打铁的骄傲、学问与奇想

 

若有人问材料科学与工程领域影响最为深远的技术究竟是什么？相信不同背景、不同领域的材料学者们一定会有莫衷一是的答案。有人会说是冶炼，有人会说是合金化，有人会说是热处理，有人会说是烧结，更有人会说是单晶生长技术...... 总之，很难得出统一的答案。而我以为，材料科学与工程领域影响最为深远的技术非塑性加工(也称压力加工)莫属。本人如此断言，自有充分的理由。

首先，“百炼成钢”、“千锤百炼”等相关词语的广为应用正好从一个侧面说明了塑性加工对人类生活的影响之深。人类社会从石器时代发展到青铜器时代、铁器时代、工业化时代、以及现代信息社会的进程中，塑性加工技术所起的作用显然是至关重要的。正是由于塑性加工技术的发展，才使得人们得以制造远比铸造件更为灵活多样、同时更强更硬的金属制品，从而促进了人类生产力的飞跃发展与人类生活方式的深刻变革。从古代的日用品、兵器到现代的飞机、轮船、火车、汽车、桥梁、通讯设施、各类家电、以及形形色色的机器零部件等无不依赖塑性加工技术。离开了最通俗的塑性加工技术-打铁，应很难想象农耕生产工具的发展；离开了高超的塑性加工技术，关公的横刀立马大概只能是“横棍立马”，李元霸的一对铜锤大概要换成石锤, 许许多多的利刃兵器将无从谈起；离开了精巧的塑性加工技术，就不会有日常生活中许多精美的金银铜器；离开了近代塑性加工技术，一定不会有以蒸汽机为标志的工业革命出现；离开了轧制、挤压、锻造、拉拔、旋压、以及深冲等现代塑性加工技术，现代航海、航空、航天、交通运输等都无从说起；而离开了精密塑性加工技术，现代通讯与信息技术以及仪器仪表技术也会是空中楼阁。

用专业术语来说，金属塑性加工的最大优点在于其通过塑性变形改变材料形状与尺寸的同时、可以结合形变强化与热处理而方便地调控与改善材料的微观结构与宏观性能。金属塑性加工的主要专业基础是晶体学、塑性力学与位错理论等，而更深入的研究则牵涉到场论与张量分析、变分原理、微分几何、物理化学等基础理论。位错理论认为，金属材料中广泛存在线缺陷-位错(包括刃型位错、螺型位错与混合位错)，各种形式的位错在应力场作用下、会产生滑移与攀移，从使得金属材料在远低于理论强度的应力水平下即产生不可恢复的永久变形-塑性变形。在塑性变形过程，会发生位错的运动、钉扎与增殖，也会发上晶粒的转动、细化、再结晶以及定向排列(织构)等微观结构变化，同时也可达到消除铸造缺陷、促使夹杂物与杂质再分布等目的。这些微观与细观结构的变化正是通过塑性加工过程调控与改善材料性能的基础。而这些可以说正是打铁-塑性加工的骄傲与学问之所在。

那么，塑性加工这一神奇的技术可否推广到金属以外的材料呢？对于高分子材料，答案是肯定的。虽然与金属的本构关系不一样、变形的具体机制不一样，高分子材料的塑性加工技术却与金属材料几乎如出一辙。可陶瓷材料却几乎不能塑性加工，而只能依靠粉末成形与烧结工艺来制造。根据连续介质力学，晶体材料能否塑性变形主要取决于滑移系统(滑移面与滑移方向个数的乘机)的多寡，若滑移系统大于5，则塑性变形是连续的。否则，塑性变形是不连续的。金属材料的滑移系统均大于5(面心与体心立方金属为12，密排六方金属为6)，故而塑性变形是连续的。而绝大部分陶瓷材料(氧化物、炭化物与氮化物等)的滑移系统均小于5，塑性变形是不连续的，不待屈服发生就将会产生断裂，因而一般不能塑性加工。当然，也有基于晶界转动与滑移机制的细晶超塑性变形的特例，但其条件极其苛刻。

有趣的是，东京大学木原谆二教授领导的小组曾于上世纪末系统开展过“陶瓷材料烧结后冷加工与热处理”的独特研究。木原先生将该成形加工方法谓之为“Controlled Fracture Forming”。其基本学术思想如下：既然塑性变形这一材料的破损形式可被积极应用于金属的塑性加工，材料破损的极限形式-断裂能否用于陶瓷等脆性材料的成形加工呢？欲实现这一近乎天开的奇想，必须解决两大技术难题：材料整体性的维持与连续性的恢复。先生设想的解决方案是：用可塑性变形的金属材料包覆以保证加工过程中陶瓷工件的整体性，而以再烧结解决控制破碎成形后陶瓷材料的连续性。这样，便可对金属材料包覆的陶瓷材料进行轧制、旋锻等常规压力加工，然后通过再烧结恢复陶瓷材料的连续性，整个过程即相当于一个“冷加工与热处理”的过程。诚然，由于包覆材料的混入与扩散污染、以及包覆材料的后处理等问题，Controlled Fracture Forming也许注定难以成为广泛应用的成形加工技术，但其在材料成形加工思想上的重要突破则是毫无疑问的、一系列的实验研究也证实了这并非异想天开，其在银包覆多芯复合氧化物超导线材以及陶瓷基复合材料制造等特定场合的应用也是完全是可以期待的。

回头再看金属材料何以在现代工业与人类生活的各个领域获得如此广泛应用、与其它材料相比可以说一霸独大，归根结底在于塑性加工之功、塑性加工之妙。同样，高分子材料之所以大有后生可畏之势，也在很大程度上得益于其可塑性加工性。但不知陶瓷材料能否有朝一日也能象金属材料那样自由地进行成形加工、并在此过程中实现微观结构与性能的调控与改善？

 

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