《工程材料與應(yīng)用》課件-第2章

2.1材料的性能2.2金屬的塑性變形與再結(jié)晶2.3金屬的熱加工2.4材料的超塑性2.5高聚物的力學(xué)狀態(tài)

2.1材料的性能2.2金屬的塑性變形與再結(jié)晶2.3金屬的熱加工2.4材料的超塑性2.5高聚物的力學(xué)狀態(tài)

2.1.1靜態(tài)力學(xué)性能

1.拉伸試驗

按國標(biāo)GB/T288—2002制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在拉伸試驗機(jī)上緩慢地進(jìn)行拉伸，使試樣承受軸向拉力F，并引起試樣沿軸向伸長ΔL=Lu－L0，直至試樣斷裂。將拉力F除以試樣原始截面積S0，即得拉應(yīng)力R，即R=F/S0，單位為N/mm2；將伸長量ΔL除以試樣原始長度L0，即得應(yīng)變ε。以R為縱坐標(biāo)，ε為橫坐標(biāo)，則可畫出應(yīng)力—應(yīng)變圖，如圖2-1(b)所示。此圖已消除試樣尺寸的影響，從而能直接反映材料的性能。2.1材?料?的?性?能圖2-1拉伸試樣及低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變圖(a)拉伸試樣；(b)低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變圖

1)彈性和剛度

試驗時，如加載后應(yīng)力不超過Re，則卸載后試樣即恢復(fù)原狀。這種不產(chǎn)生永久變形的能力稱為彈性。Re為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。

在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比時，其比例常數(shù)E稱為彈性模量，單位為N/mm2。此值僅與材料有關(guān)，反映了材料彈性變形抗力的大小，即材料的剛度。E愈大，剛度愈大。

彈性模量E是一個結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)，即E主要取決于基體金屬的性質(zhì)。如鋼鐵材料是鐵基合金，不論其成分和組織結(jié)構(gòu)如何變化，室溫下的E值均在(20～21.4)×104N/mm2范圍內(nèi)。

材料在使用中，如果剛度不足，則會由于發(fā)生過大的彈性變形而失效。

2)強度

圖2-1(b)中出現(xiàn)一屈服平臺，即應(yīng)力不增加而變形繼續(xù)進(jìn)行。此時若卸載，試樣變形不能完全消失，將保留一部分殘余的變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。在試驗過程中，載荷不增加(保持恒定)仍能繼續(xù)伸長的應(yīng)力，稱為屈服強度，有上屈服強度和下屈服強度兩種。上屈服強度(ReH)是試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最高應(yīng)力；下屈服強度(ReL)是指在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的最低應(yīng)力。上屈服強度對微小應(yīng)力集中、試樣偏心和其他因素很敏感，試驗結(jié)果相當(dāng)分散，因此，常取下屈服強度作為設(shè)計計算的

依據(jù)。對大多數(shù)零件而言，塑性變形就意味著零件喪失了對尺寸和公差的控制。工程中常根據(jù)屈服強度確定材料的許用應(yīng)力。

工業(yè)上使用的多數(shù)金屬材料，在拉伸試驗過程中沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生。按國標(biāo)GB/T288—2002規(guī)定，可用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力Rr表示材料在卸除載荷后，標(biāo)距部分殘余伸長率達(dá)到規(guī)定數(shù)值時的應(yīng)力。如規(guī)定伸長率為0.2%時，則用Rr0.2表示。應(yīng)力超過屈服強度時，整個試樣發(fā)生均勻而顯著的塑性變形。當(dāng)達(dá)到m點時，試樣開始局部變細(xì)，出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。此后，應(yīng)力開始下降，變形主要集中于頸部，直到最后在“縮頸”處斷裂?？梢?，在m點處應(yīng)力達(dá)到峰值，此點對應(yīng)的Rm稱為材料的抗拉強度。此值反映了材料產(chǎn)生最大均勻變形的抗力。Rm可用下式計算：

3)塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。?塑性的大小用斷后伸長率A和斷面收縮率Z來表示。即

A、Z愈大，材料的塑性愈好。由于伸長率的值與試樣尺寸有關(guān)，因此，比較伸長率時要注意試樣規(guī)格的統(tǒng)一。

金屬材料應(yīng)有一定的塑性才能順利地承受各種變形加工；另一方面，材料具有一定的塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂。

圖2-2為幾種典型材料在室溫下的R-ε曲線?？梢娿~也是塑性材料，但曲線上不出現(xiàn)明顯的屈服段。高碳鋼和陶瓷不發(fā)生明顯塑性變形，屬于脆性材料。圖2-2幾種典型材料在室溫下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖2-3給出了另幾類材料的R-ε曲線?？梢?，不同類型的材料，其R-ε曲線有很大差異，反映了它們具有不同的性能特點：

(1)天然橡膠的彈性模量小、強度低，斷裂前變形一直是彈性的，其彈性應(yīng)變可達(dá)百分之幾百，是典型的應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系的高彈體，如圖2-3(a)所示。

(2)塑料的R-ε曲線基本上可分四類，如圖2-3(b)所示。第一類，強而韌的塑料，如尼龍、ABS、聚氯乙烯等，其R-ε曲線如圖中曲線1所示，其強度和延伸率均較好；第二類如曲線2所示，這類塑料硬而脆，延伸率很小，如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等；第三類如曲線3所示，這類塑料硬而強，抗拉強度高，如纖維增強的熱固性塑料、某些硬聚氯乙烯等；第四類如曲線4所示，這類塑料軟而韌，延伸率大，如有增塑劑的聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。圖2-3天然橡膠、塑料、Al2O3、石英玻璃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(a)天然橡膠；(b)塑料；(c)Al2O3、石英玻璃

(3)?Al2O3(屬陶瓷)、石英玻璃的變形是純彈性的，幾乎不發(fā)生永久變形，并在微量變形后就斷裂，為脆性材料，但其彈性模量和強度都很高。

本章中的符號和單位均采用GB/T228—2002的標(biāo)準(zhǔn)，新舊標(biāo)準(zhǔn)的性能名稱及其符號列于表2-1中。表2-1新舊標(biāo)準(zhǔn)性能名稱及其符號對照

2.硬度

材料抵抗其他更硬的物體壓入其表面的能力稱為硬度。硬度反映了材料抵抗局部塑性變形的能力，是一個綜合的物理量。

通常硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。測量硬度常用布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)，見表2-2。表2-2三種硬度實驗

1)布氏硬度

按照GB/T231.1—2002《金屬布氏硬度試驗第一部分：試驗方法》，以一定大小載荷F(N)把一直徑為D(mm)的硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面(見圖2-4)，保持一定時間后卸載，在放大鏡下測量試樣表面的壓痕直徑d(mm)，求出壓痕球形表面積S(mm2)，再乘以0.102，定義為布氏硬度值，記為HBW。顯然，材料愈軟，壓痕直徑愈大，布氏硬度愈低；反之，布氏硬度愈高。測量壓痕直徑后，布氏硬度值可根據(jù)所測直徑查表得到。圖2-4布氏硬度試驗原理簡圖布氏硬度的優(yōu)點是測定結(jié)果較準(zhǔn)確；缺點是壓痕大，不適于成品檢驗。

2)洛氏硬度

洛氏硬度以頂角為120°的金剛石圓錐體(見圖2-5)或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，以一定的壓力使其壓入材料表面，測量壓痕深度來確定其硬度。壓痕愈深，材料愈軟，洛氏硬度愈低；反之，洛氏硬度愈高。被測材料硬度，可直接在硬度計刻盤讀出。圖2-5洛氏硬度試驗原理示意圖洛氏硬度常用的有三種，分別以HRA、HRB、HRC來表示。它們測試時所用壓頭類型、主要載荷及適用范圍見表2-3。表2-3洛氏硬度符號、試驗條件和應(yīng)用舉例以上三種洛氏硬度中，以HRC應(yīng)用最多，如經(jīng)淬火處理的鋼或工具等。

3)維氏硬度

測定維氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形(圖2-6)。維氏硬度值用HV表示。圖2-6維氏硬度試驗壓頭及壓痕示意圖維氏硬度所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度，這是布氏硬度和洛氏硬度所不及的。此外，因壓頭是金剛石角錐，載荷可調(diào)范圍大，故對軟、硬材料均適用，測定范圍為0～1000HV。

應(yīng)指出，各硬度試驗法測得的硬度值不能直接進(jìn)行比較，必須通過硬度換算表換算成同一種硬度值后，方可比較其大小。由于硬度值綜合反映了材料在局部范圍內(nèi)對塑性變形等的抵抗能力，故它與強度值也有一定關(guān)系。工程上，通過實踐，對不同材料的HBW與Rm關(guān)系得出了一系列經(jīng)驗公式(Rm單位為N/mm2)：

低碳鋼Rm≈3.53HBW，高碳鋼Rm≈3.33HBW

調(diào)質(zhì)合金鋼 Rm≈3.19HBW，灰鑄鐵 Rm≈0.98HBW

退火鋁合金 Rm≈4.70HBW2.1.2動態(tài)力學(xué)性能

1.韌性

1)沖擊韌性

許多零件在工作中受沖擊載荷作用，由于外力瞬時沖擊作用引起的變形和應(yīng)力要比靜載荷所引起的應(yīng)力大得多，因而選用制造這類零件的材料時，必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力，即沖擊韌性。沖擊韌性的大小習(xí)慣上常用材料在沖擊力打擊下遭到破壞時單位面積所吸收的功來表示。這可用一次性擺錘彎曲沖擊試驗來測定。

如圖2-7所示，試驗時，把試樣放在試驗機(jī)的兩個支承上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向，將重量為G(N)的擺錘放至規(guī)定高度H1(m)，然后下落將試樣擊斷，并擺過支承點升至高度H2(m)。依擺錘重量和沖擊前后擺錘高度，可算出擊斷試樣所耗沖擊功Ak。圖2-7沖擊試驗簡圖此Ak值可由刻度盤直接讀出，單位為J。

沖擊韌性值ak即為單位截面積所吸收的功:式中，S為試樣缺口處截面積，單位為cm2。

2)多沖抗力

在生產(chǎn)中，沖擊載荷下工作的零件，往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞者居多，很少有受大能量一次性沖擊破壞的。因此，在這種情況下，僅用?ak值來衡量材料的抗沖能力是不合理的，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)沖擊試驗以測定其多次沖擊抗力。圖2-8是一種多次重復(fù)沖擊彎曲試驗示意圖，將材料制成專用試樣放在多沖試驗機(jī)上，使之受到試驗機(jī)錘頭較小能量(小于1500J)多次沖擊，以測定材料在一定沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂紋和最后破斷的沖擊次數(shù)作為多沖抗力的指標(biāo)。

應(yīng)指出，材料僅在沖擊次數(shù)很少的大能量沖擊載荷作用下，其沖擊抗力主要決定于ak值；而沖擊能量不大時，材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強度。因此，ak值一般不直接用于沖擊強度的計算，而僅作參考。圖2-8多次沖擊試驗原理圖

2.疲勞強度

疲勞強度指的是被測材料抵抗交變載荷的性能。交變載荷是指大小和(或)方向重復(fù)循環(huán)變化的載荷。

在交變載荷作用下，材料發(fā)生破壞時的應(yīng)力值比靜載荷拉伸試驗的屈服強度還低，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。各種機(jī)器中因疲勞失效的零件達(dá)零件總數(shù)的60%～70%以上。

材料在無數(shù)次重復(fù)的交變載荷作用下而不致破裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強度極限，記為R-1。實際上并不可能做無數(shù)次交變載荷試驗，所以，一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受106～107次、有色金屬在經(jīng)受107～108次交變載荷作用而不破裂的最大應(yīng)力為疲勞強度。圖2-9列舉了幾種材料的實測疲勞曲線。

金屬的疲勞強度與抗拉強度之間存在近似的比例關(guān)系：

碳素鋼R-1≈(0.4～0.55)Rm，灰鑄鐵R-1≈0.4Rm

有色金屬R-1≈(0.3～0.4)Rm圖2-9幾種材料的實測疲勞曲線(a)中碳鋼與鋁合金；(b)尼龍6與有機(jī)玻璃

3.斷裂韌性

現(xiàn)代工業(yè)要求許多零件在高速重負(fù)荷下工作，需要使用高強度材料。大型結(jié)構(gòu)——橋梁、船舶、化工容器以及飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等為了減輕自重，也需要使用高強度材料。正是在各種高強度材料相繼涌現(xiàn)的同時，意外事故不斷發(fā)生。例如，二次世界大戰(zhàn)中，美國有5000多艘自由輪共發(fā)生1000余次破壞事故，?其中有238艘完全報廢(見圖2-10)；?1938～1942年，全球有40多座橋梁突然倒塌；20世紀(jì)50年代，美國北極星導(dǎo)彈和英國彗星飛機(jī)失事；1968年，日本有兩臺大球罐(1610mm和1245mm)在水壓實驗時爆炸等等。據(jù)事后鑒定，破壞時應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度，也低于許用應(yīng)力[R](通常[R]≤Rr0.2/n，n為安全系數(shù))，屬低應(yīng)力脆斷。按傳統(tǒng)的強度設(shè)計，工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時即認(rèn)為是安全的。所以，這些事故顯然不能用傳統(tǒng)的強度觀點來解釋。圖2-101943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂研究表明，這種低應(yīng)力脆斷的根本原因是材料宏觀裂紋的擴(kuò)展。由于材料冶煉、加工和使用等原因，材料中不可避免地存在裂紋(缺陷)。裂紋本身并不可怕，緩慢擴(kuò)展也不可怕，可怕的是后期的高速擴(kuò)展。

在外力作用下，裂紋端部必然存在應(yīng)力集中，這正是裂紋的危險所在。圖2-11具有張開形裂紋的試樣只要裂紋很尖銳，頂端前沿各點的應(yīng)力就按一定形狀分布(見圖2-11)。外加應(yīng)力增大時，各點的應(yīng)力按相應(yīng)比例增大，這個比例系數(shù)稱為應(yīng)力強度因子K1，表示為裂紋失穩(wěn)起始擴(kuò)展時的K1臨界值記為K1C，表示裂紋起始擴(kuò)展抗力，稱為斷裂韌性。

應(yīng)用舉例。原鐵道部規(guī)定，機(jī)車主軸不允許有橫向裂紋，故廢品率很高。實驗表明：其裂紋起始擴(kuò)展的臨界尺寸為7mm，裂紋擴(kuò)展速度(小于7mm)為1mm/100000km，機(jī)車運行大修期為300000km，故應(yīng)允許有3mm的橫向裂紋。圖2-11具有張開形裂紋的試樣2.1.3高、低溫性能

1.高溫性能

隨著溫度的升高，許多材料出現(xiàn)強度、硬度下降而軟化的現(xiàn)象，而且在溫度的長時間作用下還會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。

蠕變現(xiàn)象的特征是，材料在恒定應(yīng)力的作用下，隨時間增長發(fā)生持續(xù)變形，直至斷裂。金屬材料在高于一定溫度的條件下，即使受到小于屈服強度的應(yīng)力，也會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。因此，在高溫下使用的金屬材料，應(yīng)具有足夠的抗蠕變能力。工程塑料在室溫下受到應(yīng)力作用就可能發(fā)生蠕變，因此在應(yīng)用塑料受力件時應(yīng)予以注意。

蠕變的另一種表現(xiàn)形式是應(yīng)力松弛。這是承受彈性變形的材料，隨時間增長，總應(yīng)變保持不變，但卻因彈性變形逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而使?yīng)力自行逐漸衰減的現(xiàn)象。對于機(jī)械緊固件，若出現(xiàn)應(yīng)力松弛，將會使緊固失效。

2.低溫性能

隨著溫度的下降，多數(shù)材料會出現(xiàn)脆性增加的現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至發(fā)生脆斷。通過在不同溫度下對材料進(jìn)行一系列沖擊試驗，可得到材料的沖擊功與溫度的關(guān)系曲線。圖2-12為兩種鋼的溫度—沖擊功關(guān)系曲線，圖2-13是不同材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。由圖可知，材料的沖擊功Ak值隨溫度下降而減小。當(dāng)溫度降到一定值時，Ak會突然變得很小，稱為冷脆。材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度Tk稱為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。材料的Tk越低，表明其低溫韌性越好。圖2-12中虛線表示的鋼的Tk值低于實線表示的鋼，故前者的低溫韌性較好。低溫韌性對于在低溫條件下使用的材料是很重要的。圖2-12兩種鋼的溫度—沖擊功關(guān)系曲線圖2-13不同材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系2.1.4材料的工藝性能

從材料到零件或產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，涉及多種加工方法，因而就要求材料具有相應(yīng)的工藝性能，即材料對加工方法的適應(yīng)性。主要包含以下幾個內(nèi)容：

(1)鑄造性能：主要包括流動性和收縮性。前者是指熔融金屬的流動能力；后者是指澆鑄后的熔融金屬冷至室溫時伴隨的體積和尺寸的減小。

(2)鍛造性能：主要指金屬進(jìn)行鍛造時，其塑性的好壞和變形抗力的大小。塑性高、變形抗力(即屈服強度)小，則其鍛造性好。

(3)焊接性能：主要指在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性能受到材料本身的特性和工藝條件的影響。

(4)切削加工性能：工件材料接受切削加工的難易程度。材料切削性能的好壞與材料的物理、力學(xué)性能有關(guān)。

(5)熱處理工藝性能：這對于鋼是非常重要的性能，將在第4章討論。2.1.5工藝過程對材料性能的影響

機(jī)械零件的性能是由許多因素確定的，其中結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素和材料因素起主要作用，此外，使用因素對壽命也起很大作用。結(jié)構(gòu)因素指零件在整機(jī)中的作用、零件的形狀和尺寸，以及與其他連接件的配合關(guān)系等。加工工藝因素指全部加工工藝過程中對零件強度所產(chǎn)生的影響。材料因素指材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素和材料因素各自有獨立的作用，又相互影響，在解決與零件強度有關(guān)的問題時必須綜合加以考慮。在結(jié)構(gòu)因素正確合理的條件下，可運用材料的結(jié)構(gòu)、材料的加工工藝和材料的性能之間的復(fù)雜關(guān)系來滿足其成型和使用要求。當(dāng)改變這三者關(guān)系中任何一方時，其余一或兩個方面也會改變。因此，為了最終生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，有必要弄清這三方面是如何關(guān)聯(lián)的。

1.材料的結(jié)構(gòu)

材料的結(jié)構(gòu)可以分幾個層次來考慮，所有這些層次都影響產(chǎn)品的最終行為。

最小層次是材料的單個原子結(jié)構(gòu)。原子核四周電子的排列方式在很大程度上影響材料的電、磁、熱和光的行為，并可能影響到原子彼此結(jié)合的方式，因而也決定著材料的類型是金屬、陶瓷還是聚合物。第二個層次是材料的原子空間排列。金屬、多數(shù)陶瓷和部分聚合物材料具有晶體結(jié)構(gòu)，原子排列有序。晶體結(jié)構(gòu)影響材料的力學(xué)性能，如面心立方結(jié)構(gòu)的金、銅具有良好的塑性，而密排六方結(jié)構(gòu)的鎂的塑性較差。其他的陶瓷和大多數(shù)聚合物則具有無序的原子排列，即屬于非晶態(tài)或無定形的材料，其行為與晶體材料有很大的差別。如無定形態(tài)的聚乙烯透明且質(zhì)地柔軟，而結(jié)晶聚乙烯則半透明且質(zhì)地堅硬。若材料的原子排列中存在缺陷，則對這些缺陷進(jìn)行控制，就能使該材料的性能發(fā)生顯著的變化。第三個層次是材料的組織形貌。在大多數(shù)金屬、許多陶瓷以及某些聚合物材料中可以發(fā)現(xiàn)晶粒組織。晶粒之間原子排列的變化，改變了它們之間的取向，從而影響了材料性能。在這一層次上，晶粒的大小和形狀起著關(guān)鍵作用，如細(xì)晶強化等。

大多數(shù)材料是由多相組成的，每個相有其獨特的原子排列方式和性能。因而，控制材料主體內(nèi)的這些相的類型、大小、分布和數(shù)量就成為控制材料性能的一種有效方法。

2.材料的性能

對機(jī)械材料而言，力學(xué)性能致關(guān)重要，它描述了材料對外力的響應(yīng)。力學(xué)性能不僅決定著材料的服役能力，也決定著材料成形加工的難易程度。

物理性能包括電、磁、光、熱、彈性和化學(xué)行為。材料的物理性能由其結(jié)構(gòu)和制造工藝兩方面決定。對許多半導(dǎo)體金屬和陶瓷而言，即使成分稍有改變，也會引起導(dǎo)電性的很大變化。過高的加熱溫度有可能顯著降低耐火磚的絕熱特性。少量的雜質(zhì)會改變玻璃或聚合物的顏色。

3.材料的加工工藝

利用材料的加工工藝可以將未經(jīng)成形的坯料加工成零件所要求的形狀。金屬的加工方法很多，有將液態(tài)金屬澆入鑄型中凝固后成型的方法(鑄造)，有在外力下使固體金屬產(chǎn)生塑性變形獲得所需形狀的方法(鍛壓)，有將分離的金屬通過原子結(jié)合連接在一起的方法(焊接)，有將金屬粉末壓制并燒結(jié)出固態(tài)制品的方法(粉末冶金)，也有通過去除多余材料(機(jī)械加工)將固態(tài)金屬加工成所需形狀的方法。陶瓷則可通過壓注、壓制、拉擠等方法使其成型，然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)獲得所需產(chǎn)品。聚合物可采用將粘流態(tài)的原材料注入模具、拉制或成型等方法獲得所需產(chǎn)品。為了使材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化以使其性能滿足服役要求，往往在其熔點以下的某個溫度進(jìn)行熱處理。所采用的工藝類型，至少在一定程度上取決于材料的性能，其次是材料的結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝間的相互作用

材料的加工工藝影響材料的結(jié)構(gòu)。如鑄件的結(jié)構(gòu)與鍛壓件結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。鑄件的晶粒較粗大，可能含有收縮或氣泡生成的孔洞，且組織內(nèi)部可能夾帶非金屬夾雜物；鍛壓件結(jié)構(gòu)致密，晶粒較鑄件細(xì)小，可能含有被拉長的非金屬夾雜物和較多的晶體缺陷(位錯等)。因此，鑄件的力學(xué)性能不如鍛壓件。對鑄件而言，不同的冷卻條件其結(jié)構(gòu)也有區(qū)別(如圖2-14所示)，冷卻速度越大，晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。圖2-14不同冷卻條件下的鋁鑄錠的宏觀結(jié)構(gòu)另一方面，材料的原始結(jié)構(gòu)和性能決定著其選用的成型方法。含有大量縮孔的鑄件，在隨后的加工過程中容易開裂。通過增加晶體缺陷而強化的合金，在成型過程中也會因塑性降低而變脆和破裂。產(chǎn)生較大塑性變形的金屬，因晶粒被拉長等原因，在以后的成型過程中可能獲得不均勻的形狀。鑄鐵因其塑性太差，不能進(jìn)行塑性加工。金屬在特定的組織條件、溫度條件和變形速度下變形時，其塑性可比常態(tài)提高幾倍到幾十倍，而變形抗力降低到常態(tài)的幾分之一，甚至幾十分之一(超塑性)，很容易獲得復(fù)雜形狀的零件。熱固性聚合物不能進(jìn)行成型加工，而熱塑性聚合物則很容易成型。2.2.1單晶體的彈性及塑性變形

1.單晶體的彈性變形

材料的力學(xué)性能在很大程度上取決于其晶體結(jié)構(gòu)。因而，了解外力作用下晶體的反應(yīng)方式是很重要的。一般來說，觀察的結(jié)果表明金屬晶體的性能取決于晶格類型、原子間的力、晶面間隔和各原子面上的原子密度。2.2金屬的塑性變形與再結(jié)晶若所加外力較小，則晶體僅簡單地產(chǎn)生原子間距的拉伸、壓縮或剪切，晶格類型不變，保持其基本位置，如圖2-15所示。所加外力僅僅稍微破壞了原子鍵的力平衡，以便通過晶體傳遞所加外力。外力一旦去除，則平衡恢復(fù)，晶格恢復(fù)原來的大小及形狀。在這種外力下，晶體產(chǎn)生的是彈性應(yīng)變，伸長量和壓縮量與所加外力的大小成正比。圖2-15在彈性載荷作用下的晶格畸變

2.單晶體的塑性變形

當(dāng)對單晶體施加切應(yīng)力時，隨著外力的增加，要么原子鍵被破壞而發(fā)生斷裂，要么原子之間發(fā)生相對滑移而產(chǎn)生永久性的原子位移。對金屬材料而言，第二種現(xiàn)象在較小外力下即出現(xiàn)，結(jié)果產(chǎn)生了塑性變形。

研究表明，塑性變形的機(jī)理是通過原子平面(即晶面)相對滑移而產(chǎn)生一定的位移，這類似于一組撲克牌由各張之間相對滑移而產(chǎn)生的變形，如圖2-16所示。圖2-16單晶體的變形過程(a)未變形；(b)彈性變形；(c)彈塑性變形；(d)塑性變形如前所述，晶體結(jié)構(gòu)是原子在空間規(guī)則和周期性的排列，這便可能有無數(shù)種方式將原子連成平面。以晶胞為基準(zhǔn)，不同方位的原子平面中原子密度不同，且相鄰平行原子面間距也不同，如圖2-17所示。對于所有可能的方式來說，塑性變形最易沿原子密度最大，平行晶面間距最大的平面發(fā)生。其原理可從簡化了的圖2-18看出，Ⅰ-Ⅰ比Ⅱ-Ⅱ有更大的原子密度及晶面間距，故Ⅰ-Ⅰ兩平面間原子結(jié)合力比Ⅱ-Ⅱ平面弱，且滑移阻力也小。圖2-17說明具有不同的原子密度和晶面間距的晶面示意圖圖2-18說明原子密度小且晶面間距小的?平面具有較大的變形阻力的簡圖圖2-19說明沿最密晶向滑移簡圖優(yōu)先滑移的方向也位于優(yōu)先滑移的平面內(nèi)。如滑移沿平面內(nèi)原子密排的方向進(jìn)行(見圖2-19)，則原子可以一個緊跟著一個前進(jìn)，而不必跳過障礙。因此，塑性變形是以在原子最密排平面內(nèi)沿最密排方向滑移的方式進(jìn)行的，此面稱為滑移面，而此方向稱為滑移方向。

滑移會在晶體的表面上造成階梯狀不均勻的滑移帶(見圖2-20)。拋光后的金屬試樣經(jīng)拉伸變形后，可在顯微鏡下觀察到滑移帶(見圖2-21)。

某種晶格類型的金屬是否容易變形，取決于其滑移面和滑移方向的數(shù)量。一個滑移面和該面上一個滑移方向組成一個滑移系統(tǒng)，稱為滑移系。顯然，滑移系越多的晶格類型，其塑性越好。圖2-20滑移線與滑移帶(a)滑移線與滑移帶示意圖；(b)單晶體中的滑移線與滑移帶圖2-21鋼中的滑移帶體心立方晶格有6個滑移面，?每個滑移面上有2個滑移方向(立方體對角線)(見圖2-22)，故共有12個滑移系。?面心立方晶格共有4個滑移面，?每個滑移面上有3個滑移方向(見圖2-22)，故共有12個滑移系。?而面心立方晶格中滑移面上原子排列密度較體心立方晶格滑移面上大，故前者的塑性優(yōu)于后者。圖2-22不同晶格類型中的滑移面密排六方晶格只有1個滑移面，此面上有3個滑移方向(見圖2-22)，故此晶格類型金屬的塑性很小，常顯得很脆。

3.滑移的位錯理論

以上所講的滑移概念認(rèn)為晶格是理想而規(guī)則的，滑移時，整個滑移面上的原子同時移動，這與實際情況不相符。實驗證明，實際滑移時，所需的切應(yīng)力要比整體滑移所需的切應(yīng)力小得多。這是由于金屬晶體通常并非都是完整無缺的，總存在一定的局部缺陷。刃型位錯和螺型位錯就是兩種這樣的缺陷。因為位錯移動一個原子距離時，只是位錯附近少數(shù)幾個原子移動不大的距離(見圖2-23)，故只需較小的應(yīng)力。這樣，位錯便由左向右一格格移動，當(dāng)位錯達(dá)到晶體邊緣時，晶體上半部就相對下半部滑移了一個原子間距?？勺魅鐖D2-24所示的一個比喻，當(dāng)人們打算移動地毯時，拉其一端使地毯沿地板滑移需較大的力，而先使地毯產(chǎn)生一橫向褶皺，然后使此褶皺橫過地板，則可用較小的力即可使地毯移過一定距離。圖2-23位錯滑移示意圖圖2-24滑移時位錯運動示意圖2.2.2實際金屬的塑性變形

實際使用的金屬材料主要是多晶體，其塑性變形與單晶體無本質(zhì)差別。但由于晶界的存在及各晶粒位向不同，從而使多晶體塑性變形更為復(fù)雜。多晶體在外力作用下，變形過程并非在全部晶粒內(nèi)進(jìn)行，而是首先在那些取向比較適宜的晶粒中開始。這些晶粒中位錯將沿最有利的滑移系運動，達(dá)到晶界。由于晶界處原子排列較混亂，而使位錯滑移受阻，并在晶界附近堆積，同時也受到鄰近的位向不同的晶粒的阻礙。隨外力增加，位錯進(jìn)一步堆積，應(yīng)力集中也愈來愈大，最后達(dá)到使鄰近晶粒中位錯開始運動，變形便由一批晶粒傳遞到另一批晶粒。

可見，多晶體滑移阻力大，故強度較單晶體高，且晶粒愈細(xì)，強度愈高，硬度愈大。另一方面，因晶粒愈細(xì)，變形被分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，每晶粒變形也較均勻，所以塑性、韌性也愈好。2.2.3塑性變形對金屬組織與性能的影響

1.冷變形強化

許多金屬有一種特異性能，即它們在承受一定變形后，對進(jìn)一步的塑性流動產(chǎn)生更大的抗力。這種塑性變形中金屬強度增加而塑性下降的現(xiàn)象叫做冷變形強化或形變硬化。

進(jìn)一步考慮地毯移動模型即可理解這一現(xiàn)象。如要沿對角方向移動地毯，則可先在一個方向移動褶皺，然后再在與此方向成90°的方向上移動褶皺即可。但假定兩條褶皺同時開始移動，將發(fā)現(xiàn)兩褶皺會產(chǎn)生相互阻礙。對于金屬，前已述及塑性變形是通過位錯運動來完成的，而當(dāng)位錯運動時，它很可能和其他類似的位錯相互作用而使進(jìn)一步運動受阻；另外，塑性變形時，位錯數(shù)目會明顯增加，其結(jié)果使位錯相互干擾的可能性增加?？梢?，造成這種冷變形強化的根本原因是位錯密度的增加，見圖?2-25。通過增加位錯密度來提高金屬強度的現(xiàn)象稱為位錯強化。顯然，冷變形強化屬位錯強化。人們常常利用冷變形強化這一特性，用一種便宜的經(jīng)過變形的金屬來代替未變形的、強度高但價格更貴的金屬。圖2-25冷變形后金屬中的位錯

2.纖維組織

當(dāng)金屬發(fā)生很大變形時，晶粒沿金屬流動方向被拉長而成纖維狀，晶界變模糊；同時，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂的纖維組織，如圖2-26所示。這使金屬在不同方向上表現(xiàn)出不同的性能，即出現(xiàn)各向異性。在設(shè)計和制造中，正確利用材料的方向性是很重要的。圖2-26低碳鋼冷變形后的纖維組織(a)冷變形量30%；(b)冷變形量50%；(c)冷變形量70%

3.織構(gòu)現(xiàn)象

由于多晶體在滑移的同時伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動，故在變形量達(dá)到一定程度(70%～90%以上)時，金屬中各晶粒的位向會大致趨于一致，即出現(xiàn)所謂的織構(gòu)現(xiàn)象。

當(dāng)金屬產(chǎn)生織構(gòu)時，其力學(xué)和電磁性能也呈各向異性。在大多數(shù)情況下，形成織構(gòu)是有害的。例如，由于材料性能不一致造成變形分布不均勻，而使沖壓件厚度不均，如杯形件出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象(圖2-27)。圖2-27制耳現(xiàn)象(a)無制耳；(b)有制耳織構(gòu)現(xiàn)象在有些方面是可以利用的。例如，生產(chǎn)變壓器硅鋼片時，其結(jié)構(gòu)為體心立方，沿特定晶向(<100>)最易磁化，如采用具有織構(gòu)取向的硅鋼片制作鐵芯，使其<100>晶向平行于磁場方向，則其磁導(dǎo)率將顯著增大，從而提高變壓器效率，減少鐵芯重量和鐵損。

4.殘余應(yīng)力

實驗證明，施加外力使金屬變形所消耗的機(jī)械功，大部分以熱能形式散失，只有約10%以位錯能形式儲存于金屬內(nèi)部，其表現(xiàn)為大量金屬原子偏離原來的平衡位置而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在金屬內(nèi)各部分之間就有力的作用，以恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。這種在外力消除后仍然保留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力或形變內(nèi)應(yīng)力，簡稱內(nèi)應(yīng)力。

1)宏觀內(nèi)應(yīng)力

宏觀內(nèi)應(yīng)力是由塑性變形時，工件各部分之間的變形不均勻性所產(chǎn)生的。例如，金屬拉絲加工后，因外緣部分的變形較心部少，結(jié)果使外緣受張應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力(見圖2-28)；彎曲一金屬棒后，則上部受壓應(yīng)力，下部受拉應(yīng)力(見圖2-29)。一般來說，不希望金屬件內(nèi)部存在宏觀內(nèi)應(yīng)力，但有時可利用零件表面殘留的壓應(yīng)力來提高其疲勞壽命。圖2-28金屬拉絲后的殘余應(yīng)力圖2-29金屬棒彎曲后的殘余應(yīng)力

2)微觀內(nèi)應(yīng)力

微觀內(nèi)應(yīng)力是由塑性變形時，各晶?；蚋鱽喚ЯＶg的變形不均勻而產(chǎn)生的。雖然這種內(nèi)應(yīng)力所占比例不大(約占全部內(nèi)應(yīng)力的1%～2%)，但在某些局部區(qū)域有時內(nèi)應(yīng)力很大，以致使工件在不大的外力作用下產(chǎn)生顯微裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致工件的斷裂。

3)點陣畸變

金屬和合金經(jīng)塑性變形后，位錯、空位等晶體缺陷大大增加，使點陣中的一部分原子偏離其平衡位置，造成點陣畸變。在變形金屬的總儲能中，絕大多數(shù)(80%～90%)屬于點陣畸變能。

點陣畸變能提高了變形金屬的能量，使之處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，從而具有向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的自發(fā)趨向。這就是下節(jié)要討論的“回復(fù)和再結(jié)晶”過程的驅(qū)動力。2.2.4金屬的再結(jié)晶

塑性變形后，金屬中晶體缺陷密度增大，金屬處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，其組織和結(jié)構(gòu)具有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。通過加熱和保溫，可使這種傾向成為現(xiàn)實。對經(jīng)過冷塑性變形的金屬進(jìn)行加熱，其組織和性能將發(fā)生如圖2-30所示的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的變化過程。圖2-30加熱溫度對冷變形金屬組織性能的影響

1.回復(fù)

當(dāng)變形金屬的加熱溫度不太高時，變形引起的晶格畸變減弱。但此時的顯微組織(晶粒的外形)尚無變化。把經(jīng)過冷變形的金屬加熱時，在顯微組織發(fā)生變化前所發(fā)生的一些亞結(jié)構(gòu)的改變過程稱為回復(fù)。由于在回復(fù)過程中晶格畸變顯著減弱，因此，回復(fù)后殘余內(nèi)應(yīng)力明顯下降。但由于晶粒外形未變，位錯密度降低很少，因而回復(fù)后，力學(xué)性能變化不大，冷變形強化狀態(tài)基本保留。工業(yè)上“消除內(nèi)應(yīng)力退火”就是利用回復(fù)現(xiàn)象，以穩(wěn)定變形后的組織，消除殘余應(yīng)力，而保留冷變形強化狀態(tài)。例如，用冷拉鋼絲卷制的彈簧在卷成之后，要進(jìn)行一次250～300℃的低溫退火，以消除內(nèi)應(yīng)力，使其定型。

2.再結(jié)晶

若塑性冷變形后的多晶金屬進(jìn)一步加熱到足夠高的溫度，則通過新晶核的形成及長大，原來變了形的晶粒將形成新的、等軸的、無應(yīng)變的晶粒，這一過程稱為再結(jié)晶，如圖2-31所示。各種金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是不同的，而且隨冷變形量而變化。通常，冷變形量越大，再結(jié)晶溫度就越低。然而存在一個最低溫度，低于此溫度，再結(jié)晶不易發(fā)生，此溫度稱為再結(jié)晶溫度(T再)。對純金屬而言，T再≈0.4T熔(式中T為絕對溫度)。在變形過程中，由于冷變形強化，將引起變形抗力的增加，如變形太大，將出現(xiàn)斷裂。為此，可在金屬承受一定量初始冷變形后使之再結(jié)晶，使其塑性得以恢復(fù)而可經(jīng)受進(jìn)一步變形，這一工藝稱為再結(jié)晶退火。通過此工藝可使金屬產(chǎn)生很大變形而不斷裂。如果金屬在再結(jié)晶溫度以上發(fā)生變形，則變形和再結(jié)晶同時發(fā)生，因而不產(chǎn)生冷變形強化，可產(chǎn)生很大變形。圖2-31再結(jié)晶過程示意圖再結(jié)晶也可作為控制晶粒尺寸的手段。在不發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變的金屬中，再結(jié)晶可使一種粗晶粒組織轉(zhuǎn)變成細(xì)晶粒，但材料必須先進(jìn)行塑性變形以提供再結(jié)晶驅(qū)動力。

再結(jié)晶過程傾向于產(chǎn)生尺寸較小的均勻晶粒。如金屬在再結(jié)晶溫度或再結(jié)晶溫度以上長時間保溫，新晶粒將開始長大。這是靠“吞并”鄰近晶粒而實現(xiàn)的，如圖2-32所示。提高溫度可增加長大傾向。圖2-32再結(jié)晶晶粒長大示意圖金屬的冷塑性變形程度，是影響再結(jié)晶晶粒度的最重要因素之一。當(dāng)其他條件相同時，再結(jié)晶晶粒度與預(yù)變形度及溫度之間的關(guān)系如圖2-33所示，圖2-34是黃銅的再結(jié)晶晶粒度與再結(jié)晶溫度、時間的關(guān)系，圖2-35是純鋁再結(jié)晶晶粒度與預(yù)變形度之間的關(guān)系。圖2-33再結(jié)晶晶粒度與預(yù)變形度及溫度之間的關(guān)系圖2-34黃銅的再結(jié)晶晶粒度與再結(jié)晶溫度、時間的關(guān)系(a)?33%變形的黃銅；(b)?580℃加熱3s；(c)?580℃加熱4s；(d)?580℃加熱8s；(e)?580℃加熱15s；(f)700℃加熱10min圖2-35純鋁再結(jié)晶晶粒度與預(yù)變形度之間的關(guān)系2.3.1金屬的熱加工與冷加工

金屬的塑性加工有時在高溫下進(jìn)行，有時在常溫下進(jìn)行。由于金屬在高溫下強度、硬度降低，塑性提高，因此在高溫下對金屬成型較低溫下容易得多。在工業(yè)生產(chǎn)中，鋼材和許多零件的毛坯都是在加熱至高溫后經(jīng)塑性加工(軋制、鍛造等)而制成的。通常將金屬的塑性加工方法分成冷加工和熱加工兩種。2.3金屬的熱加工熱加工與冷加工的區(qū)分應(yīng)以金屬的再結(jié)晶溫度為界限，而不以具體的加工溫度高低來劃分。在再結(jié)晶溫度以上的加工過程稱為熱加工，在再結(jié)晶溫度以下的加工過程稱為冷加工。如鉛的再結(jié)晶溫度低于室溫(見表2-4)，在室溫下對鉛進(jìn)行加工仍屬熱加工；鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，即便在1000℃拉制鎢絲仍屬于冷加工；鐵的再結(jié)晶溫度約為450℃，鐵在低于450℃以下的加工變形均屬于冷加工。?冷加工變形時，在組織上伴隨有晶粒的變形，如圖2-36(a)所示。同時，由于晶粒內(nèi)和晶界上位錯數(shù)量的增加，還會引起冷變形強化。而熱加工中，因為冷變形強化和再結(jié)晶兩個過程同時發(fā)生，所以加工中發(fā)生變形的晶粒也會立即發(fā)生再結(jié)晶，然后通過形核、長大成為新的等軸晶粒，如圖2-36(b)所示。故熱加工后，冷變形強化現(xiàn)象消失。表2-4金屬的再結(jié)晶溫度圖2-36冷、熱加工的組織比較(a)冷加工變形拉長晶粒；(b)熱加工再結(jié)晶成等軸晶粒2.3.2熱加工對金屬組織和性能的影響

在一般情況下，正確的熱加工可以改善金屬材料的組織和性能。

1.改善鋼錠和鋼坯的組織和性能

通過熱加工，使鑄造時在鋼錠中形成的組織缺陷明顯減少，如氣孔焊合，分散縮孔壓實，金屬材料的致密度增加。經(jīng)過熱加工之后，一般都會使晶粒變細(xì)。由于在溫度和壓力作用下，擴(kuò)散速度快，因而鋼錠中的偏析可以部分消除，使成分比較均勻。這些變化都會使金屬材料的性能有明顯提高(見表2-5)。表2-5含碳0.3%的碳鋼在鍛態(tài)和鑄態(tài)時的力學(xué)性能比較

2.鍛造流線

在鍛造時，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質(zhì)隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布(回復(fù)和再結(jié)晶不能改變這種分布特點)。這種熱鍛后的金屬組織稱為鍛造流線，也稱流線。流線使金屬材料的性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，拉伸時沿著流線伸長的方向(縱向)具有較高的力學(xué)性能，垂直于流線方向的抗拉性能較差(見表2-6)。表2-645鋼的力學(xué)性能與測定方向的關(guān)系在生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制工件的加工工藝，使流線分布合理。圖2-37(a)所示的鍛造曲軸，其流線沿曲軸輪廓分布，它在工作時的最大拉應(yīng)力將與其流線平行，流線分布合理。而圖2-37(b)所示的是由切削加工而成的曲軸，其纖維大部分被切斷，故工作時極易沿軸肩處發(fā)生斷裂。圖2-37曲軸的流線(a)鍛造；(b)切削加工

3.帶狀組織

金屬材料經(jīng)過鍛造或熱軋等加工變形后，常會出現(xiàn)的具有明顯層狀特性的組織，稱為帶狀組織(見圖2-38)。其形成原因主要是鑄態(tài)中的成分偏析在壓力加工時未被充分消除。帶狀組織不但會使金屬材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，使塑性和韌性顯著降低，而且會使其切削加工性惡化。圖2-38鋼中的帶狀組織2.4.1超塑性現(xiàn)象

金屬在特定的組織條件、溫度條件和變形速度下變形時，塑性比常態(tài)提高幾倍到幾十倍(見圖2-39)，有的伸長率A>1000%，而變形抗力降低到常態(tài)的幾分之一甚至幾十分之一，這種異乎尋常的性質(zhì)稱為超塑性。材料顯示超塑性的條件是，在拉伸試驗中試樣要在長度方向均勻變形，而且在作用應(yīng)力R和應(yīng)變速率的關(guān)系式中的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m必須滿足0.5～1，其中K為材料常數(shù)。超塑性包括細(xì)晶超塑性和相變超塑性等。2.4材料的超塑性圖2-39超塑性拉伸前后試樣對比細(xì)晶超塑性是指當(dāng)材料的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值的范圍大時，在低應(yīng)力狀態(tài)下，拉伸變形時能產(chǎn)生巨大延伸率的一種性質(zhì)。

產(chǎn)生細(xì)晶超塑性的必要條件如下：

(1)變形溫度為(0.5～0.7)T熔；

(2)應(yīng)變速率ε要小(平均ε≤10-3s-1)；

(3)用變形或熱處理的方法獲得0.5～5μm左右的超細(xì)等軸晶，且要求晶粒直徑穩(wěn)定，以使超塑性狀態(tài)能持續(xù)。通常當(dāng)材料具有微細(xì)化(<10

m)、等軸化、穩(wěn)定化的“三化”組織，且變形溫度在0.5T熔以上時才能實現(xiàn)超塑性。

超塑性的特點如下：

(1)超塑性在0.5≤m≤0.7時產(chǎn)生；

(2)當(dāng)晶粒變小時，超塑性區(qū)域向應(yīng)變速率高的方向移動；

(3)即使伸長率超過1000%，單個晶粒不發(fā)生變形，仍為等軸晶；

(4)存在大規(guī)模晶間界面滑動。相變超塑性是指在小的應(yīng)力作用下，使材料在相變溫度附近進(jìn)行多次熱循環(huán)時產(chǎn)生大的累積延伸的一種性質(zhì)。

產(chǎn)生相變超塑性的條件如下：

(1)不一定需要超細(xì)晶粒，在普通組織的材料中也可產(chǎn)生；

(2)相變是在應(yīng)力下進(jìn)行的；

(3)作用應(yīng)力要小。相變超塑性的特點如下：

(1)拉伸載荷下不產(chǎn)生頸縮，而產(chǎn)生幾倍的伸展；

(2)作用應(yīng)力和周期性發(fā)生的相變應(yīng)力之間為線性關(guān)系；

(3)?m值在0.3以上，一般取m≈1；

(4)應(yīng)變速率與相變速度有關(guān)，具有相變速率敏感性等。

利用超塑性現(xiàn)象，可在不破壞材料的情況下，以小的外力使復(fù)雜的形狀成型，但超塑性加工的成型速度較慢。近年來，高應(yīng)變速率超塑性的研究引起了人們的高度重視。2.4.2合金超塑性的應(yīng)用

最早發(fā)現(xiàn)的超塑性合金是Zn-22Al合金，其成型溫度范圍為250～270℃，壓力為0.39～1.376?86N/mm2，主要適用于制作強度要求不高、在室溫附近使用、不需要二次加工的制品。

超塑性鋁合金的蠕變強度較高，設(shè)計強度達(dá)686N/mm2，克服了鋅合金的不足，最適合于形狀復(fù)雜、質(zhì)輕、使用溫度可達(dá)150℃的制品。如超塑性鋁合金Al-6Cu-0.5Zr可在400～500℃氣壓成型，成型時屈服強度為125N/mm2，抗拉強度為230N/mm2，伸長率可達(dá)2000%。這種合金已成功地用于飛機(jī)艙壁等復(fù)雜形狀零件的制造。鎳基耐熱合金是高溫強度大的合金，但難以鍛造。利用超塑性作精密鍛造，則很好地解決了其難以成型的問題。該合金已成功地用于汽輪機(jī)的制造。

以Ti-6Al-4V合金為代表的超塑性鈦合金有時可呈現(xiàn)2000%的最大伸長率，但在實際的超塑性加工中，該合金以50%～150%的伸長率成型。在超塑性鈦合金中，由于超塑性加工和擴(kuò)散焊接的組合，合金部件更易于整體化，因此其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，尤其使大型復(fù)合構(gòu)造物的制造成為可能，開拓了航空用部件的道路。采用組合加工方法制造的鈦合金飛機(jī)部件，和過去的加工方法相比，成品價格可節(jié)約40%～60%，材料重量可減輕30%～50%。

超塑性鋼的研究亦取得了一定的進(jìn)展，尤其是含碳1.25%的碳鋼特別引人注目。這類鋼預(yù)計在汽車驅(qū)動機(jī)構(gòu)部件中將得到一定的應(yīng)用。2.4.3陶瓷材料超塑性

20世紀(jì)80年代，人們對陶瓷材料的超塑性的研究產(chǎn)生了極大的興趣，發(fā)現(xiàn)幾種材料在單軸向或者雙軸向拉伸下有超塑性現(xiàn)象發(fā)生，這些陶瓷材料有?Y-TZP、氧化鋁、羥基磷灰石、復(fù)相陶瓷ZrO2/Al2O3、ZrO2/莫來石、Si3N4和Si3N4/SiC等。陶瓷的加工成型和陶瓷的增韌問題一直是人們關(guān)注且亟待解決的關(guān)鍵問題。陶瓷超塑性的發(fā)現(xiàn)，為解決這個問題打開了新的途徑。有人把陶瓷超塑性的發(fā)現(xiàn)稱為陶瓷科學(xué)的第二次飛躍。陶瓷材料的超塑性主要是由材料界面所決定的，陶瓷材料中包含界面的數(shù)量和界面本身的性質(zhì)對超塑性起著重要作用。通常，陶瓷材料的超塑性對界面數(shù)量的要求有一個臨界范圍，界面數(shù)量太少，則沒有超塑性。界面能及界面的滑移也是影響陶瓷超塑性的重要因素。在拉伸過程中，超塑性的產(chǎn)生條件是界面不發(fā)生遷移，不發(fā)生顆粒長大，僅僅是界面內(nèi)部原子的運動，從而在宏觀上產(chǎn)生界面的流變。界面缺陷(孔洞、微裂紋)會造成界面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，不利于陶瓷超塑性的產(chǎn)生。關(guān)于陶瓷材料超塑性的機(jī)制至今仍不十分清楚，目前有兩種說法：一是界面擴(kuò)散蠕變和擴(kuò)散范性；二是晶界遷移和粘滯流變。這些理論都還很粗糙，僅僅停留在經(jīng)驗的、唯象的描述上，進(jìn)一步確定陶瓷超塑性的機(jī)理是陶瓷物理學(xué)的一個重要研究課題。2.5.1線型無定型高聚物的力學(xué)狀態(tài)

材料的力學(xué)狀態(tài)由其呈現(xiàn)的力學(xué)特性來確定，如彈性很高的狀態(tài)稱為高彈態(tài)等。在一定溫度下，不同的高聚物會呈現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)；而同一高聚物在不同溫度，或在一定溫度下隨外力作用時間的延長，也會呈現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)。高聚物力學(xué)狀態(tài)變化的幅度之大，是其他材料所達(dá)不到的。這是由于大分子鏈的結(jié)構(gòu)特點，使其可以不同的運動方式響應(yīng)外力作用所致。2.5高聚物的力學(xué)狀態(tài)

1.大分子鏈的運動方式

線型無定型高聚物中，大分子鏈的運動方式具有多重性，主要有如下幾種：

(1)整鏈的運動：大分子鏈作為一個整體作質(zhì)量中心的移動，即發(fā)生原子鏈間的相對移動(滑脫)。反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)延性，會出現(xiàn)由粘性流動引起的永久變形。

(2)鏈段的運動：鏈段是由幾個至幾十個鏈節(jié)組成的一小段分子鏈，由于主鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使大分子鏈具有柔順性，在整鏈質(zhì)量中心不移動的情況下，一部分鏈段相對于另一部分鏈段而運動，出現(xiàn)可逆伸縮。反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)獨有的高彈性。

(3)鏈節(jié)的運動：鏈節(jié)、原子團(tuán)、原子在平衡位置作小范圍運動。反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)普彈性(應(yīng)力與應(yīng)變成