行业动态

塑性是一般金属都具有的特征，在锻压加工中，塑性是指被加工材料在外力的作用下产生永久变形而又不破坏其完整的能力，一般又称为工艺塑性。在锻造中，有时用可锻性这一名词来表示金属材料在锻造时的难易程度。当然，衡量锻造加工的难易，除金属塑性和可变形性外，还要考虑变形抗力的大小。
金属塑性是由金属键所决定的。从物理学的观点看，固态金属的外层电子贡献出来为所有原子所共有，原子失去电子后成为正离子，共有了的电子在金属中自由运动，并与正离子之间有相互作用，从而使金属原子结合起来。当金属在原子层间做相对位移时，正离子仍和自由电子保持这种相互作用。金属的很多特性，包括塑性，可以定性地用金属键的概念予以说明。
在实践中，金属塑性一方面取决于材料的金属特性，如晶格类型、化学成分、金相组织。另一方面也取决于变形的工艺因素，如变形温度、变形程度、应变速率、应力应变状态等。

1 钛的晶体结构
像许多其他同素异构体金属一样，钛能结晶形成不同的晶体结构。它有两种晶体结构，低温下，纯钛和大多数钛合金结晶成接近理想状态的密排六方结构（hcp),称为α-Ti.高温下，体心立方结构（bcc)的钛很稳定，称为β-Ti,纯钛的β转变温度为822.5℃.α-Ti和β-Ti的晶胞示意图如图3-1所示，图中重点绘出了最密排的晶面和晶向。

钛合金的两种不同晶体结构以及相应的同素异构转变温度是其获得各种不同性能的基础，因此非常重要。
塑性变形和扩散速率都与晶体结构密切相关。此外，密排六方晶体结构导致α-Ti的力学性能呈现显著的各向异性。其中，弹性的各向异性尤为明显，钛单晶垂直于基面的杨氏模量为145GPa,而平行于基面的杨氏模量仅为100GPa.
三种金属型晶体结构的特征参数见表3-1.金属塑性变形的容易程度按密排六方（hcp)、体心立方（bcc)再到面心立方（fcc)的顺序逐渐增大，这也是α-Ti的塑性变形能力低于β-Ti的原因。滑移系的个数（相当于晶格中位错滑移几率数），对于hcp结构而言一般仅为3,而对bcc结构而言为12.滑移系的个数等于滑移面的个数乘以该面上滑移方向的个数。从能量方面来说，这些原子高度密排的晶面和晶向最有利于塑性变形。

滑移面上原子堆积越密集，位错滑移越容易。因此，hcp点阵原子堆垛密度为91%的滑移面应优于bcc点阵中堆垛密度仅为83%的滑移面。然而，塑性变形所需的能量还直接取决于最小滑移距离。在hcp结构中，最小滑移距离bmin=a,而bcc结构bmin=0.887a,a为各自晶胞的点阵常数。所以，bcc晶格的塑性变形能力优于hcp晶格。α-Ti的点阵常数为a=0.295nm,c=0.468nm，轴比c/a=1.587,理想c/a=1.633。在hcp晶格中溶入间隙原子（如C、N或0)或者溶入原子半径小于Ti的置换原子（如Al),均会稍微提高α-Ti的c/a值。900℃时体心立方（bcc－Ti的点阵常数a=0.332nm.
与理想密排六方结构相比，α-Ti的c/a值的减小增大了棱柱面的间距，这使得棱柱面的堆垛密度较基面有所增大，从而有利于棱柱面上的滑移而不是基面上的滑移。它的棱柱面和基面各有3个滑移系，然而各自只有两个是相互独立的，因而只有4个独立的滑移系。棱锥面上的滑移不能进一步增加滑移系的数目，因为这种滑移是由一个棱锥面滑移和一个基面滑移所组成的，因而不能看成一个独立的滑移系。然而，根据Von Mises准则，金属发生均匀塑性变形时至少需要5个独立滑移系。事实上，多晶的六方α-Ti极难变形，所观察到的有限塑性是由第二滑移系的附加变形以及可能的机械孪晶所产生的，α-Ti中3个激活滑移系如图3-2所示。

2 β/α相转变
钛从β相区温度冷却下来时，体心立方β相中的最密排面｛110}转变为六方α相的基面｛0001}.α相中基面的面间距略大于β相中相应｛110}面的面间距（见表3-1中bmin/a)。所以，β/α相转变会使晶格产生轻微畸变。这会导致α相hcp中的c轴相对于a轴轻微收缩，使c/a值低于理想密排六方晶格的c/a值。
相应地，体心立方β-Ti的滑移面与六方α-Ti的基面转变及其各自的滑移方向符合以下 Burgers 取向关系：
｛0001}.//{110|g
｛1120} .//{111} go
所以上述的位向关系被称为柏格斯关系。β-Ti晶胞的6个滑移面和2个滑移方向为α相提供了最多12个不同取向，这种取向变化也可以通过金相显微组织反映出来。在尺寸达数微米的初始β晶粒内，单个的α相层片束按照上述的12种取向关系形核并长大，单个层片束内的取向相同。大量（但最多为12种）的可能取向导致层片束的取向多次重复，结果形成了一种非常有特色的显微组织。这种显微组织从外观上类似于篮网的编织图案，因而被称为篮网排列组织。
3 扩散
由于hcp的α-Ti中原子堆垛密度大，因此，α-Ti中的扩散比－bcc的－Ti中的扩散缓慢得多，α-Ti的扩散系数比β-Ti的小几个数量级。
α-Ti和β-Ti的扩散系数受显微组织的影响，从而影响两相的力学性能，如抗蠕变性、热加工性能和超塑性。α-Ti的体扩散有限，使得α-Ti和含α相的钛合金的抗蠕变性优于β-Ti.低于β转变温度时，与时间和温度有关的扩散过程非常缓慢。因此，快速冷却形成非常细小的层片状组织，而缓慢冷却得到粗大的层片状组织。α相层片的径向扩展方向平行于β相的｛110}晶面。如果冷速足够大，那么每个层片不仅会在晶界上形核，而且还会在单个层片束的生长前沿形核。
从马氏体相变开始温度以上快速冷却时，bcc的β相通过无扩散相变过程完全转变为hcp的α相，生成亚稳的针状马氏体组织。
马氏体转变不会产生脆性。但是与α-Ti相比，转变后的强度会略有提高。马氏体可以进一步分解成六方形α'马氏体和斜方形α”马氏体。在低于900℃左右淬火过程中可以观察到斜方形α”马氏体，它具有良好的变形性能。六方形α'马氏体与β相的位向关系类似于α相与β相的位向关系。由于马氏体转变是无扩散形核过程，因此马氏体组织也具有非常细小的针形篮网排列组织特征。

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