gè)絕熱過程，即在任何溫度下都能發(fā)生。不過在低溫條件下，表現(xiàn)的明顯些，發(fā)出的熱量相對(duì)的多些。冷變形過程中因軟化不明顯，金屬的變形抗

51、力隨變形程度的增加而增大。若只稍許提高一些變形速度，對(duì)變形金屬本身的影響是不大的。但當(dāng)變形速度提高到足夠大的程度時(shí)（譬如高速錘擊），由于變形溫度顯著的升高，可能使變形金屬發(fā)生一些恢復(fù)現(xiàn)象，而可較為明顯的降低金屬的變形抗力，并提高其塑性變形能力。因此，在冷變形條件下，提高工具的運(yùn)動(dòng)速度（亦即增大變形速度），對(duì)于塑性變形過程本身是有益的。塑性變形過程中，因金屬發(fā)熱而促使溫度升高的效應(yīng)，稱為溫度效應(yīng)。變形過程中的溫度效應(yīng)，不僅決定于因塑性變形功而排出的熱量，而且也取決于接觸表面摩擦功作用所排出的熱量。在某些情況下（在變形時(shí)不僅變形速度高而且接觸摩擦系數(shù)也很大），變形過程的溫度效應(yīng)可能達(dá)到很高的數(shù)值。

52、由此可見，控制適當(dāng)?shù)臏囟?，不但要考慮導(dǎo)致熱效應(yīng)的變形速度這一因素，還應(yīng)充分估計(jì)到，金屬壓力加工工具與金屬的接觸表面間的摩擦在變形過程中所引起的溫度升高。塑性變形速度，1/秒圖5-18 變形速度對(duì)塑性的影響由表5-1可見，熱效應(yīng)顯著地改變了金屬的實(shí)際變形溫度，其作用是不可忽視的。一般說來，合金的實(shí)際變形抗力越大，擠壓系數(shù)越高，擠壓速度越快，則發(fā)熱越嚴(yán)重。所以在擠壓生產(chǎn)中，一定要把變形溫度和變形速度聯(lián)系起來為考慮，否則容易超過可加工溫度范圍出現(xiàn)裂紋。對(duì)于熱加工，利用高速度變形來提高塑性并沒有什么意義，因?yàn)闊嶙冃螘r(shí)變形抗力小于冷加工時(shí)的變形抗力，產(chǎn)生的熱效應(yīng)小。但采用高速變形方式可以提高生產(chǎn)率，并可

53、保證在恒溫條件下變形。一般壓力加工的變形速度為0. 8300秒-1，而爆炸成型的變形速度卻比目前的壓力加工速度高約1000倍之多。在這樣的變形速度下，難加工的金屬鈦和耐熱合金可以很好的成型。這說明爆炸成型可使金屬與合金的塑性大大提高，從而也節(jié)省了能量。表5-1 鋁合金冷擠壓時(shí)因熱效應(yīng)所增加的溫度合 金 號(hào)擠壓系數(shù)擠壓速度（毫米/秒）金屬溫度 L411150158195LD21116150294315LY111116150340350LY113165308關(guān)于高速變形能夠使能量節(jié)省，并且不致使金屬在變形中破裂的原因，羅伯特做過這樣的假設(shè)，即假定形變硬化與時(shí)間因素也有關(guān)系，對(duì)于一種金屬或合金在一定

54、溫度下存在一特殊的限定時(shí)間-形變硬化的“停留時(shí)間”?？偪梢哉业揭粋€(gè)盡量短的時(shí)間，使塑性變形在此時(shí)間內(nèi)完成，這樣就可以使變形的能量消耗降為最低限度，并且可以保證變形過程在裂紋來不及傳播的情況下進(jìn)行。似乎可以用此假說來解釋爆炸成型及高速錘鍛的工作效果好的原因。3變形程度變形程度對(duì)塑性的影響，是同加工硬化及加工過程中伴隨著塑性變形的發(fā)展而產(chǎn)生的裂紋傾向聯(lián)系在一起的。在熱變形過程中，變形程度與變形溫度-速度條件是相互聯(lián)系著的，當(dāng)加工硬化與裂紋胚芽的修復(fù)速度大于發(fā)生速度時(shí)，可以說變形程度對(duì)塑性影響不大。對(duì)于冷變形而言，由于沒有上述的修復(fù)過程，一般都是隨著變形程度的增加而降低塑性。至于從塑性加工的角度來看，冷變形時(shí)兩次退火之間的變形程度究竟多大最為合適，尚無明確結(jié)論，還需進(jìn)一步研究。但可以認(rèn)為這種變形程度是與金屬的性質(zhì)密切相關(guān)的。對(duì)硬化強(qiáng)度大的金屬與合金，應(yīng)給予較小的變形程度即進(jìn)行下一次中間退火，以恢復(fù)其塑性；對(duì)于硬化強(qiáng)度小的金屬與合金，則在兩次中間退火之間可給予較大的變形程度。對(duì)于難變形的合金，可以采用多次小變形量的加工方法。實(shí)驗(yàn)證明，這種分散變形的方法可以提高塑性2. 5