金属塑性变形理论_第13讲_塑性概念及指标.ppt

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1、金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第十三讲第十三讲Lesson Thirteen张贵杰张贵杰Zhang GuijieTel：0315-2592155E-Mail：河北理工大学金属材料与加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University,Tangshan 063009Lesson ThirteenLesson Thirteen第七章 金属的塑性主要内容Main Content塑性的概念及塑性指标塑性的概念及塑性指标 影响塑性

2、的主要因素影响塑性的主要因素超塑性现象超塑性现象1/7/20232Lesson ThirteenLesson Thirteen7.1 塑性的概念及塑性指标塑性的概念塑性的概念塑性指标塑性指标1/7/20233Lesson ThirteenLesson Thirteen7.1.1 塑性的概念什么是塑性？什么是塑性？所所谓谓塑塑性性，是是指指固固体体金金属属在在外外力力作作用用下下能能稳稳定定地地产产生生永永久久变变形形而而不不破破坏坏其其完完整整性性的的能力。能力。1/7/20234Lesson ThirteenLesson Thirteen塑性与柔软性的区别是什么？塑性与柔软性的区别是什么？塑

3、性反映材料产生永久变形的能力。塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。1/7/20235Lesson ThirteenLesson Thirteen不锈钢不锈钢-塑性好，变形抗力高塑性好，变形抗力高铅铅-塑性好，变形抗力低塑性好，变形抗力低结论：塑性与柔软性不是同一概念结论：塑性与柔软性不是同一概念白口铸铁白口铸铁-塑性差，变形抗力高塑性差，变形抗力高1/7/20236Lesson ThirteenLesson Thirteen塑性与粘性的区别塑性与粘性的区别塑塑性性是是指指金金属属在在产产生生永永久久变变形形时时，伴伴随随有有组组织织的的变

4、变化化，但但没没有有尺尺寸寸数数量量级级超超过过光光的的波波长长的的完完整整性性的的破破坏坏，而而粘粘性性是是指指物物体体虽虽然然也也具具有有永永久久性性变变形形，但但无无组组织织的的变变化化和和完完整整性性的的破坏。破坏。1/7/20237Lesson ThirteenLesson Thirteen研究塑性的意义研究塑性的意义金金属属和和合合金金在在压压力力加加工工过过程程中中可可能能出出现现断断裂裂。而而一一但但出出现现断断裂裂，加加工工过过程程就就很很难难进进行行下下去去。为为了了顺顺利利地地加加工工，就就要要求求金金属属或或合合金金具具有有在在外外力力作作用用下下，能能发发生生永永久久

5、变变形形而而不不破破坏坏其其完完整性的能力。这就是所谓塑性。整性的能力。这就是所谓塑性。1/7/20238Lesson ThirteenLesson Thirteen塑塑性性好好坏坏用用金金属属在在断断裂裂前前产产生生的的最最大大变变形形程程度度来来表表示示。它它同同断断裂裂强强度度、冲冲击击韧韧性性一一样样，也也是是金金属属抵抵抗抗断断裂裂性性能能的的一一种种量量度度。因因为为塑塑性性反反映映出出了了金金属属断断裂裂前前的的最最大大变变形形量量，所所以以它它表表示示出出了了压压力力加加工工时时金金属属允许加工量的限度，是金属重要的允许加工量的限度，是金属重要的加工性能加工性能。同同时时，在在

6、使使用用条条件件下下，如如果果金金属属具具有有良良好好的的塑塑性性，在在发发生生断断裂裂前前能能产产生生适适当当的的塑塑性性变变形形，就就能能避避免免突突然的脆性断裂，所以它同样是重要的然的脆性断裂，所以它同样是重要的使用性能使用性能。1/7/20239Lesson ThirteenLesson Thirteen塑塑性性和和其其它它的的断断裂裂性性能能指指标标一一样样，也也和和金金属属材材料料的的化化学学成成份份、组组织织结结构构、变变形形温温度度、应应变变速速率率、应应力力状状态态等等因因素素有有非非常常密密切切的的关关系系。塑性随着这些因素的变化而变化。塑性随着这些因素的变化而变化。研研究

7、究塑塑性性是是为为了了改改善善塑塑性性和和选选择择合合适适的的变变形形方方法法，为为了了确确定定最最合合适适的的变变形形温温度度、应应变变速速率、应力状态及许用的最大变形量。率、应力状态及许用的最大变形量。1/7/202310Lesson ThirteenLesson Thirteen研究塑性就要：研究塑性就要：探索塑性变化规律探索塑性变化规律寻求改善塑性途径寻求改善塑性途径选择合理加工方法选择合理加工方法确定最佳工艺制度确定最佳工艺制度提高产品质量提高产品质量1/7/202311Lesson ThirteenLesson Thirteen7.1.2 塑性指标塑塑性性的的大大小小可可以以由由金

8、金属属在在不不同同变变形形条条件件下下允允许许的的极极限限变变形形量量来表示。此极限变形量称为塑性指标。来表示。此极限变形量称为塑性指标。由由于于影影响响因因素素复复杂杂，很很难难找找出出一一种种通通用用的的指指标标来来描描述述塑塑性性。目目前前只只能能采采用用力力学学及及工工艺艺性性能能的的方方法法来来确确定定各各种种具具体体条条件件下下的塑性指标。常用的塑性指标有：的塑性指标。常用的塑性指标有：延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 扭转数或扭转角扭转数或扭转角 极限压缩率极限压缩率 冲击韧性冲击韧性1/7/202312Lesson ThirteenLesson Thirteen塑性指标的测量

9、方法塑性指标的测量方法拉伸试验法拉伸试验法压缩试验法压缩试验法扭转试验法扭转试验法轧制模拟试验法轧制模拟试验法1/7/202313Lesson ThirteenLesson Thirteen延伸率式中式中L L试样上原始计算长度；试样上原始计算长度；L L断断裂裂前前后后计计算算长长度度的的绝绝对对伸伸长长量量，即即变变形形后后计计算算长长度度与与变变形形前前计计算长度之差。算长度之差。延延伸伸率率包包括括了了试试样样的的均均匀匀变变形形和和集集中中的的局局部部变变形形两两部部分分的的变变形形总总和和。所所以以，延延伸伸率率的的大大小小与与试试样样的的原原始始计计算算长长度度有有关关，试试样样

10、越越长长，集集中中变变形形数数值值的的比值越小，延伸率就越小。比值越小，延伸率就越小。对圆柱体试样，规定对圆柱体试样，规定L L1010d d 或或 L L5 5d d 1/7/202314Lesson ThirteenLesson Thirteen 断面收缩率式中式中F F0 0试样的原始断面积；试样的原始断面积；F F1 1试样断口处的断面积。试样断口处的断面积。断断面面收收缩缩率率的的大大小小与与试试样样的的原原始始计计算算长长度度无无关关。因因此此，用用断断面面收收缩缩率率作作为为衡衡量量材材料料塑塑性性大大小小指指标标，得得出出的的数数值值比比较较稳稳定定，有其优越性。有其优越性。1

11、/7/202315Lesson ThirteenLesson Thirteen扭转数或扭转角扭扭转转数数(n)，表表示示金金属属在在扭扭转转变变形形条条件件下下，破破坏坏前前的的最最大大扭扭转转数数。对对于于一一定定尺尺寸寸的的试试件件来来说说，扭扭转转数数(n)越越大大，其其塑塑性性越越好好。扭扭转转数数可可在在冷冷、热热扭扭转转实实验验机机上测定、可在不同的温度和速度条件下进行实验。上测定、可在不同的温度和速度条件下进行实验。试试验验时时圆圆柱柱体体试试样样的的一一端端固固定定，另另一一端端扭扭转转。试试验验中中试试样样受受到到外外加加扭扭力力的的作作用用，随随着着试试样样扭扭转转数数的的

12、不不断断增增加加，最最后后将将发发生生断断裂裂。材材料料的的塑塑性性指指标标用用破破断断前的扭转数前的扭转数(n)或扭转角来表示。或扭转角来表示。扭扭转转数数(n)最最能能反反映映载载荷荷是是以以剪剪切切应应力力为为主主的的塑塑性性变形能力。变形能力。1/7/202316Lesson ThirteenLesson Thirteen极限压缩率式中式中H 试样原始高度；试样原始高度；h经压缩后试样出现第一条裂纹时的高度。经压缩后试样出现第一条裂纹时的高度。1/7/202317Lesson ThirteenLesson Thirteen工艺塑性指标在在模模拟拟具具体体的的塑塑性性加加工工过过程程，来

13、来确确定定材材料料的的塑塑性性指指标标时时，必必须须使使其其基基本本应应力力状状态态图图示示与与所所模模拟拟的的塑塑性性加加工工过过程程或或所所模模拟拟的的工工序序相相似似。用用这这种种方方法法所所测测定定的的塑塑性性指指标标，通通常常称称为为工工艺艺塑塑性性指指标标（或或简简称称为为工工艺塑性）。艺塑性）。在在一一般般情情况况下下，这这些些塑塑性性指指标标的的名名称称是是与与被被确确定定塑塑性性的的该该压压力力加加工工过过程程的的名名称称相相对对应应，例例如如轧轧制制性性，锻造性、模锻性和冲压性等。锻造性、模锻性和冲压性等。1/7/202318Lesson ThirteenLesson Th

14、irteen所所有有的的塑塑性性加加工工过过程程都都同同时时存存在在几几个个塑塑性性指指标标的的测测定方法。定方法。确确定定材材料料锻锻造造性性的的方方法法：镦镦粗粗光光滑滑圆圆柱柱体体试试样样或或沿沿轮轮廓廓线线带带切切口口的的圆圆柱柱体体试试样样，在在二二斜斜砧砧中中锻锻造造钢钢锭锭的方法等的方法等确确定定纵纵轧轧时时材材料料的的轧轧制制性性的的方方法法：在在平平轧轧辊辊上上轧轧制制楔楔形形试试样样的的方方法法和和在在偏偏心心轧轧辊辊上上轧轧制制矩矩形形断断面面试试样样的方法；的方法；确确定定板板料料冲冲压压性性的的方方法法：杯杯突突试试验验法法，锥锥形形杯杯深深延延法以及圆形板坯冲压成柱

15、形杯的方法等。法以及圆形板坯冲压成柱形杯的方法等。1/7/202319Lesson ThirteenLesson Thirteen轧制模拟试验法轧制模拟试验法 如如图图所所示示，楔楔形形试试样样经经具具有有一一定定辊辊缝缝值值的的二二平平辊辊轧轧制制后后，由由于于轧轧件件原原始始高高度度的的不不同同沿沿轧轧件件长长度度方方向向上上产产生生不不同同的的压压下下率率。此时，最先发生裂纹处的压下率便为试验材料的塑性指标。此时，最先发生裂纹处的压下率便为试验材料的塑性指标。1/7/202320Lesson ThirteenLesson Thirteen如如图图所所示示，因因轧轧辊辊偏偏心心，所所以以在

16、在轧轧制制过过程程中中二二轧轧辊辊间间的的辊辊缝缝值值在在不不断断地地变变化化。因因此此，轧轧前前沿沿试试样样长长度度方方向向高高度度均均一一的的试试样样，经经轧轧制制后后便便成成为为楔楔形形，沿沿其其长长度度方方向向产产生生不不同同的的压压下下率率。这这样样，可可根根据据轧轧后后试试样样上上裂裂纹纹的的分分布布找找到到最最初初出出现现的的裂裂纹纹，测出该处试样的高度，并根据下式确定材料的塑性指标。测出该处试样的高度，并根据下式确定材料的塑性指标。1/7/202321Lesson ThirteenLesson Thirteen平均塑性平均塑性在在一一定定的的正正和和负负的的静静水水压压力力下下

17、的的简简单单试试验验中中测测出出各各单单一一塑塑性性指指标标，并并保保证证其其成成对对性性。然然后后以以这这些些单单一一塑性的算术平均值作为材料的近似平均塑性指标。塑性的算术平均值作为材料的近似平均塑性指标。1/7/202322Lesson ThirteenLesson Thirteen塑性图塑性图在在实实际际中中为为了了确确定定合合理理的的热热加加工工温温度度范范围围和和应应采采取取的的变变形形程程度度，通通常常把把所所测测得得的的塑塑性性指指标标用用温温度度函函数数形形式式表表示示，也也就就是是绘绘制制出出塑塑性性指指标标与与变变形形温温度度的的关关系曲线图，并称之为塑性图。系曲线图，并称

18、之为塑性图。1/7/202323Lesson ThirteenLesson Thirteen塑性图的应用：塑性图的应用：合理选择加工方法合理选择加工方法制定冷热变形工艺制定冷热变形工艺GH130高温合金塑性图高温合金塑性图 1/7/202324Lesson ThirteenLesson Thirteen变形镁合金变形镁合金MB5的塑性图的塑性图ak 冲击韧性；冲击韧性；e eM 慢力作用下的最大压缩率，慢力作用下的最大压缩率，e eC 冲击力作用下的最大压缩率；冲击力作用下的最大压缩率；断面收缩率，断面收缩率，a弯曲角度弯曲角度 试验温度，试验温度，1/7/202325Lesson Thirt

19、eenLesson Thirteen从塑性图上获取的信息从塑性图上获取的信息慢慢速速加加工工，温温度度为为350400时时,值值和和M都都有有最最大大值值，不不论论轧轧制制或或挤挤压压，都都可可在在此此温温度度范范围围内内以以较较慢慢的速度加工。的速度加工。锻锻锤锤下下加加工工，在在350左左右右有有突突变变，变变形形温温度度应应选选择在择在400450。工工件件形形状状比比较较复复杂杂，变变形形时时易易发发生生应应力力集集中中，应应根根据据K曲曲线线来来判判定定。从从图图中中可可知知，在在相相变变点点270附附近近突突然然降降低低，因因此此，锻锻造造或或冲冲压压时时的的工工作作温温度度应应在

20、在250以下进行为佳。以下进行为佳。1/7/202326Lesson ThirteenLesson Thirteen7.2 影响塑性的主要因素金属的化学成分及组织金属的化学成分及组织变形的温度变形的温度速度条件速度条件变形的力学条件变形的力学条件其它因素其它因素1/7/202327Lesson ThirteenLesson Thirteen7.2.1 金属的化学成分及组织化学成分的影响化学成分的影响合金元素的影响合金元素的影响金属组织的影响金属组织的影响 1/7/202328Lesson ThirteenLesson Thirteen化学成分的影响化学成分的影响一一般般认认为为，纯纯金金属属具

21、具有有较较高高的的塑塑性性，当当加加入入其其它它合合金元素后成单相固溶体时也有较好的塑性。金元素后成单相固溶体时也有较好的塑性。若所含的元素形成化合物时使塑性降低。若所含的元素形成化合物时使塑性降低。面面心心立立方方晶晶体体，如如Al，Ni，Pb，Au，Ag等等具具有有较较高高的的塑塑性性。体体心心立立方方晶晶体体，如如Fe，Cr，W，Mo，P黄黄铜铜等等的的塑塑性性居居次次。塑塑性性较较低低的的是是六六方方晶晶格格金金属属，如如Zr，Hf，Ti等。等。1/7/202329Lesson ThirteenLesson Thirteen在在合合金金成成分分中中不不溶溶于于固固溶溶体体或或部部分分溶

22、溶于于固固溶溶体体中中元元素素将将形形成成某某种种成成分分的的过过剩剩相相存存在在于于晶晶内内或或晶晶界界。属属于于这这类类的的元元素素有有碳碳化化物物形形成成元元素素，形形成成金金属属间间化化合合物物元元素素，以以及及硫硫、铝铝、硅硅、铅铅、锡锡等等等等。在在固固溶溶体体中过剩相，对其塑性有非常大的影响。中过剩相，对其塑性有非常大的影响。磷磷冷脆性；冷脆性；硫硫热脆性；热脆性；碳、氮碳、氮时效脆性；时效脆性；氢氢氢脆现象，白点氢脆现象，白点1/7/202330Lesson ThirteenLesson Thirteen合金元素的影响合金元素的影响铁铁化化学学纯纯铁铁具具有有非非常常大大的的塑

23、塑性性，但但工工业业纯纯铁铁，例例如如阿阿姆姆克克铁铁，其其塑塑性性却却不不完完全全如如此此。铸铸态态的阿姆克铁在的阿姆克铁在1000左右，塑性急剧下降。左右，塑性急剧下降。1/7/202331Lesson ThirteenLesson Thirteen碳碳在在碳碳钢钢中中碳碳的的含含量量越越高高，钢钢的的塑塑性性越越差差，热热加加工工温温度度范范围围越越窄窄。实实验验证证明明，含含碳碳量量小小于于1.4的的铸铸钢钢，可可以以很很好好地地经经受受锻锻造造和和轧轧制制。当当含含碳碳量量高高于于1.4时时，由由于于析析出出自自由由渗渗碳碳体体和和莱莱氏氏体体，使使塑塑性性下下降降。从从铁铁碳碳平平

24、衡衡图图中中可可以以看看出出，具具有有1.41.7的的碳碳钢钢在在很很窄窄的的温温度度范范围围内内形形成成固固溶溶体体。而而当当含含碳碳量量高高于于1.7时时，其其塑塑性性将将由由钢钢中中的的渗渗碳碳体体和和莱莱氏氏体体的的影影响响程程度度而而定定。对对于于含含碳碳量量很很高高的的铸铸铁铁，只只有有在在特特殊殊条条件件下下才能进行塑性加工。才能进行塑性加工。1/7/202332Lesson ThirteenLesson Thirteen锰锰奥奥氏氏体体锰锰钢钢，由由于于低低的的导导热热性性和和大大的的膨膨胀胀系系数数，使使之之具具有有高高的的加加热热速速度度敏敏感感性性。对对于于大大断断面面的

25、的高高锰锰钢钢来来讲讲，若若加加热热速速度度过过快快，可可能能使使之之产产生生内内裂裂。锰锰钢钢的过热敏感性强，对其加热制度应进行严格控制。的过热敏感性强，对其加热制度应进行严格控制。当当在在钢钢中中含含有有较较多多的的硫硫和和氧氧时时，锰锰还还会会起起到到消消除除或或减轻硫和氧的有害作用，使钢的塑性提高。减轻硫和氧的有害作用，使钢的塑性提高。1/7/202333Lesson ThirteenLesson Thirteen硫硫硫硫在在固固溶溶体体内内的的溶溶解解度度甚甚微微。硫硫在在钢钢中中以以FeS、MnS等等硫硫化化物物夹夹杂杂的的形形式式存存在在。如如钢钢中中含含有有合合金金元元素时，还

26、会形成镍、钼和其它合金元素的硫化物。素时，还会形成镍、钼和其它合金元素的硫化物。一一般般硫硫化化物物具具有有较较高高的的熔熔点点温温度度，但但某某些些硫硫化化物物的的共共晶晶体体和和化化合合物物的的熔熔点点温温度度较较低低。显显然然，如如果果在在钢钢中中的的含含硫硫量量越越多多，并并存存在在有有低低熔熔点点的的硫硫的的共共晶晶体体和和化化合合物物时时，则则钢钢的的塑塑性性将将与与变变形形温温度度有有关关。若若加加热热温温度度高高于于硫硫的的共共晶晶体体和和化化合合物物的的熔熔点点时时，则则这这种种钢钢在变形时会发生断裂，即产生在变形时会发生断裂，即产生红脆现象红脆现象。1/7/202334Le

27、sson ThirteenLesson Thirteen1/7/202335Lesson ThirteenLesson Thirteen硅硅纯纯硅硅不不能能进进行行塑塑性性变变形形。当当在在钢钢和和合合金金中中的的硅硅以以固固溶溶体体形形式式存存在在时时，它它对对该该金金属属的的塑塑性性影影响响不不大大。例例如如，在在变变压压器器钢钢中中，当当含含硅硅量量达达3时时仍仍然然有有高高的的可可轧轧性性能能。含含硅硅量量过过高高时时钢钢的的塑塑性性下下降降。当当钢钢中中的的硅硅以以硅硅化化物物(如如SiO2)存存在在时时，因因在在变变形形温温度度条条件件下下不溶解，使钢的塑性下降。不溶解，使钢的塑性

28、下降。1/7/202336Lesson ThirteenLesson Thirteen镍镍纯纯镍镍具具有有高高塑塑性性，镍镍可可提提高高纯纯铁铁体体的的强强度度和和塑塑性性，能能减减缓缓钢钢在在加加热热时时晶晶粒粒的的长长大大。当当在在碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢中中，含含镍镍量量在在5%以以下下时时，可可改改善善钢钢在在热热变变形形时时的的塑塑性性。镍镍可可与与硫硫形形成成硫硫化化物物以以薄薄膜膜形形式式存存在在于于晶晶粒粒的的边边界界上上。因因此此在在含含镍镍的的钢钢中中提提高高硫硫的的含含量量会会引引起起钢的红脆现象。钢的红脆现象。1/7/202337Lesson ThirteenLes

29、son Thirteen铬铬工工业业用用的的纯纯铬铬为为脆脆性性材材料料，在在铬铬中中含含有有氧氧化化物物和和氮氮化化物物的的有有害害夹夹杂杂，这这些些夹夹杂杂分分布布在在晶晶界界上上降降低低晶晶粒粒间间的的结结合合强度。强度。铬铬为为铁铁素素体体形形成成元元素素，在在一一系系列列的的奥奥氏氏体体合合金金中中，含含有有一一定定量量的的铬铬时时会会产产生生铁铁素素体体的的过过剩剩相相使使钢钢的的塑塑性性下下降降。铁铁素素体体的的高高铬铬合合金金于于再再结结晶晶时时具具有有很很大大的的晶晶粒粒长长大大倾倾向向性性。因因此此，为为得得到到所所需需的的组组织织必必须须严严格格控控制制加加工工温温度度范

30、范围围。在在钢钢中中加加入入铬铬时时可可使使其其导导热热性性下下降降，因因此此为为避避免免在在加加热热时时出出现现裂裂纹纹应应在在较较低低的的温温度度下下进进行行缓缓慢慢而而均均匀匀的的加加热热。特特别别对对导导热热能能力力低低、膨膨胀胀系系数数大大的的高高铬铬钢钢(如如Cr25、Cr28)加热时更应注意。加热时更应注意。1/7/202338Lesson ThirteenLesson Thirteen钨、钼、钒钨、钼、钒这这些些元元素素都都是是碳碳化化物物形形成成元元素素，它它们们所所形形成成的的碳碳化化物物极极为为稳稳定定，为为使使其其溶溶于于基基体体中中需需要要更更高高的的加加热热温温度度

31、和和足足够够的的加加热热时时间间，这这些些碳碳化化物物能能阻阻止止奥奥氏氏体体在在加加热热时时的的晶晶粒粒长长大大，减减小小钢钢的的过过热热敏敏感感性性。使使钢钢的的强度升高，但塑性下降。强度升高，但塑性下降。1/7/202339Lesson ThirteenLesson Thirteen铝、铜、硼铝、铜、硼磷磷铅、锡、砷、锑、铋铅、锡、砷、锑、铋氢、氮氢、氮稀土元素稀土元素1/7/202340Lesson ThirteenLesson Thirteen金属组织的影响金属组织的影响金属宏观组织的影响金属宏观组织的影响 关关于于宏宏观观组组织织对对金金属属塑塑性性的的影影响响，对对铸铸态态组组织

32、织来来讲讲由由于于含含有有粗粗大大结结晶晶组组织织和和组组织织排排列列的的不不均均，通通常常具具有有比比变变形形组组织织更更低低的的塑塑性性。对对经经变变形形后后的的金金属属来来讲讲，通常细晶组织具有更高的塑性。通常细晶组织具有更高的塑性。1/7/202341Lesson ThirteenLesson Thirteen金属微观组织的影响金属微观组织的影响 若若钢钢与与合合金金在在热热加加工工条条件件下下具具有有单单一一的的奥奥氏氏体体(对对铁铁素素体体钢钢为为单单一一的的铁铁素素体体)组组织织，而而不不存存在在其其它它过过剩剩相相时时，则则具具有有较较高高的的塑塑性性，如如有有过过剩剩相相存存在在，或或多多或或少少地地会会使使钢钢与与合合金金的的塑塑性性下下降降。这这种种过过剩剩相相在在轧轧前前的的加加热热过过程程中中将将会会发发生生变变化化，有有些些过过剩剩相相在在加加热热时时溶溶解解于于固固溶溶体体中中，对对塑塑性性不不产产生生影影响响，而而有有些些过过剩剩相在加热过程中仍然保存下来，影响金属的塑性。相在加热过程中仍然保存下来，影响金属的塑性。1/7/202342