塑性概念及指標(biāo)

塑性概念及指標(biāo)第一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、塑性的概念什么是塑性？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。2023/5/262第二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五塑性與柔軟性的區(qū)別是什么？塑性反映材料產(chǎn)生永久變形的能力。柔軟性反映材料抵抗變形的能力。2023/5/263第三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五不銹鋼--塑性好，變形抗力高鉛--塑性好，變形抗力低結(jié)論：塑性與柔軟性不是同一概念白口鑄鐵--塑性差，變形抗力高2023/5/264第四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五研究塑性的意義金屬和合金在壓力加工過(guò)程中可能出現(xiàn)斷裂。而一但出現(xiàn)斷裂，加工過(guò)程就很難進(jìn)行下去。為了順利地加工，就要求金屬或合金具有在外力作用下，能發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。這就是所謂塑性。2023/5/265第五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五塑性好壞用金屬在斷裂前產(chǎn)生的最大變形程度來(lái)表示。它同斷裂強(qiáng)度、沖擊韌性一樣，也是金屬抵抗斷裂性能的一種量度。因?yàn)樗苄苑从吵隽私饘贁嗔亚暗淖畲笞冃瘟?，所以它表示出了壓力加工時(shí)金屬允許加工量的限度，是金屬重要的加工性能。同時(shí)，在使用條件下，如果金屬具有良好的塑性，在發(fā)生斷裂前能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，就能避免突然的脆性斷裂，所以它同樣是重要的使用性能?023/5/266第六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五塑性和其它的斷裂性能指標(biāo)一樣，也和金屬材料的化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)、變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)等因素有非常密切的關(guān)系。塑性隨著這些因素的變化而變化。研究塑性是為了改善塑性和選擇合適的變形方法，為了確定最合適的變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)及許用的最大變形量。2023/5/267第七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五研究塑性就要：探索塑性變化規(guī)律尋求改善塑性途徑選擇合理加工方法確定最佳工藝制度提高產(chǎn)品質(zhì)量2023/5/268第八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、塑性指標(biāo)塑性的大小可以由金屬在不同變形條件下允許的極限變形量來(lái)表示。此極限變形量稱為塑性指標(biāo)。由于影響因素復(fù)雜，很難找出一種通用的指標(biāo)來(lái)描述塑性。目前只能采用力學(xué)及工藝性能的方法來(lái)確定各種具體條件下的塑性指標(biāo)。常用的塑性指標(biāo)有：

延伸率斷面收縮率扭轉(zhuǎn)數(shù)或扭轉(zhuǎn)角極限壓縮率沖擊韌性2023/5/269第九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五塑性指標(biāo)的測(cè)量方法拉伸試驗(yàn)法壓縮試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法軋制模擬試驗(yàn)法2023/5/2610第十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、延伸率式中L——試樣上原始計(jì)算長(zhǎng)度；

ΔL——斷裂前后計(jì)算長(zhǎng)度的絕對(duì)伸長(zhǎng)量，即變形后計(jì)算長(zhǎng)度與變形前計(jì)算長(zhǎng)度之差。

延伸率包括了試樣的均勻變形和集中的局部變形兩部分的變形總和。所以，延伸率的大小與試樣的原始計(jì)算長(zhǎng)度有關(guān)，試樣越長(zhǎng)，集中變形數(shù)值的比值越小，延伸率就越小。對(duì)圓柱體試樣，規(guī)定L＝10d或L＝5d

2023/5/2611第十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、斷面收縮率式中F0——試樣的原始斷面積；

F1——試樣斷口處的斷面積。

斷面收縮率的大小與試樣的原始計(jì)算長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。因此，用斷面收縮率作為衡量材料塑性大小指標(biāo)，得出的數(shù)值比較穩(wěn)定，有其優(yōu)越性。2023/5/2612第十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、扭轉(zhuǎn)數(shù)或扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)數(shù)(n)，表示金屬在扭轉(zhuǎn)變形條件下，破壞前的最大扭轉(zhuǎn)數(shù)。對(duì)于一定尺寸的試件來(lái)說(shuō)，扭轉(zhuǎn)數(shù)(n)越大，其塑性越好。扭轉(zhuǎn)數(shù)可在冷、熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定、可在不同的溫度和速度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)圓柱體試樣的一端固定，另一端扭轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中試樣受到外加扭力的作用，隨著試樣扭轉(zhuǎn)數(shù)的不斷增加，最后將發(fā)生斷裂。材料的塑性指標(biāo)用破斷前的扭轉(zhuǎn)數(shù)(n)或扭轉(zhuǎn)角來(lái)表示。扭轉(zhuǎn)數(shù)(n)最能反映載荷是以剪切應(yīng)力為主的塑性變形能力。2023/5/2613第十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、極限壓縮率（鐓粗率）式中H——試樣原始高度；

h——經(jīng)壓縮后試樣出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度。2023/5/2614第十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、塑性圖在實(shí)際中為了確定合理的熱加工溫度范圍和應(yīng)采取的變形程度，通常把所測(cè)得的塑性指標(biāo)用溫度函數(shù)形式表示，也就是繪制出塑性指標(biāo)與變形溫度的關(guān)系曲線圖，并稱之為塑性圖。2023/5/2615第十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五塑性圖的應(yīng)用：合理選擇加工方法制定冷熱變形工藝GH130高溫合金塑性圖2023/5/2616第十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五變形鎂合金MB5的塑性圖ak

－沖擊韌性；eM

－慢力作用下的最大壓縮率，eC

－沖擊力作用下的最大壓縮率；φ

－斷面收縮率，a－彎曲角度試驗(yàn)溫度，℃2023/5/2617第十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五從塑性圖上獲取的信息慢速加工，溫度為350~400℃時(shí),φ值和εM都有最大值，不論軋制或擠壓，都可在此溫度范圍內(nèi)以較慢的速度加工。鍛錘下加工，在350℃左右有突變，變形溫度應(yīng)選擇在400~450℃。工件形狀比較復(fù)雜，變形時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)根據(jù)αK曲線來(lái)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。2023/5/2618第十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五§2-7影響塑性的主要因素金屬的化學(xué)成分及組織變形溫度變形速度變形的力學(xué)條件其它因素2023/5/2619第十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、金屬的化學(xué)成分及組織化學(xué)成分的影響合金元素的影響金屬組織的影響2023/5/2620第二十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（一）化學(xué)成分的影響一般認(rèn)為，純金屬具有較高的塑性，當(dāng)加入其它合金元素后成單相固溶體時(shí)也有較好的塑性。若所含的元素形成化合物時(shí)使塑性降低。面心立方晶體，如Al，Ni，Pb，Au，Ag等具有較高的塑性。體心立方晶體，如Fe，Cr，W，Mo，P－黃銅等的塑性居次。塑性較低的是六方晶格金屬，如Zr，Hf，Ti等。2023/5/2621第二十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五在合金成分中不溶于固溶體或部分溶于固溶體中元素將形成某種成分的過(guò)剩相存在于晶內(nèi)或晶界。屬于這類的元素有碳化物形成元素，形成金屬間化合物元素，以及硫、鋁、硅、鉛、錫等等。在固溶體中過(guò)剩相，對(duì)其塑性有非常大的影響。磷—→冷脆性；硫—→熱脆性；碳、氮—→時(shí)效脆性；氫—→氫脆現(xiàn)象，白點(diǎn)2023/5/2622第二十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五合金元素的影響鐵化學(xué)純鐵具有非常大的塑性，但工業(yè)純鐵，例如阿姆克鐵，其塑性卻不完全如此。鑄態(tài)的阿姆克鐵在1000℃左右，塑性急劇下降。2023/5/2623第二十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳在碳鋼中碳的含量越高，鋼的塑性越差，熱加工溫度范圍越窄。實(shí)驗(yàn)證明，含碳量小于1.4％的鑄鋼，可以很好地經(jīng)受鍛造和軋制。當(dāng)含碳量高于1.4％時(shí)，由于析出自由滲碳體和萊氏體，使塑性下降。從鐵碳平衡圖中可以看出，具有1.4—1.7％的碳鋼在很窄的溫度范圍內(nèi)形成固溶體。而當(dāng)含碳量高于1.7％時(shí)，其塑性將由鋼中的滲碳體和萊氏體的影響程度而定。對(duì)于含碳量很高的鑄鐵，只有在特殊條件下才能進(jìn)行塑性加工。2023/5/2624第二十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五錳奧氏體錳鋼，由于低的導(dǎo)熱性和大的膨脹系數(shù)，使之具有高的加熱速度敏感性。對(duì)于大斷面的高錳鋼來(lái)講，若加熱速度過(guò)快，可能使之產(chǎn)生內(nèi)裂。錳鋼的過(guò)熱敏感性強(qiáng)，對(duì)其加熱制度應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。當(dāng)在鋼中含有較多的硫和氧時(shí)，錳還會(huì)起到消除或減輕硫和氧的有害作用，使鋼的塑性提高。2023/5/2625第二十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五硫硫在固溶體內(nèi)的溶解度甚微。硫在鋼中以FeS、MnS等硫化物夾雜的形式存在。如鋼中含有合金元素時(shí)，還會(huì)形成鎳、鉬和其它合金元素的硫化物。一般硫化物具有較高的熔點(diǎn)溫度，但某些硫化物的共晶體和化合物的熔點(diǎn)溫度較低。顯然，如果在鋼中的含硫量越多，并存在有低熔點(diǎn)的硫的共晶體和化合物時(shí)，則鋼的塑性將與變形溫度有關(guān)。若加熱溫度高于硫的共晶體和化合物的熔點(diǎn)時(shí)，則這種鋼在變形時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，即產(chǎn)生紅脆現(xiàn)象。2023/5/2626第二十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2627第二十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五硅純硅不能進(jìn)行塑性變形。當(dāng)在鋼和合金中的硅以固溶體形式存在時(shí)，它對(duì)該金屬的塑性影響不大。例如，在變壓器鋼中，當(dāng)含硅量達(dá)3％時(shí)仍然有高的可軋性能。含硅量過(guò)高時(shí)鋼的塑性下降。當(dāng)鋼中的硅以硅化物(如SiO2)存在時(shí)，因在變形溫度條件下不溶解，使鋼的塑性下降。2023/5/2628第二十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五鎳純鎳具有高塑性，鎳可提高純鐵體的強(qiáng)度和塑性，能減緩鋼在加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大。當(dāng)在碳鋼和低合金鋼中，含鎳量在5%以下時(shí)，可改善鋼在熱變形時(shí)的塑性。鎳可與硫形成硫化物以薄膜形式存在于晶粒的邊界上。因此在含鎳的鋼中提高硫的含量會(huì)引起鋼的紅脆現(xiàn)象。2023/5/2629第二十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五鉻工業(yè)用的純鉻為脆性材料，在鉻中含有氧化物和氮化物的有害夾雜，這些夾雜分布在晶界上降低晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度。鉻為鐵素體形成元素，在一系列的奧氏體合金中，含有一定量的鉻時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐵素體的過(guò)剩相使鋼的塑性下降。鐵素體的高鉻合金于再結(jié)晶時(shí)具有很大的晶粒長(zhǎng)大傾向性。因此，為得到所需的組織必須嚴(yán)格控制加工溫度范圍。在鋼中加入鉻時(shí)可使其導(dǎo)熱性下降，因此為避免在加熱時(shí)出現(xiàn)裂紋應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行緩慢而均勻的加熱。特別對(duì)導(dǎo)熱能力低、膨脹系數(shù)大的高鉻鋼(如Cr25、Cr28)加熱時(shí)更應(yīng)注意。2023/5/2630第三十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五鎢、鉬、釩這些元素都是碳化物形成元素，它們所形成的碳化物極為穩(wěn)定，為使其溶于基體中需要更高的加熱溫度和足夠的加熱時(shí)間，這些碳化物能阻止奧氏體在加熱時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，減小鋼的過(guò)熱敏感性。使鋼的強(qiáng)度升高，但塑性下降。2023/5/2631第三十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五鋁、銅、硼磷鉛、錫、砷、銻、鉍氫、氮稀土元素2023/5/2632第三十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）金屬組織的影響金屬宏觀組織的影響關(guān)于宏觀組織對(duì)金屬塑性的影響，對(duì)鑄態(tài)組織來(lái)講由于含有粗大結(jié)晶組織和組織排列的不均，通常具有比變形組織更低的塑性。對(duì)經(jīng)變形后的金屬來(lái)講，通常細(xì)晶組織具有更高的塑性。2023/5/2633第三十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬微觀組織的影響若鋼與合金在熱加工條件下具有單一的奧氏體(對(duì)鐵素體鋼為單一的鐵素體)組織，而不存在其它過(guò)剩相時(shí)，則具有較高的塑性，如有過(guò)剩相存在，或多或少地會(huì)使鋼與合金的塑性下降。這種過(guò)剩相在軋前的加熱過(guò)程中將會(huì)發(fā)生變化，有些過(guò)剩相在加熱時(shí)溶解于固溶體中，對(duì)塑性不產(chǎn)生影響，而有些過(guò)剩相在加熱過(guò)程中仍然保存下來(lái)，影響金屬的塑性。2023/5/2634第三十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、變形溫度1、通常隨著變形溫度的升高，金屬的塑性增加。變形過(guò)程中所產(chǎn)生的破壞和缺陷得到恢復(fù)變形溫度升高原子熱運(yùn)動(dòng)的能量增加出現(xiàn)新的滑移系統(tǒng)非晶機(jī)構(gòu)、溶解機(jī)構(gòu)的參與有利于軟化過(guò)程的發(fā)展2023/5/2635第三十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五變形溫度對(duì)碳鋼的塑性的影響2023/5/2636第三十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、但是，這種塑性增加不是直線上升。Ⅰ區(qū)：位于200-400℃的范圍內(nèi)，此區(qū)域?yàn)樗{(lán)脆區(qū)。由于時(shí)效的原因，柯氏氣團(tuán)釘扎住位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，使得塑性降低。2023/5/2637第三十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五Ⅱ區(qū)：800-950℃。此區(qū)域的出現(xiàn)與相變有關(guān)。在相變時(shí)由于鐵素體和奧氏體的共存，使金屬產(chǎn)生不均勻的變形，塑性降低。也有人認(rèn)為，此區(qū)域的出現(xiàn)與硫的影響有關(guān)，并稱此區(qū)域?yàn)榧t脆(熱脆)區(qū)。Ⅲ區(qū)：因此區(qū)域的溫度過(guò)高，使金屬的溫度接近熔化溫度，可能產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒的現(xiàn)象，使晶間強(qiáng)度減弱，塑性大為降低。此區(qū)域?yàn)楦邷卮鄥^(qū)。2023/5/2638第三十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五一般隨著變形速度的提高，塑性是下降的(a)(b)三、變形速度2023/5/2639第三十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖(a)是反映金屬在某溫度條件下，即使以非常小的變形速度進(jìn)行變形時(shí)，金屬也會(huì)發(fā)生完全加工硬化。因此，這種曲線是此變形溫度所特有的一種曲線，從中看出，塑性隨變形速度的升高而降低。2023/5/2640第四十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖(b)中的曲線也是某溫度所特有的。在此溫度下，金屬以非常小的變形速度進(jìn)行變形時(shí)，在其晶粒邊界上可能有粘性流動(dòng)出現(xiàn)，并通常會(huì)引起脆性的晶間破壞。這就說(shuō)明，在非常低的變形速度下，金屬的塑性是降低的。隨著變形速度的升高，晶粒邊界上的粘性流動(dòng)消失，這時(shí)變形抗力升高和另一種變形機(jī)理(滑移)開(kāi)始作用，結(jié)果使塑性升高。當(dāng)再繼續(xù)提高變形速度時(shí)，塑性又開(kāi)始下降。這是因?yàn)?，隨著變形速度的增加，變形抗力升高，結(jié)果使變形抗力達(dá)到了相應(yīng)于更小的變形程度下的斷裂抗力之值。2023/5/2641第四十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五在某些情況下，還要增加變形速度時(shí)，塑性又開(kāi)始提高。這是因?yàn)樵诤艽蟮淖冃嗡俣认?，熱效?yīng)開(kāi)始作用，使變形物體的溫度升高和變形抗力下降。當(dāng)變形速度非常高時(shí)，熱效應(yīng)可能達(dá)到這樣大的作用，以致把金屬加熱到出現(xiàn)液相或大大降低其晶間物質(zhì)的強(qiáng)度。因此，在非常高的變形速度下，隨著變形速度的增加，金屬的塑性急劇下降。2023/5/2642第四十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五鋁合金冷擠壓時(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℃L411150158~195LD211~16150294~315LY1111~16150340~350LY1131653082023/5/2643第四十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五變形溫度－變形速度的聯(lián)合作用低溫塑性變形（冷變形）金屬于室溫，甚至直至開(kāi)始再結(jié)晶溫度(對(duì)純金屬為0.3—0.4TM，對(duì)合金為＞0.5TM，TM為熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)條件下變形，當(dāng)變形速度為10-3－10-4秒-1時(shí)，其塑性變形機(jī)構(gòu)為滑移。對(duì)許多體心立方金屬來(lái)講，在此溫度區(qū)域內(nèi)存在有脆性轉(zhuǎn)變溫度。降低變形溫度和提高變形速度時(shí)，滑移系統(tǒng)的數(shù)目減少，使滑移的作用減小，孿生變形的作用增大，結(jié)果導(dǎo)致金屬的塑性大為下降。六方晶格金屬也有類似的現(xiàn)象，但對(duì)面心立方金屬來(lái)講，甚至在更低的溫度下變形金屬也不會(huì)變脆。2023/5/2644第四十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、主應(yīng)力圖：定性地分析物體變形區(qū)的受力情況（應(yīng)力狀態(tài)）的圖。四、變形的力學(xué)條件2023/5/2645第四十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、卡爾曼實(shí)驗(yàn)：密閉試驗(yàn)腔，可以施加三向壓力。2023/5/2646第四十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2647第四十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、結(jié)論：塑性與應(yīng)力狀態(tài)（受力狀況）有關(guān)。壓應(yīng)力數(shù)目越多，數(shù)值越大，塑性越好。2023/5/2648第四十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五按應(yīng)力狀態(tài)圖的不同，可將其對(duì)金屬塑性的影響順序做這樣的排列：三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖最好，兩向壓一向拉次之，兩向拉一向壓更次，三向拉應(yīng)力狀態(tài)圖為最次。在塑性加工的實(shí)際中，即使其應(yīng)力狀態(tài)圖相同，但對(duì)金屬塑性的發(fā)揮也可能不同。例如，金屬的擠壓，圓柱體在兩平板間壓縮和板材的軋制等，其基本的應(yīng)力狀態(tài)圖皆為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖，但對(duì)塑性的影響程度卻不完全一樣。這就要根據(jù)其靜水壓力的大小來(lái)判斷。靜水壓力越大，變形金屬所呈現(xiàn)的塑性越大。2023/5/2649第四十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、靜水壓力提高金屬塑性的原因：（1）體壓縮能夠遏止晶粒邊界的相對(duì)移動(dòng)，使晶間變形困難。因?yàn)樵谒苄约庸?shí)際中，有時(shí)是不允許晶間變形存在的。在沒(méi)有修復(fù)機(jī)構(gòu)(再結(jié)晶機(jī)構(gòu)和溶解沉積機(jī)構(gòu))時(shí)，晶間變形會(huì)使晶間顯微破壞得到積累，進(jìn)而迅速地引起多晶體的破壞。2023/5/2650第五十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（2）體壓縮能促進(jìn)由于塑性變形和其它原因而破壞了的晶內(nèi)聯(lián)系的恢復(fù)。這樣，隨著明顯的體壓縮的增加，使金屬變得更為致密，其各種顯微破壞得到修復(fù)，甚至其宏觀破壞(組織缺陷)也得到修復(fù)。（3）體壓縮能完全或局部地消除變形物體內(nèi)數(shù)量很小的某些夾雜物甚至液相對(duì)塑性的不良影響。（4）體壓縮能完全抵償或者大大降低由于不均勻變形所引起的拉伸附加應(yīng)力，從而減輕了拉應(yīng)力的不良影響。2023/5/2651第五十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5、舉例（1）圓柱體徑向加壓變形——平砧上拔長(zhǎng)合金鋼（2）擠壓（3）圓柱體鐓粗2023/5/2652第五十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2653第五十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2654第五十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、提高金屬塑性的主要途徑提高塑性的主要途徑有以下幾個(gè)方面：(1)控制化學(xué)成分、改善組織結(jié)構(gòu)，提高材料的成分和組織的均勻性；(2)采用合適的變形溫度—速度制度；(3)選用三向壓應(yīng)力較強(qiáng)的變形過(guò)程，減小變形的不均勻性，盡量造成均勻的變形狀態(tài)；(4)避免加熱和加工時(shí)周圍介質(zhì)的不良影響。2023/5/2655第五十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五§2-8超塑性現(xiàn)象納米銅的室溫超塑性2023/5/2656第五十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五在不同溫度下ZnAl22的拉伸變形(250℃時(shí)延伸率)2023/5/2657第五十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五Bi-44Sn擠壓材料在慢速拉伸下出現(xiàn)異常大的延伸率（）2023/5/2658第五十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五高溫合金INCONEL718的超塑性成形航天器件2023/5/2659第五十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五雙相不銹鋼超塑性成形的航天器件2023/5/2660第六十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑成形的波形膨脹節(jié)用TC4鈦合金波紋管2023/5/2661第六十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的概念超塑性的力學(xué)特征超塑性的組織特征超塑性的機(jī)理超塑性的應(yīng)用2023/5/2662第六十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的概念超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，如果材料的延伸率超過(guò)100％，就可稱為超塑性。凡具有能超過(guò)100％延伸率的材料，則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過(guò)1000％，有的甚至可達(dá)2000％2023/5/2663第六十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2664第六十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的分類組織超塑性或恒溫超塑性。根據(jù)材料的組織形態(tài)特點(diǎn)也稱之為微細(xì)晶粒超塑性。特點(diǎn)是材料具有微細(xì)的等軸晶粒組織。溫度：Ts≥0.5Tm（Ts和Tm分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對(duì)溫度）變形速度：10-4~10-1/s。微細(xì)晶粒尺寸其范圍在0.5～5μm之間。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來(lái)說(shuō)（例如Ti合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有很好的超塑性能。由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，因此即使初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸，如果熱穩(wěn)定性差，在變形過(guò)程中晶粒迅速長(zhǎng)大的話，仍不能獲得良好的超塑性。2023/5/2665第六十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五相變超塑性或變態(tài)超塑性這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條件下，經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變獲得大延伸。如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于A1、3溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（ag）的兩次轉(zhuǎn)變，可以得到兩次均勻延伸。D.Oelschl?gel等用AISI1018、1045、1095、52100等鋼種試驗(yàn)表明，延伸率可達(dá)到500%以上。變形的特點(diǎn)：初期時(shí)每一次循環(huán)的變形量比較小，而在一定次數(shù)之后，例如幾十次之后，每一次循環(huán)可以得到逐步加大的變形，到斷裂時(shí)，可以累積為大延伸。2023/5/2666第六十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五有相變的金屬材料，不但在擴(kuò)散相變過(guò)程中具有很大的塑性，淬火過(guò)程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、回火過(guò)程中殘余奧氏體向馬氏體單向轉(zhuǎn)變過(guò)程，也可以獲得異常高的塑性。如果在馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）以上的一定溫度區(qū)間加工變形，可以促使奧氏體向馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中也可以獲得異常高的延伸，塑性大小與轉(zhuǎn)變量的多少，變形溫度及變形速度有關(guān)。這種過(guò)程稱為"轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性"。即所謂"TRIP"現(xiàn)象。Fe-Ni合金，F(xiàn)e-Mn-C等合金都具有這種特性。2023/5/2667第六十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五其它超塑性

在消除應(yīng)力退火過(guò)程中，在應(yīng)力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%Cu合金在溶解度曲線上下施以循環(huán)加熱可以得到超塑性，根據(jù)Johnson試驗(yàn)，在具有異向性熱膨脹的材料如U，Zr等，加熱時(shí)可有超塑性，稱為異向超塑性。有人把a(bǔ)-U在有負(fù)荷及照射下的變形也稱為超塑性。球墨鑄鐵及灰鑄鐵經(jīng)特殊處理也可以得到超塑性。2023/5/2668第六十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的歷史及發(fā)展

超塑性現(xiàn)象最早的報(bào)道是在1920年，德國(guó)人羅申漢（N.Rosenhaim）等發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速?gòu)澢鷷r(shí)，可以彎曲近180度。1934年，英國(guó)的C.P.Pearson發(fā)現(xiàn)Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時(shí)可以得到2000%的延伸率。1945年前蘇聯(lián)的A.A.Bochvar等發(fā)現(xiàn)Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率并提出“超塑性”這一名詞。1964年，美國(guó)的W.A.Backofen對(duì)Zn-Al合金進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)－m值這個(gè)新概念，為超塑性研究奠定了基礎(chǔ)。上世紀(jì)六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。

2023/5/2669第六十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五特別引人注意的是，近幾十年來(lái)金屬超塑性已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。一些超塑性的Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu合金以及黑色金屬等正以它們優(yōu)異的變形性能和材質(zhì)均勻等特點(diǎn)，在航空航天以及汽車的零部件生產(chǎn)、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用。2023/5/2670第七十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五近年來(lái)超塑性在我國(guó)和世界上主要的發(fā)展方向主要有如下三個(gè)方面：先進(jìn)材料超塑性的研究，這主要是指金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性的開(kāi)發(fā)，因?yàn)檫@些材料具有若干優(yōu)異的性能，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而這些材料一般加工性能較差，開(kāi)發(fā)這些材料的超塑性對(duì)于其應(yīng)用具有重要意義；高速超塑性的研究，提高超塑變形的速率，目的在于提高超塑成形的生產(chǎn)率；研究非理想超塑材料（例如供貨態(tài)工業(yè)合金）的超塑性變形規(guī)律，探討降低對(duì)超塑變形材料的苛刻要求，而提高成形件的質(zhì)量，目的在于擴(kuò)大超塑性技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其發(fā)揮更大的效益。2023/5/2671第七十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五典型的超塑性材料

目前已知的超塑性金屬及合金已有數(shù)百種，按基體區(qū)分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高級(jí)合金等類型的合金。部分典型的超塑性合金見(jiàn)下表2023/5/2672第七十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五合金成分（Wt%）m延伸率δ(%)變形溫度（℃）共析合金

Zn-22Al0.5>1500200~300共晶合金

Zn-5Al0.48～0.5300200～360

Al-33Cu0.9500440～520Al-Si－120450Cu-Ag0.53500675Mg-33Al0.852100350～400Sn-38Pb0.59108020Bi-44Sn－195020～30Pb-Cd0.35800100m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)2023/5/2673第七十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五Al基合金

Al-6Cu-0.5Zr0.51800～2000390～500Al-25.2Cu-5.2Si0.431310500Al-4.2Zn-1.55Mg0.9100530Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr0.91550550Al-8Zn-1Mg-0.5Zr－>1000－Al-33Cu-7Mg0.72>600420～480Al-Zn-Ca－

267500Cu基合金

Cu-9.5Al-4Fe0.64770800Cu-40Zn0.645156002023/5/2674第七十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五Fe-C合金（鋼鐵）

Fe-0.8C

－210～250680Fe-(1.3,1.6,1.9)C

－470530～640GCr150.42540700Fe-1.5C-1.5Cr

－1200650Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V

－817650AISI01(0.8C)0.51200650521600.61220650高級(jí)合金

901－400900～950Ti-6Al-4V0.85>1000800～10002023/5/2675第七十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五高級(jí)合金

IN744Fe-6.5Ni-26Cr0.51000950Ni-26.2Fe-34.9Cr-0.58Ti0.5>1000795～855IN1000.510001093純金屬

Zn（商業(yè)用）0.240020～70Ni－

225820U7000.4210001035Zr合金0.5200900Al商業(yè)用）－6000(扭轉(zhuǎn))377～5772023/5/2676第七十六頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的力學(xué)特征流動(dòng)應(yīng)力在超塑性材料中，流動(dòng)應(yīng)力特別敏感于應(yīng)變速率。如圖所示，用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線呈“S”形。Mg-Al共晶合金的應(yīng)變速率與(a)流動(dòng)應(yīng)力(b)敏感系數(shù)m的關(guān)系2023/5/2677第七十七頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)變速度敏感性系數(shù)：

應(yīng)變速率與流動(dòng)應(yīng)力曲線可劃分為三個(gè)區(qū)域，即低應(yīng)變速率區(qū)Ⅰ、高應(yīng)變速率區(qū)Ⅱ和超塑性區(qū)Ⅲ，在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中m<0.3，在Ⅱ區(qū)中m>0.3。2023/5/2678第七十八頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五流動(dòng)應(yīng)力對(duì)溫度十分敏感。提高變形溫度將發(fā)生如圖所示的變化2023/5/2679第七十九頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五隨著溫度的升高：流動(dòng)應(yīng)力的水平將普遍下降，但在高應(yīng)變速率時(shí)的變化不如低應(yīng)變時(shí)顯著m的最大峰值升高，并移向高應(yīng)變速率區(qū)在最大應(yīng)變速率和最小應(yīng)變速率這兩端，m值對(duì)溫度的敏感性較差，即在接近蠕變變形區(qū)及普通熱加工區(qū)，m值對(duì)溫度的敏感性較差Ⅰ/Ⅱ區(qū)和Ⅲ/Ⅱ區(qū)之間的過(guò)渡向高應(yīng)變速率方向移動(dòng)2023/5/2680第八十頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶粒的大小對(duì)流動(dòng)應(yīng)力及m值也有明顯的影響。一般來(lái)說(shuō)，具有良好超塑性的起始晶粒度一般應(yīng)＜10μm，最好是＜5μm。2023/5/2681第八十一頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶粒越細(xì)?。撼髤^(qū)外，在所有應(yīng)變速率條件下，流動(dòng)應(yīng)力都下降，特別是在低應(yīng)變速率下更為明顯；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的過(guò)渡推向高應(yīng)變速率范圍；m的最大峰值增加，并移向高應(yīng)變速率區(qū)2023/5/2682第八十二頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的物理意義應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m是材料超塑性的一個(gè)重要參數(shù)，它表征金屬抵抗頸縮的能力，高的m值使抵抗頸縮的能力增加。其理論意義是：產(chǎn)生頸縮的部位應(yīng)變速率增加，由于高的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變速率敏感性，需要更高的應(yīng)力。在試樣其余部分沒(méi)有繼續(xù)塑性變形的情況下，外加應(yīng)力不足以使頸縮發(fā)展。2023/5/2683第八十三頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的組織特征試驗(yàn)研究結(jié)果表明，于超塑性變形時(shí)晶粒的等軸性保持不變，并在變形后通常可以看到晶粒有些長(zhǎng)大。在正常微細(xì)晶粒超塑性顯微組織中在500％的應(yīng)變下晶粒尺寸可能增加50％或100％。有人在Sn－5％Bi合金上發(fā)現(xiàn)，延伸率達(dá)1000％時(shí)，晶粒仍保持等軸并發(fā)現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大了好幾倍。2023/5/2684第八十四頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)某些材料，如a／b黃銅、Al黃銅，AI-Zn-Mg-Cr合金等的超塑性拉伸中也發(fā)現(xiàn)有空洞出現(xiàn)。試驗(yàn)證明，空洞的數(shù)量和尺寸隨應(yīng)變速率的增大而增多。隨著真實(shí)應(yīng)變的增加，空洞數(shù)目也增多。一般認(rèn)為空洞是由晶界滑移引起的，所以在Ⅱ區(qū)內(nèi)因晶界滑移對(duì)塑性變形的作用最大，其空洞速率也就最大。試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)材料在超塑性變形過(guò)程中形成大面積空洞時(shí)，其相互連接將導(dǎo)致材料的最終斷裂。2023/5/2685第八十五頁(yè)，共九十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五超塑性的機(jī)理一、空位—遷移過(guò)程理論空位—遷移過(guò)程即為空位蠕變過(guò)程，它是指空位在應(yīng)力梯度的作用下引起的遷移，也就是原子的遷移（擴(kuò)散）。金屬的蠕變變形規(guī)律就是用這種原子的擴(kuò)散來(lái)解釋的。如圖所示，在拉應(yīng)力作用下，空位擴(kuò)散到平行于拉伸軸的晶界，而與此相應(yīng)，原子向