金屬相變超塑性的研究進(jìn)展

謝文玲，周順勇，郭翠霞，李秀蘭

（四川理工學(xué)院a.過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

金屬相變超塑性的研究進(jìn)展

謝文玲a，周順勇b，郭翠霞a，李秀蘭a

（四川理工學(xué)院a.過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

綜述了國(guó)內(nèi)外金屬相變超塑性的研究現(xiàn)狀，包括金屬相變超塑性的實(shí)現(xiàn)條件、影響因素和太合金變形機(jī)制，提出了相變超塑性的研究方向。

相變超塑性；影響因素；變形機(jī)制

引言

超塑性現(xiàn)象于1912年開(kāi)始有所報(bào)導(dǎo)［1］，至今已超過(guò)百年?！俺苄浴边@一名詞是在1945年，由前蘇聯(lián)科學(xué)家Andrei A，Bochrar和Zojia A.Sviderskaj［2］等發(fā)現(xiàn)Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率而提出的。1964年，美國(guó)的Backofen［3］對(duì)Zn-Al合金進(jìn)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(gè)新概念，為超塑性研究奠定了基礎(chǔ)。已發(fā)現(xiàn)的超塑性材料很多，包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、超高碳鋼、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料、陶瓷材料等。從上世紀(jì)六十年代起，各國(guó)學(xué)者在超塑性材料、力學(xué)、機(jī)理、成形等方面進(jìn)行了大量的研究。

眾所周知，目前的金屬超塑性研究以組織超塑性為主［4-9］。通常認(rèn)為，當(dāng)金屬晶粒尺寸小于l0μm，變形溫度T＞0.5 Tm，應(yīng)變速率控制在10-4～10-1s-1范圍內(nèi)時(shí)出現(xiàn)組織超塑性。組織超塑性的優(yōu)點(diǎn)在于恒溫下易于操作，故大量應(yīng)用于超塑性成形［5，10-11］，但其最主要的缺點(diǎn)是需要晶粒的微細(xì)化預(yù)處理。相變超塑性則無(wú)須材料具備超細(xì)晶粒，因而在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文從相變超塑性的實(shí)現(xiàn)途徑、影響因素出發(fā)，探討了金屬相變超塑性的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和研究方向。

1 金屬相變超塑性的實(shí)現(xiàn)條件

相變超塑性也稱動(dòng)態(tài)超塑性，是指在其相變發(fā)生和進(jìn)行時(shí)，施加低應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象［12］，與組織超塑性不同的是，它不要求材料具備超細(xì)晶粒，但必須滿足以下條件∶（1）材料必須具有固態(tài)相變；（2）在一定的外加載荷作用下，通過(guò)在相變溫度上下循環(huán)加熱和冷卻來(lái)誘發(fā)材料產(chǎn)生反復(fù)的組織結(jié)構(gòu)變化來(lái)獲得超塑性［13-16］。

2 金屬相變超塑性的影響因素

影響相變超塑性的因素主要有∶材質(zhì)（材料必須具有固態(tài)相變）、作用應(yīng)力σ、熱循環(huán)幅度ΔT（ΔT=Tmax-Tmin）、熱循環(huán)頻率ΔT/t（即加熱-冷卻的速度）以及循環(huán)次數(shù)N等。由于相變超塑性是在相變溫度上下進(jìn)行反復(fù)的升溫與降溫而產(chǎn)生的，因此ΔT、ΔT/t和N是影響相變超塑性的最重要因素，尤其是在相變超塑性的應(yīng)用中。

2.1 材質(zhì)

金屬相變超塑性要求材料必須具有固態(tài)相變。固態(tài)相變的種類很多，包括純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，合金或鋼中的珠光體相變、貝氏體相變以及具有可逆性的馬氏體相變等都可以通過(guò)溫度循環(huán)產(chǎn)生超塑性，此外還包括有序和無(wú)序轉(zhuǎn)變、固溶和脫溶等。如利用α?γ、α′?γ、α′?α+β等相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)超塑性［9，14-20］。

2.2 應(yīng)力

相變超塑性中的應(yīng)力可來(lái)源于幾個(gè)方面∶（1）相互轉(zhuǎn)變的兩相其比容或密度不同將導(dǎo)致在相變過(guò)程中相伴發(fā)生體積膨脹或收縮，從而產(chǎn)生應(yīng)力；（2）組織結(jié)構(gòu)不均勻、兩種相的強(qiáng)度或硬度不同，變形可能不均勻，也會(huì)在金屬中引起應(yīng)力；（3）反復(fù)加熱和冷卻過(guò)程中的膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。

從相變超塑性的定義出發(fā)，只要求在相變循環(huán)過(guò)程中有應(yīng)力作用與之同步，并未明確提出應(yīng)力大小與相變超塑性之間的關(guān)系，因此研究較少［20］。陽(yáng)永春等研究T8鋼獲得相變超塑性時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力為38.5 MPa［9］，經(jīng)預(yù)先調(diào)質(zhì)處理的30CrMnSiA鋼超塑性獲得最大延伸率時(shí)的應(yīng)力為55 MPa［17］，經(jīng)預(yù)調(diào)質(zhì)處理的GCr15鋼超塑性獲得最大延伸率達(dá)800%時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力為24 MPa［21］，劉宇慧［18］等研究Zn-5Al合金直接采用了0.6～1.6 MPa的應(yīng)力并獲得了相變超塑性，從上述結(jié)果看出現(xiàn)有的相變超塑性研究均采用的是小應(yīng)力。

2.3 熱循環(huán)幅度ΔT（ΔT=Tmax-Tmin）

相變超塑性是在相變溫度上下進(jìn)行溫度循環(huán)而產(chǎn)生的。因此熱循環(huán)幅度ΔT（上限和下限溫度差）是最重要的影響因素。

研究［22］發(fā)現(xiàn)，若下限溫度不變，隨著上限溫度的下降，ΔT減小，伸長(zhǎng)率急速下降，當(dāng)上限溫度低于相變溫度以下時(shí)，由于不發(fā)生相變使伸長(zhǎng)率下降為零；上限溫度不變，若下限溫度低于相變溫度，下限溫度的變化對(duì)伸長(zhǎng)率的影響不明顯，當(dāng)下限溫度高于相變溫度時(shí)，因不再發(fā)生相變，伸長(zhǎng)率為零。

在相變超塑性中，熱循環(huán)的目的是獲得反復(fù)相變，因此必須滿足上限溫度高于相變溫度，下限溫度低于相變溫度，對(duì)于不同材料，采用的溫度不同。如軸承鋼一般采用的是680～710℃［17，21］，而鑄態(tài)Zn-5%Al共晶合金則采用了Tmin為20℃，Tmax為350℃的大熱循環(huán)幅度進(jìn)行拉伸時(shí)也產(chǎn)生了超塑性［15］。

2.4 熱循環(huán)頻率ΔT/t

熱循環(huán)頻率即加熱和冷卻的速率。有文獻(xiàn)［22-23］指出隨著循環(huán)速率的增高，相變速率及應(yīng)變速率相應(yīng)增高，使logσ-log˙ε關(guān)系曲線移向較高應(yīng)變速率范圍內(nèi)，這和晶粒度的減小對(duì)于微細(xì)超塑性的影響相似。此外，采用較大的熱循環(huán)頻率還可以防止氧化和過(guò)多的蠕變變形。

2.5 循環(huán)次數(shù)N

相變超塑性的實(shí)現(xiàn)主要是由于材料在相變循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的塑性積累，因此，總延伸率的大小一般取決于相變循環(huán)周期數(shù)N，循環(huán)次數(shù)越多，材料的總延伸率越高。

3 相變超塑性實(shí)現(xiàn)機(jī)制

與組織超塑性相比，迄今為止，對(duì)于相變超塑性變形機(jī)制的研究比較少［18，22，24］。但隨著相變超塑性在生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，相變超塑性變形機(jī)制將是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。

組織超塑性的晶界滑移變形機(jī)制也適用于相變超塑性。李世春［24］提出了溶解-擴(kuò)散層理論，他認(rèn)為Zn -5Al共晶合金的超塑性變形機(jī)制是α/β相界滑移。在超塑性溫度時(shí)，β相中的Zn經(jīng)擴(kuò)散溶入到α相中，從而在α/β界面間形成擴(kuò)散-溶解層α′，并對(duì)α/β相界滑移起控制作用，隨著α′中溶入Zn量的增加，變形抗力增大，相界滑移不易進(jìn)行，當(dāng)α′達(dá)到飽和溶解度時(shí)，變形抗力達(dá)到最大值。

Becker認(rèn)為相變超塑性屬于非晶質(zhì)流動(dòng)，在相變中新舊兩相界面有空隙產(chǎn)生，因此相變超塑性適用于高溫位錯(cuò)蠕變機(jī)制。

Greenwood和Johnson模型則假定發(fā)生相變的材料為非理想材料，金屬中有強(qiáng)、弱兩相共存時(shí)，在內(nèi)應(yīng)力和外加應(yīng)力作用下塑性流動(dòng)發(fā)生在弱相中，并得到每發(fā)生一次相變所產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)藕屯饧討?yīng)力σ之間的關(guān)系為∶

4 相變超塑性的研究方向

由于相變超塑性無(wú)需超細(xì)晶粒、高溫變形和低應(yīng)變速率，所以在材料前期準(zhǔn)備上具有優(yōu)勢(shì)，是今后研究的熱點(diǎn)。

4.1 新型相變超塑性材料及新工藝的開(kāi)發(fā)

現(xiàn)相變超塑性研究采用的是α?γ、α′?γ、α′?α+β相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)超塑性，工藝單一，相變類型少。從相變超塑性實(shí)現(xiàn)的條件出發(fā)，只要能滿足實(shí)現(xiàn)相變超塑性的兩個(gè)條件（應(yīng)力作用與相變循環(huán)）就能實(shí)現(xiàn)超塑性，因此今后相變超塑性的研究將重在開(kāi)發(fā)新型相變超塑性材料及新工藝，并找出其產(chǎn)生超塑性的能力的程度。

4.2 相變超塑性的機(jī)制研究

與相變超塑性在工業(yè)上的應(yīng)用相比，目前相變超塑性的機(jī)制研究較少，還未取得較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。只有正確認(rèn)識(shí)相變超塑性的微觀機(jī)制，才能從根本上掌握相變超塑性，從而更好地應(yīng)用相變超塑性。而在相變超塑性的機(jī)制研究中，今后的研究重點(diǎn)將在相變循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力、溫度、材料組織等對(duì)相變超塑性的影響及這些因素間的交互作用在相變超塑性中的作用。

5 結(jié)論

（1）相變超塑性的實(shí)現(xiàn)必須滿足以下條件∶（1）材料必須具有固態(tài)相變；（2）在一定的外加載荷作用下，在相變溫度上下循環(huán)加熱和冷卻來(lái)誘發(fā)材料產(chǎn)生反復(fù)的組織結(jié)構(gòu)變化。

（2）影響相變超塑性的重要因素主要有∶熱循環(huán)幅度ΔT、熱循環(huán)頻率ΔT/t以及循環(huán)次數(shù)N。合理的ΔT，較大的ΔT/t以及N的增加對(duì)相變超塑性有利。

（3）目前相變超塑性的實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究較少，是今后相變超塑性研究的方向，此外，開(kāi)發(fā)新型相變超塑性材料及其新工藝也是以后的研究熱點(diǎn)。

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Progress in Study on Transformation Superplasticity of Metal

XIEWenlinga，ZHOU Shunyongb，GUO Cuixiaa，LIXiulana
（a.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control；b.Key Laboratory of Artificial Intelligence of Sichuan Province，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

The progress in study on transformation superplasticity ofmetal，including the realization condition，the influence factors and deformationmechanisms is summarized and then the research orientation ofmetal transformation superplasticity is proposed.

transformation superplasticity；influence factors；deformation mechanisms

TG142.7

A

1673-1549（2014）01-0001-04

10.11863/j.suse.2014.01.01

2014-01-12

國(guó)家自然科學(xué)青年基金（51301115）；四川理工學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（2012PY06）；四川理工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（2013RC06）

謝文玲（1975-），女，四川成都人，副教授，主要從事新型金屬材料方面的研究，（E-mail）zsyxwl@126.com