塑性加工金属学(physical metallurgy of plastic working)

研究金属晶体结构微观摄动的机制，探讨改善、控制并维持最佳热力学及力学条件的方法，以求最有成效地进行塑性成形的基础理论学科，是金属塑性加工基础理论之一。本学科是以近代金属物理、固体力学、物理冶金原理、金属热处理原理及x射线学等学科为基础，并总结了塑性成形工业几十年来的研究成果与实践经验而发展形成的。它是研究金属材料在给定的条件下，承受外力时产生塑性变形的机制和条件、塑性变形瞬间组织变迁的微细原因与规律的一门科学。应用这些知识，来有效地创造变形及应力分布最为均匀的内、外部条件，并结合最佳的热处理手段，以获取内外质量均合乎要求的产品。

金属的塑性成形是一门古老而又较为年青的应用技艺。中国古代制剑技术就早已将冶、锻及热处理融于一体，即在赋形的同时改善材料的内部组织，以获得高性能的制品。至于金属塑性变形机理的研究，只是在1934年泰勒(G．I．Taylor)、奥罗万(E．Z．Orowan)和波拉尼(M．Z．Polhnyi)3人各自独立提出位错概念以后，经过50～60年代各国学者的深入研究并确立了位错理论之后，才有了突破性的进展。

金属塑性加工原理，作为一门新兴学科，在很大程度上应归功于白俄罗斯科学院院士古布金。他根据自己长期的理论研究和实践工作的经验，也吸收了诸如列维(Levy)、特列斯卡(Tresca)、米泽斯(R．von Mises)、斯科特(Scott)、巴甫洛夫等学者的研究成果，首次编写了名为《金属压力加工原理》的专著，标志本学科的诞生。其后在1959年，斯托罗热夫遵循古布金遗愿，将古布金1955年8月即已完成的原稿整理，以《金属塑性变形》为书名而发表。该书根据50年代初期及中叶位错理论的形成、发展与应用，大塑性变形是在物质组织与性能不断变化中发生，当平衡系统成分顺序改变时物质性能也改变的物理一化学行为等观点，将金属塑性变形行为分为力学、物理学及物理化学3个层次不同而终归于一的理论体系，已预言金属塑性加工原理将向多学科的综合方向更深入地发展。

在发展金属塑性加工理论上作出突出贡献的，还应指出俄罗斯学者巴甫洛夫院士，他于1934年编写的《轧制理论与金属塑性变形原理》和1950年编写的《轧制原理》等两本专著，已接近关于物质流动的学科了。苏联学者斯托罗热夫、翁克索夫以及其他学者，如约菲、萨克斯、霍尼库姆(R．W．K．Homeycombe)、汤姆森(E．R．Thomsen)、迪特尔(George，E．Dieter)以及1951年哈维(R．F．Harrey)首先提出而为利普斯(M．H．Lips)及范崔伦(H．van Zuilen)开始系统研究的形变热处理新工艺，50～60年代先后在钢、铝合金的塑性加工生产中的应用，更加强了塑性加工金属学成为一门新学科的基础及紧迫性。但直到1970年，日本《塑性加工》杂志才从该年第一期起，正式以讲座形式提出《塑性加工金属学》这个学科的命名，1970和1971年连续分18次全面介绍了本学科的内涵。自70年代以来，中国学者也根据自己的长期以来对金属塑性变形理论的研究与大量的生产实践，编写了一些有关这方面的著作并在高等院校开设了专业课程，取名为塑性变形物理基础或塑性变形物理冶金理论。

本学科介绍塑性变形时金属内部组织变化的原因与结果的知识，目的是让人们能动地掌握组织材料生产全过程的能力，以求获取最佳的效益。它包含以下6方面的主要内容。

(1)金属塑性变形机理。金属的塑性加工是使受外界作用的金属和合金产生稳定连续的永久变形而赋于材料所期望的外形与组织，达到发挥材料最佳利用价值的目的。为了弄清组织与性能变化的规律，熟悉产生塑性变形的机理及其在塑性变形过程中所起作用与导致的后果，是至关重要的。在继承材料科学中有关晶体结构知识的基础上，有关滑移和位错理论的知识，为深入理解塑性变形的其他问题作奠基工作。

(2)金属的屈服与变形抗力。金属要在一定大小的外力作用下才能由弹性变形转变到塑性变形，这时的状态称为屈服。金属产生屈服时的应力值，表征金属已能开始流变的能力，因此要研究金属多晶体的屈服行为。多晶体是由许多取向各异的单个晶体组成的，因此首先要研究单晶体的一些屈服表现(见单晶屈服)，弄清其本源，才能正确掌握金属多晶体的塑性变形情况(见多晶屈服)。屈服只表示金属已开始塑性变形，而塑性加工的目的是期望金属能发生预定大小的变形而达到改变原来坯料的形状尺寸、改善力学性能而得到合格制品。施加的外力随着变形的发展而增加，要选就金属的屈服并能维持稳定地连续变形，则必须研究金属在各种情况下反抗这些意图的能力—金属的变形抗力。由于金属塑性加工时的条件干变万化，没有一个比较统一的指标则难以形成规律性的预测。现已明确，在静力拉伸机上用10倍或5倍圆柱试件所得拉力-伸长图，可换算成应力-应变曲线及真应力-真应变曲线。这些曲线可以提供实用所需的一些信息，它们是工程技术人员工作中必需的参考资料之一。

(3)金属塑性变形的热力学条件。金属必须在一定的力学条件与热力学条件下受外力作用才能发生所希望的变形。热力学条件包括变形温度——变形时金属所具有的温度，变形程度——变形时变形物体所承受的变形量的大小，变形速率——完成所产生变形的快慢程度。它们直接或间接制约着生产工作的成败。因此，掌握选择及确定变形温度范围，热变形、冷变形及温变形等类变形过程中所产生的变化，以及变形量的大小和变形速度高低对改变金属内部组织的实质，是编制金属塑睦加工工艺规程中所最基本的知识与技能。

(4)金属塑性变形与组织性能变化。金属塑性加工的目的是创造最佳条件以促使工件在承受变形的过程中，发生预期的形状改变和组织改变并获得所要求的良好性能。因此，研究塑性变形过程中组织性能变化的规律性，创造反复、继续变形的措施，是制定生产工艺规程必须掌握的知识。近几十年来，随着科学技术的飞速发展，特殊规格、特殊组织性能要求的材料越来越多，且日新月异，而常规加工方法生产的材料，又常因组织或性能不够理想而难以符合要求；究其原因是形成了变形织构或再结晶织构等等所致。为有效地控制织构的形成与存在方式，减弱其不良影响，对退火再结晶过程、织构及其他一些特殊组织的形成机制、调控技艺等进行探索与创造，就能在知其所以然的基础上，有成效地制备各种含有特殊性能要求的材料与制品。

(5)金属的塑性与断裂。金属能稳定地发生塑性变形而不产生断裂的能力，是金属具有塑性的表征。塑性并非物质的一种固有性质，而是一定条件下所呈现的状态。研究不同热力学及力学条件下金属的塑性行为及该状态下金属内部组织的反响，对于安排生产工艺规程至关重要。因此，研究关于塑性图和金属的超塑性现象，以及宣告变形过程终结时产生断裂的内外原因与实质，就有助于明了对所制材料要提出特殊的、严格的、甚至极为苛刻条件的原因。

(6)均匀与不均匀变形及残余应力。任何塑性加工过程均处于一种不均匀的状态中，因之变形的发生、发展以及所诱至的应力、应变及性能等均处于不均匀的情况中。因而必须研究不均匀变形发生与扩展的原因及其造成的不良后果的原因与防止措施，以求在实际生产过程中，尽最大可能创造均匀变形的条件。

塑性加工金属学是综合许多学科的知识并经过从事塑性加工的同仁们百余年来的探索、实践而逐渐形成的一门学科，它涉及的内容宽广精深；从某些内容来看虽然似是重复其他学科的内容，但因其紧扣着金属塑性加工过程的特殊性，其内涵则已迥异。