關(guān)于金屬學(xué)中超塑性變形教學(xué)內(nèi)容的幾點思考

周健

摘要：本文對金屬學(xué)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(xiàn)象、新理論，有助于學(xué)生研究型和創(chuàng)新型思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：金屬學(xué)；超塑性；應(yīng)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(xué)是研究金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的一門科學(xué)，它對生產(chǎn)、使用和發(fā)展金屬材料起著重要的指導(dǎo)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(fā)現(xiàn)可以追溯到1920年，德國人羅申漢等發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(lián)的A.A.Bochvar等發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的研究，并提出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值這個新概念，為超塑性研究奠定了基礎(chǔ)。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(shù)。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(yīng)在0.5—0.6Tm的溫度范圍內(nèi)進行（Tm是材料的熔點）；（2）應(yīng)變速率應(yīng)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(yīng)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(yīng)能保持穩(wěn)定而不發(fā)生顯著晶粒長大。金屬發(fā)生超塑變形時具有大延伸、無頸縮、小應(yīng)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(fù)雜的零部件。超塑性加工使金屬成形的應(yīng)用范圍擴大，并能減少加工費用和最大限度地節(jié)約原材料，已在航空航天、儀表、電子、輕工和機械等各個工業(yè)部門得到有效的應(yīng)用。

近年來，隨著材料科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)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(xiàn)了低溫甚至室溫的超塑性變形，高應(yīng)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(xiàn)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(yīng)用。隨著納米材料研究和納米金屬及合金制備技術(shù)的發(fā)展，人們都期望在低溫下實現(xiàn)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(shù)大增，為晶界的滑動提供了便利。1999年，美國加州大學(xué)的A.K.Mukherjee等人[2]在納米Ni，納米Al合金及納米Ni3Al中實現(xiàn)了低溫超塑性。他們發(fā)現(xiàn)納米Ni在350℃時即可發(fā)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(fā)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(jīng)歷了顯著的應(yīng)變硬化，與傳統(tǒng)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(fā)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(fā)生室溫超塑性變形。原因在于納米晶金屬晶粒長大的驅(qū)動力巨大，使納米晶粒發(fā)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(xiàn)了室溫下的超塑延展變形。電解納米Cu在室溫經(jīng)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(xiàn)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(nèi)應(yīng)力的納米晶，表現(xiàn)出了納米晶的本征力學(xué)行為。納米Cu產(chǎn)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(fā)生應(yīng)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(fù)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?shù)臒崽幚恚軌蛉菀椎乜刂骑@微組織，從而使最終產(chǎn)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(shù)和電子領(lǐng)域得到應(yīng)用。

三、高應(yīng)變速率超塑性

高應(yīng)變速率超塑性是指材料在10-2-10-1S-1的高應(yīng)變速率下維持大延伸率的現(xiàn)象，對于提高超塑成形的生產(chǎn)率有重要意義。陶瓷材料有很多優(yōu)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(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，但是加工性能較差。開發(fā)陶瓷材料的超塑性可以大大促進其應(yīng)用。陶瓷材料如大多數(shù)氧化物和氮化物等可以在10-5-10-4S-1的低應(yīng)變速率下超塑成形，但晶間孔洞往往導(dǎo)致過早斷裂。2001年，日本科學(xué)家Y.Sakka等人[4]發(fā)現(xiàn)，四方氧化鋯-鎂鋁尖晶石-氧化鋁的復(fù)合陶瓷材料在0.4S-1的高應(yīng)變速率下表現(xiàn)出超過1050%的大延伸率。這種復(fù)合材料具有亞微米晶粒尺寸且在超塑變形時不發(fā)生晶粒長大。同時，位錯誘發(fā)的氧化鋯的塑性變形協(xié)調(diào)了晶界滑動，有效抑制了晶界孔洞的產(chǎn)生。這一發(fā)現(xiàn)為陶瓷的超塑成形提供了重要指導(dǎo)。

四、大晶粒超塑性

金屬間化合物NiAl具有低密度、高熔點、優(yōu)異的抗氧化性能等，在航空航天高溫結(jié)構(gòu)材料中有極大的應(yīng)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(fā)生于細晶金屬或合金中。近年來，上海交通大學(xué)林棟梁等[5]在大晶粒的NiAl單相合金中發(fā)現(xiàn)了超塑性現(xiàn)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(wǎng)，然后，位錯列吸收更多的位錯而形成亞晶界，亞晶界繼續(xù)吸收位錯轉(zhuǎn)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(dǎo)作用。合金經(jīng)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(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化效應(yīng)與位錯運動產(chǎn)生的應(yīng)變硬化達到平衡，是導(dǎo)致大晶粒NiAl合金產(chǎn)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(fā)現(xiàn)。

五、結(jié)論

在回顧傳統(tǒng)金屬和合金超塑性變形的基礎(chǔ)上，介紹了低溫超塑性、高應(yīng)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(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)生視野，激發(fā)思考興趣。

參考文獻：

[1]胡賡祥，錢苗根.金屬學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)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.