塑性加工金屬學(xué)(physicalmetallurgyofplasticworking)

研究金屬晶體結(jié)構(gòu)微觀攝動的機(jī)制，探討改善、控制并維持最佳熱力學(xué)及力學(xué)條件的方法，以求最有成效地進(jìn)行塑性成形的基礎(chǔ)理論學(xué)科，是金屬塑性加工基礎(chǔ)理論之一。本學(xué)科是以近代金屬物理、固體力學(xué)、物理冶金原理、金屬熱處理原理及x射線學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，并總結(jié)了塑性成形工業(yè)幾十年來的研究成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展形成的。它是研究金屬材料在給定的條件下，承受外力時產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制和條件、塑性變形瞬間組織變遷的微細(xì)原因與規(guī)律的一門科學(xué)。應(yīng)用這些知識，來有效地創(chuàng)造變形及應(yīng)力分布最為均勻的內(nèi)、外部條件，并結(jié)合最佳的熱處理手段，以獲取內(nèi)外質(zhì)量均合乎要求的產(chǎn)品。

金屬的塑性成形是一門古老而又較為年青的應(yīng)用技藝。中國古代制劍技術(shù)就早已將冶、鍛及熱處理融于一體，即在賦形的同時改善材料的內(nèi)部組織，以獲得高性能的制品。至于金屬塑性變形機(jī)理的研究，只是在1934年泰勒(G．I．Taylor)、奧羅萬(E．Z．Orowan)和波拉尼(M．Z．Polhnyi)3人各自獨(dú)立提出位錯概念以后，經(jīng)過50～60年代各國學(xué)者的深入研究并確立了位錯理論之后，才有了突破性的進(jìn)展。

金屬塑性加工原理，作為一門新興學(xué)科，在很大程度上應(yīng)歸功于白俄羅斯科學(xué)院院士古布金。他根據(jù)自己長期的理論研究和實(shí)踐工作的經(jīng)驗(yàn)，也吸收了諸如列維(Levy)、特列斯卡(Tresca)、米澤斯(R．vonMises)、斯科特(Scott)、巴甫洛夫等學(xué)者的研究成果，首次編寫了名為《金屬壓力加工原理》的專著，標(biāo)志本學(xué)科的誕生。其后在1959年，斯托羅熱夫遵循古布金遺愿，將古布金1955年8月即已完成的原稿整理，以《金屬塑性變形》為書名而發(fā)表。該書根據(jù)50年代初期及中葉位錯理論的形成、發(fā)展與應(yīng)用，大塑性變形是在物質(zhì)組織與性能不斷變化中發(fā)生，當(dāng)平衡系統(tǒng)成分順序改變時物質(zhì)性能也改變的物理一化學(xué)行為等觀點(diǎn)，將金屬塑性變形行為分為力學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)3個層次不同而終歸于一的理論體系，已預(yù)言金屬塑性加工原理將向多學(xué)科的綜合方向更深入地發(fā)展。

在發(fā)展金屬塑性加工理論上作出突出貢獻(xiàn)的，還應(yīng)指出俄羅斯學(xué)者巴甫洛夫院士，他于1934年編寫的《軋制理論與金屬塑性變形原理》和1950年編寫的《軋制原理》等兩本專著，已接近關(guān)于物質(zhì)流動的學(xué)科了。蘇聯(lián)學(xué)者斯托羅熱夫、翁克索夫以及其他學(xué)者，如約菲、薩克斯、霍尼庫姆(R．W．K．Homeycombe)、湯姆森(E．R．Thomsen)、迪特爾(George，E．Dieter)以及1951年哈維(R．F．Harrey)首先提出而為利普斯(M．H．Lips)及范崔倫(H．vanZuilen)開始系統(tǒng)研究的形變熱處理新工藝，50～60年代先后在鋼、鋁合金的塑性加工生產(chǎn)中的應(yīng)用，更加強(qiáng)了塑性加工金屬學(xué)成為一門新學(xué)科的基礎(chǔ)及緊迫性。但直到1970年，日本《塑性加工》雜志才從該年第一期起，正式以講座形式提出《塑性加工金屬學(xué)》這個學(xué)科的命名，1970和1971年連續(xù)分18次全面介紹了本學(xué)科的內(nèi)涵。自70年代以來，中國學(xué)者也根據(jù)自己的長期以來對金屬塑性變形理論的研究與大量的生產(chǎn)實(shí)踐，編寫了一些有關(guān)這方面的著作并在高等院校開設(shè)了專業(yè)課程，取名為塑性變形物理基礎(chǔ)或塑性變形物理冶金理論。

本學(xué)科介紹塑性變形時金屬內(nèi)部組織變化的原因與結(jié)果的知識，目的是讓人們能動地掌握組織材料生產(chǎn)全過程的能力，以求獲取最佳的效益。它包含以下6方面的主要內(nèi)容。

(1)金屬塑性變形機(jī)理。金屬的塑性加工是使受外界作用的金屬和合金產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的永久變形而賦于材料所期望的外形與組織，達(dá)到發(fā)揮材料最佳利用價(jià)值的目的。為了弄清組織與性能變化的規(guī)律，熟悉產(chǎn)生塑性變形的機(jī)理及其在塑性變形過程中所起作用與導(dǎo)致的后果，是至關(guān)重要的。在繼承材料科學(xué)中有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)知識的基礎(chǔ)上，有關(guān)滑移和位錯理論的知識，為深入理解塑性變形的其他問題作奠基工作。

(2)金屬的屈服與變形抗力。金屬要在一定大小的外力作用下才能由彈性變形轉(zhuǎn)變到塑性變形，這時的狀態(tài)稱為屈服。金屬產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力值，表征金屬已能開始流變的能力，因此要研究金屬多晶體的屈服行為。多晶體是由許多取向各異的單個晶體組成的，因此首先要研究單晶體的一些屈服表現(xiàn)(見單晶屈服)，弄清其本源，才能正確掌握金屬多晶體的塑性變形情況(見多晶屈服)。屈服只表示金屬已開始塑性變形，而塑性加工的目的是期望金屬能發(fā)生預(yù)定大小的變形而達(dá)到改變原來坯料的形狀尺寸、改善力學(xué)性能而得到合格制品。施加的外力隨著變形的發(fā)展而增加，要選就金屬的屈服并能維持穩(wěn)定地連續(xù)變形，則必須研究金屬在各種情況下反抗這些意圖的能力—金屬的變形抗力。由于金屬塑性加工時的條件干變?nèi)f化，沒有一個比較統(tǒng)一的指標(biāo)則難以形成規(guī)律性的預(yù)測。現(xiàn)已明確，在靜力拉伸機(jī)上用10倍或5倍圓柱試件所得拉力-伸長圖，可換算成應(yīng)力-應(yīng)變曲線及真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。這些曲線可以提供實(shí)用所需的一些信息，它們是工程技術(shù)人員工作中必需的參考資料之一。

(3)金屬塑性變形的熱力學(xué)條件。金屬必須在一定的力學(xué)條件與熱力學(xué)條件下受外力作用才能發(fā)生所希望的變形。熱力學(xué)條件包括變形溫度——變形時金屬所具有的溫度，變形程度——變形時變形物體所承受的變形量的大小，變形速率——完成所產(chǎn)生變形的快慢程度。它們直接或間接制約著生產(chǎn)工作的成敗。因此，掌握選擇及確定變形溫度范圍，熱變形、冷變形及溫變形等類變形過程中所產(chǎn)生的變化，以及變形量的大小和變形速度高低對改變金屬內(nèi)部組織的實(shí)質(zhì)，是編制金屬塑睦加工工藝規(guī)程中所最基本的知識與技能。

(4)金屬塑性變形與組織性能變化。金屬塑性加工的目的是創(chuàng)造最佳條件以促使工件在承受變形的過程中，發(fā)生預(yù)期的形狀改變和組織改變并獲得所要求的良好性能。因此，研究塑性變形過程中組織性能變化的規(guī)律性，創(chuàng)造反復(fù)、繼續(xù)變形的措施，是制定生產(chǎn)工藝規(guī)程必須掌握的知識。近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特殊規(guī)格、特殊組織性能要求的材料越來越多，且日新月異，而常規(guī)加工方法生產(chǎn)的材料，又常因組織或性能不夠理想而難以符合要求；究其原因是形成了變形織構(gòu)或再結(jié)晶織構(gòu)等等所致。為有效地控制織構(gòu)的形成與存在方式，減弱其不良影響，對退火再結(jié)晶過程、織構(gòu)及其他一些特殊組織的形成機(jī)制、調(diào)控技藝等進(jìn)行探索與創(chuàng)造，就能在知其所以然的基礎(chǔ)上，有成效地制備各種含有特殊性能要求的材料與制品。

(5)金屬的塑性與斷裂。金屬能穩(wěn)定地發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生斷裂的能力，是金屬具有塑性的表征。塑性并非物質(zhì)的一種固有性質(zhì)，而是一定條件下所呈現(xiàn)的狀態(tài)。研究不同熱力學(xué)及力學(xué)條件下金屬的塑性行為及該狀態(tài)下金屬內(nèi)部組織的反響，對于安排生產(chǎn)工藝規(guī)程至關(guān)重要。因此，研究關(guān)于塑性圖和金屬的超塑性現(xiàn)象，以及宣告變形過程終結(jié)時產(chǎn)生斷裂的內(nèi)外原因與實(shí)質(zhì)，就有助于明了對所制材料要提出特殊的、嚴(yán)格的、甚至極為苛刻條件的原因。

(6)均勻與不均勻變形及殘余應(yīng)力。任何塑性加工過程均處于一種不均勻的狀態(tài)中，因之變形的發(fā)生、發(fā)展以及所誘至的應(yīng)力、應(yīng)變及性能等均處于不均勻的情況中。因而必須研究不均勻變形發(fā)生與擴(kuò)展的原因及其造成的不良后果的原因與防止措施，以求在實(shí)際生產(chǎn)過程中，盡最大可能創(chuàng)造均勻變形的條件。

塑性加工金屬學(xué)是綜合許多學(xué)科的知識并經(jīng)過從事塑性加工的同仁們百余年來的探索、實(shí)踐而逐漸形成的一門學(xué)科，它涉及的內(nèi)容寬廣精深；從某些內(nèi)容來看雖然似是重復(fù)其他學(xué)科的內(nèi)容，但因其緊扣著金屬塑性加工過程的特殊性，其內(nèi)涵則已迥異。