關于金屬學中超塑性變形教學內容的幾點思考

周健

摘要：本文對金屬學中超塑性變形的基本概念和理論進行了深入思考，補充了過去我們沒有足夠重視的前沿研究成果和新現象、新理論，有助于學生研究型和創新型思維的培養。

關鍵詞：金屬學；超塑性；應變速率

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0191-02

一、引言

金屬學是研究金屬材料的成分、組織結構和性能之間關系的一門科學，它對生產、使用和發展金屬材料起著重要的指導作用[1]。其中金屬及合金的塑性變形是重要的組成部分。某些金屬材料在特定條件下拉伸時能獲得特別大的均勻的塑性延伸，例如其延伸率大于200%，甚至大于1000%，這種性能稱為超塑性。超塑性的發現可以追溯到1920年，德國人羅申漢等發現Zn-4Cu-7Al合金在低速彎曲時，可以彎曲近180°；1934年，英國的C.P.Pearson發現Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時可以得到2000%的延伸率；1945年前蘇聯的A.A.Bochvar等發現Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率并提出“超塑性”這一名詞；1964年，美國的W.A.Backofen對Zn-Al合金進行了系統的研究，并提出了應變速率敏感性指數m值這個新概念，為超塑性研究奠定了基礎。m值反映了材料拉伸時的抗頸縮能力，是評定材料潛在超塑性的重要參數。一般來說，材料的延伸率隨m值的增大而增大。為了獲得較高的超塑性，要求材料的m值一般不宜小于0.5。為了使金屬材料獲得超塑性，通常要求：（1）變形應在0.5—0.6Tm的溫度范圍內進行（Tm是材料的熔點）；（2）應變速率應加控制，通常在10-2-10-4S-1的范圍有利于獲得最大的超塑性；（3）材料在進行超塑性變形的高溫下應具有微細的等軸晶組織，且這種組織在超塑變形的過程中應能保持穩定而不發生顯著晶粒長大。金屬發生超塑變形時具有大延伸、無頸縮、小應力和易成形的特點，可使材料易于加工，流動性和填充性好，成形性能大大改善，能夠進行多種方式成形，適于制造形狀復雜的零部件。超塑性加工使金屬成形的應用范圍擴大，并能減少加工費用和最大限度地節約原材料，已在航空航天、儀表、電子、輕工和機械等各個工業部門得到有效的應用。

近年來，隨著材料科學和工業技術的發展，超塑性的研究也取得了新的進展，主要有以下幾個方面：實現了低溫甚至室溫的超塑性變形，高應變速率超塑性變形和大晶粒超塑性變形。下面分別予以簡介。

二、低溫超塑性

如前所述，在金屬及合金中獲得超塑性變形的溫度通常要高于0.5Tm，如果能夠在低的溫度下實現超塑變形，則可以大幅降低能耗，使超塑成形獲得更廣泛的應用。隨著納米材料研究和納米金屬及合金制備技術的發展，人們都期望在低溫下實現納米純金屬的超塑變形。這一想法是基于超塑性變形時晶界滑動是重要變形機理的事實。在納米晶材料中，晶界體積分數大增，為晶界的滑動提供了便利。1999年，美國加州大學的A.K.Mukherjee等人[2]在納米Ni，納米Al合金及納米Ni3Al中實現了低溫超塑性。他們發現納米Ni在350℃時即可發生超塑性變形，這一溫度僅為0.36Tm，比以前報道的溫度足足低了470℃；而納米Ni3Al在650℃發生超塑性變形，也比微米Ni3Al的超塑性溫度降低了450℃。非常有趣的是，它們在超塑變形時都經歷了顯著的應變硬化，與傳統細晶超塑性明顯不同，說明其超塑變形機理也不同，有待于進一步研究。另外，納米Ni在超塑變形中晶粒發生了顯著長大，因此作者認為尺寸小于100納米的純金屬不能發生室溫超塑性變形。原因在于納米晶金屬晶粒長大的驅動力巨大，使納米晶粒發生長大的溫度降低，抵消了進一步降低超塑性變形溫度的可能。然而，2000年中科院金屬研究所盧柯等人[3]在納米Cu中實現了室溫下的超塑延展變形。電解納米Cu在室溫經冷軋后延伸率超過5100%，而室溫僅相當于Cu的熔點的0.22—0.24倍。之所以在室溫下實現了超塑延展性是由于電解Cu樣品消除了缺陷，獲得了高純、致密和無內應力的納米晶，表現出了納米晶的本征力學行為。納米Cu產生超塑延展性的原因是晶粒滑動而不是位錯運動。尤為重要的是納米Cu在冷軋過程中沒有發生應變硬化，因此，冷軋納米晶金屬可以大大簡化軋制工藝流程，而不再需要進行反復的變形-退火-變形的操作。如果對變形后的納米金屬進行適當的熱處理，能夠容易地控制顯微組織，從而使最終產品獲得新的性能。這種新穎的超塑變形工藝將在微加工、納米技術和電子領域得到應用。

三、高應變速率超塑性

高應變速率超塑性是指材料在10-2-10-1S-1的高應變速率下維持大延伸率的現象，對于提高超塑成形的生產率有重要意義。陶瓷材料有很多優異性能，如密度低、熔點高、強度大、耐腐蝕等，在航空航天等高技術領域有廣泛應用前景，但是加工性能較差。開發陶瓷材料的超塑性可以大大促進其應用。陶瓷材料如大多數氧化物和氮化物等可以在10-5-10-4S-1的低應變速率下超塑成形，但晶間孔洞往往導致過早斷裂。2001年，日本科學家Y.Sakka等人[4]發現，四方氧化鋯-鎂鋁尖晶石-氧化鋁的復合陶瓷材料在0.4S-1的高應變速率下表現出超過1050%的大延伸率。這種復合材料具有亞微米晶粒尺寸且在超塑變形時不發生晶粒長大。同時，位錯誘發的氧化鋯的塑性變形協調了晶界滑動，有效抑制了晶界孔洞的產生。這一發現為陶瓷的超塑成形提供了重要指導。

四、大晶粒超塑性

金屬間化合物NiAl具有低密度、高熔點、優異的抗氧化性能等，在航空航天高溫結構材料中有極大的應用前景。但低溫脆性使它難以加工。超塑性成形為金屬間化合物脆性材料加工提供了有效途徑。通常，超塑性變形發生于細晶金屬或合金中。近年來，上海交通大學林棟梁等[5]在大晶粒的NiAl單相合金中發現了超塑性現象。合金的初始晶粒達到270微米，仍能獲得245%的最大延伸率。合金在超塑變形時，首先通過位錯的滑移和攀移形成位錯列或位錯網，然后，位錯列吸收更多的位錯而形成亞晶界，亞晶界繼續吸收位錯轉變成小角度晶界直至大角度晶界。合金在整個超塑性變形過程中，位錯的滑移和攀移起到主導作用。合金經超塑變形后，晶粒大大細化，由初始的270微米減小到幾個微米。因此，動態回復和動態再結晶產生的軟化效應與位錯運動產生的應變硬化達到平衡，是導致大晶粒NiAl合金產生超塑變形的機理。大晶粒超塑性也在FeAl和TiAl金屬間化合物中被發現。

五、結論

在回顧傳統金屬和合金超塑性變形的基礎上，介紹了低溫超塑性、高應變速率超塑性及大晶粒超塑性。這些問題的討論將有助于豐富塑性變形的教學內容，拓展學生視野，激發思考興趣。

參考文獻：

[1]胡賡祥，錢苗根.金屬學[M].上海：上海科學技術出版社，1980.

[2]McFadden SX，Mishra RS，Valiev RZ，Zhilyaev AP，Mukherjee AK.Low-temperature superplasticity in nanostructured nickel and metal alloys[J].Nature，1999，（398）：684-686.

[3]Lu L，Sui ML，Lu K.Superplastic extensibility of nanocrystalline copper at room temperature[J].Science，2000，（287）：1463-1465.

[4]Kim BN，Hiraga K，Sakka Y.A high-strain-rate superplastic ceramic[J].Nature，2001，（143）：288-291.

[5]Jiang DM，Lin DL.Superplasticity of single-phase Ni-45Al intermetallics with large grains，Mater[J].Lett.，2002，（57）：745-752.