关于金属学中超塑性变形教学内容的几点思考

周健

摘要：本文对金属学中超塑性变形的基本概念和理论进行了深入思考，补充了过去我们没有足够重视的前沿研究成果和新现象、新理论，有助于学生研究型和创新型思维的培养。

关键词：金属学；超塑性；应变速率

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）46-0191-02

一、引言

金属学是研究金属材料的成分、组织结构和性能之间关系的一门科学，它对生产、使用和发展金属材料起着重要的指导作用[1]。其中金属及合金的塑性变形是重要的组成部分。某些金属材料在特定条件下拉伸时能获得特别大的均匀的塑性延伸，例如其延伸率大于200%，甚至大于1000%，这种性能称为超塑性。超塑性的发现可以追溯到1920年，德国人罗申汉等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180°；1934年，英国的C.P.Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率；1945年前苏联的A.A.Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词；1964年，美国的W.A.Backofen对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。m值反映了材料拉伸时的抗颈缩能力，是评定材料潜在超塑性的重要参数。一般来说，材料的延伸率随m值的增大而增大。为了获得较高的超塑性，要求材料的m值一般不宜小于0.5。为了使金属材料获得超塑性，通常要求：（1）变形应在0.5—0.6Tm的温度范围内进行（Tm是材料的熔点）；（2）应变速率应加控制，通常在10-2-10-4S-1的范围有利于获得最大的超塑性；（3）材料在进行超塑性变形的高温下应具有微细的等轴晶组织，且这种组织在超塑变形的过程中应能保持稳定而不发生显著晶粒长大。金属发生超塑变形时具有大延伸、无颈缩、小应力和易成形的特点，可使材料易于加工，流动性和填充性好，成形性能大大改善，能够进行多种方式成形，适于制造形状复杂的零部件。超塑性加工使金属成形的应用范围扩大，并能减少加工费用和最大限度地节约原材料，已在航空航天、仪表、电子、轻工和机械等各个工业部门得到有效的应用。

近年来，随着材料科学和工业技术的发展，超塑性的研究也取得了新的进展，主要有以下几个方面：实现了低温甚至室温的超塑性变形，高应变速率超塑性变形和大晶粒超塑性变形。下面分别予以简介。

二、低温超塑性

如前所述，在金属及合金中获得超塑性变形的温度通常要高于0.5Tm，如果能够在低的温度下实现超塑变形，则可以大幅降低能耗，使超塑成形获得更广泛的应用。随着纳米材料研究和纳米金属及合金制备技术的发展，人们都期望在低温下实现纳米纯金属的超塑变形。这一想法是基于超塑性变形时晶界滑动是重要变形机理的事实。在纳米晶材料中，晶界体积分数大增，为晶界的滑动提供了便利。1999年，美国加州大学的A.K.Mukherjee等人[2]在纳米Ni，纳米Al合金及纳米Ni3Al中实现了低温超塑性。他们发现纳米Ni在350℃时即可发生超塑性变形，这一温度仅为0.36Tm，比以前报道的温度足足低了470℃；而纳米Ni3Al在650℃发生超塑性变形，也比微米Ni3Al的超塑性温度降低了450℃。非常有趣的是，它们在超塑变形时都经历了显著的应变硬化，与传统细晶超塑性明显不同，说明其超塑变形机理也不同，有待于进一步研究。另外，纳米Ni在超塑变形中晶粒发生了显著长大，因此作者认为尺寸小于100纳米的纯金属不能发生室温超塑性变形。原因在于纳米晶金属晶粒长大的驱动力巨大，使纳米晶粒发生长大的温度降低，抵消了进一步降低超塑性变形温度的可能。然而，2000年中科院金属研究所卢柯等人[3]在纳米Cu中实现了室温下的超塑延展变形。电解纳米Cu在室温经冷轧后延伸率超过5100%，而室温仅相当于Cu的熔点的0.22—0.24倍。之所以在室温下实现了超塑延展性是由于电解Cu样品消除了缺陷，获得了高纯、致密和无内应力的纳米晶，表现出了纳米晶的本征力学行为。纳米Cu产生超塑延展性的原因是晶粒滑动而不是位错运动。尤为重要的是纳米Cu在冷轧过程中没有发生应变硬化，因此，冷轧纳米晶金属可以大大简化轧制工艺流程，而不再需要进行反复的变形-退火-变形的操作。如果对变形后的纳米金属进行适当的热处理，能够容易地控制显微组织，从而使最终产品获得新的性能。这种新颖的超塑变形工艺将在微加工、纳米技术和电子领域得到应用。

三、高应变速率超塑性

高应变速率超塑性是指材料在10-2-10-1S-1的高应变速率下维持大延伸率的现象，对于提高超塑成形的生产率有重要意义。陶瓷材料有很多优异性能，如密度低、熔点高、强度大、耐腐蚀等，在航空航天等高技术领域有广泛应用前景，但是加工性能较差。开发陶瓷材料的超塑性可以大大促进其应用。陶瓷材料如大多数氧化物和氮化物等可以在10-5-10-4S-1的低应变速率下超塑成形，但晶间孔洞往往导致过早断裂。2001年，日本科学家Y.Sakka等人[4]发现，四方氧化锆-镁铝尖晶石-氧化铝的复合陶瓷材料在0.4S-1的高应变速率下表现出超过1050%的大延伸率。这种复合材料具有亚微米晶粒尺寸且在超塑变形时不发生晶粒长大。同时，位错诱发的氧化锆的塑性变形协调了晶界滑动，有效抑制了晶界孔洞的产生。这一发现为陶瓷的超塑成形提供了重要指导。

四、大晶粒超塑性

金属间化合物NiAl具有低密度、高熔点、优异的抗氧化性能等，在航空航天高温结构材料中有极大的应用前景。但低温脆性使它难以加工。超塑性成形为金属间化合物脆性材料加工提供了有效途径。通常，超塑性变形发生于细晶金属或合金中。近年来，上海交通大学林栋梁等[5]在大晶粒的NiAl单相合金中发现了超塑性现象。合金的初始晶粒达到270微米，仍能获得245%的最大延伸率。合金在超塑变形时，首先通过位错的滑移和攀移形成位错列或位错网，然后，位错列吸收更多的位错而形成亚晶界，亚晶界继续吸收位错转变成小角度晶界直至大角度晶界。合金在整个超塑性变形过程中，位错的滑移和攀移起到主导作用。合金经超塑变形后，晶粒大大细化，由初始的270微米减小到几个微米。因此，动态回复和动态再结晶产生的软化效应与位错运动产生的应变硬化达到平衡，是导致大晶粒NiAl合金产生超塑变形的机理。大晶粒超塑性也在FeAl和TiAl金属间化合物中被发现。

五、结论

在回顾传统金属和合金超塑性变形的基础上，介绍了低温超塑性、高应变速率超塑性及大晶粒超塑性。这些问题的讨论将有助于丰富塑性变形的教学内容，拓展学生视野，激发思考兴趣。

参考文献：

[1]胡赓祥，钱苗根.金属学[M].上海：上海科学技术出版社，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.