金屬材料中“塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象”的研究進(jìn)展

許道奎，李傳強(qiáng),，韓恩厚，王　磊

(1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料環(huán)境腐蝕研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110016)(2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

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金屬材料中“塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象”的研究進(jìn)展

許道奎1，李傳強(qiáng)1,2，韓恩厚1，王磊2

(1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料環(huán)境腐蝕研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110016)(2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

許道奎

摘要：對(duì)于金屬合金材料而言，出現(xiàn)的“塑性不穩(wěn)定”現(xiàn)象或Portevin-Le Chatelier (PLC)效應(yīng)主要表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的鋸齒狀波動(dòng)，并伴隨著空間上可傳播的應(yīng)變局域化，致使材料經(jīng)受力變形后表面會(huì)出現(xiàn)凹凸化，最終導(dǎo)致材料整體塑性的降低。近年來(lái)，關(guān)于PLC效應(yīng)的研究及其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段已有很多相關(guān)報(bào)道。根據(jù)出現(xiàn)PLC效應(yīng)的時(shí)空特性進(jìn)行分類，鋸齒波可分為A、B和C 3種類型。目前，關(guān)于PLC效應(yīng)的理論解釋主要?dú)w因于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效和位錯(cuò)切割機(jī)制。將重點(diǎn)介紹傳統(tǒng)金屬材料中存在塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象的研究進(jìn)展，敘述并歸納微觀結(jié)構(gòu)、加載速率、受力狀態(tài)和微觀變形機(jī)制等對(duì)PLC效應(yīng)的影響和作用規(guī)律，指出目前研究中存在的問(wèn)題，提出將來(lái)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：金屬材料；Portevin-Le Chatelier效應(yīng)；鋸齒流變；動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效

1前言

塑性變形是金屬材料最基本、也是最重要的力學(xué)行為。因此，塑性變形過(guò)程中出現(xiàn)的力學(xué)不穩(wěn)定性現(xiàn)象及相關(guān)的變形局域化問(wèn)題已成為材料塑性變形行為研究的熱點(diǎn)。在一定的溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)，多種合金材料在塑性變形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)特殊的塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，即時(shí)域上的鋸齒形應(yīng)力流變(Jerky Flow)和空域上的應(yīng)變局域化(Strain Localization)。在宏觀時(shí)域上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的鋸齒形振蕩，空域上則表現(xiàn)為剪切帶的形成和傳播，造成材料塑性的降低和表面的凹凸不平[1]，對(duì)材料加工成型后表面質(zhì)量的控制帶來(lái)困難。

人們對(duì)金屬材料存在塑性變形不穩(wěn)定性問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，最早可以追溯到18世紀(jì)60年代[2]。Luders發(fā)現(xiàn)低碳鋼在常溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，即應(yīng)力升高到上屈服點(diǎn)后會(huì)快速跌落到下屈服點(diǎn)[2]。經(jīng)下屈服點(diǎn)后，拉伸曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有微小應(yīng)力起伏波動(dòng)的應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，導(dǎo)致樣品表面上Luders變形帶的形成，如圖1。當(dāng)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)結(jié)束后，加工硬化將起著主要作用，致使材料的宏觀塑性變形變得均勻穩(wěn)定。由于Luders帶僅在低碳鋼應(yīng)變軟化階段出現(xiàn)，所以只需將材料進(jìn)行預(yù)變形處理并跨過(guò)塑形不穩(wěn)階段，即可消除其對(duì)材料加工表面質(zhì)量的影響。在對(duì)Al-Cu合金拉伸力學(xué)行為的研究中[3]，Portevin等發(fā)現(xiàn)該合金存在與低碳鋼不同的屈服現(xiàn)象，即在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上(時(shí)域上)表現(xiàn)為連續(xù)反復(fù)跌落的鋸齒屈服現(xiàn)象(Serrated Yielding)。由于Portevin A和Le Chatelier F首次提出了這種連續(xù)鋸齒屈服現(xiàn)象的概念，所以該現(xiàn)象也被稱為Portevin-Le Chatelier (PLC) 效應(yīng)。Al-Mg合金在變形過(guò)程往往也會(huì)呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征[4-5]，如圖2。通常，PLC效應(yīng)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致合金力學(xué)性能的降低[6]。研究表明，PLC效應(yīng)可在很多重要的工業(yè)合金中出現(xiàn)[7]，其中包括大多數(shù)鋼材以及部分Al、Cu、Ni、Ti、V、Zr、Mg等合金系金屬材料。

圖1　低碳鋼室溫拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)現(xiàn)象[2]Fig.1　Yield point phenomenon in low-carbon steel tensile tested at room temperature[2]

圖2　Al-Mg合金中的PLC效應(yīng)[4]Fig.2　The PLC effect of Al-Mg alloy[4]

2PLC效應(yīng)鋸齒波的分類

通常，材料在不同加載條件下出現(xiàn)PLC效應(yīng)鋸齒波所對(duì)應(yīng)的鋸齒幅值和密集程度會(huì)存在較大的差異。根據(jù)鋸齒密集程度及應(yīng)力幅值的變化情況，可將鋸齒分為A型、B型和C型。江慧豐等研究表明，A型鋸齒的應(yīng)力幅值變化較小，鋸齒間隔較大，且鋸齒較稀疏，主要在應(yīng)變速率較大的情況下出現(xiàn)；C型鋸齒幅值變化較大，鋸齒間隔較小，但鋸齒較密集，主要在應(yīng)變速率較低的情況下出現(xiàn)；B型鋸齒則介于A型和C型鋸齒之間[8-11]。依據(jù)傳播特征，可將鋸齒波分為隨機(jī)、跳躍和連續(xù)型[12]。在較低應(yīng)變速率條件下，空域耦合作用較弱，鋸齒波的傳播特征為隨意型，且鋸齒幅值波動(dòng)較大，鋸齒呈現(xiàn)C型特征。在較高應(yīng)變速率條件下，空域耦合作用較強(qiáng)，鋸齒波的傳播特征為連續(xù)型，且鋸齒幅值波動(dòng)較小，鋸齒呈現(xiàn)A型特征。在中間應(yīng)變速率條件下，鋸齒將在基準(zhǔn)線附近上下波動(dòng)，且鋸齒幅值變化相對(duì)較大，鋸齒波的傳播特征為跳躍型，致使鋸齒呈現(xiàn)B型特征[13-14]。對(duì)于Al-2Mg和Al-0.9Mg合金而言[15]，鋸齒波的類型隨臨界應(yīng)變與應(yīng)變速率的變化關(guān)系，如圖3?？梢?jiàn)，在Al-Mg合金中低的Mg含量可使鋸齒類型由B型轉(zhuǎn)為A型時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率減小，同時(shí)也會(huì)使其發(fā)生PLC效應(yīng)的臨界應(yīng)變量減小[15-16]。另外，根據(jù)引起PLC效應(yīng)的本質(zhì)差異，Brechet Y把PLC效應(yīng)分為“偽PLC效應(yīng)”和“真PLC效應(yīng)”[17]。其中，由第二相引起的負(fù)應(yīng)變速率敏感指數(shù)(SRS)而表現(xiàn)的PLC效應(yīng)被稱為“偽PLC效應(yīng)”；由固溶原子的作用而表現(xiàn)出的PLC效應(yīng)被稱為“真PLC效應(yīng)”[17]。

圖3　室溫下Al-2Mg和Al-0.9Mg合金臨界應(yīng)變與應(yīng)變速率關(guān)系[15]Fig.3　Plots of the critical strain vs applied strain rate of the Al-2Mg and Al-0.9Mg alloy at room temperature[15]

3PLC效應(yīng)的研究和表征方法

為了研究PLC效應(yīng)引起變形帶的空間特性，人們采用了各種觀測(cè)方法，如陰影法[15]、數(shù)字散斑法[16-21]、數(shù)字圖像法[22-25]、聲發(fā)射法[26-29]、有限元模擬法[30-31]和紅外測(cè)溫法[32-37]等。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是用陰影法觀察拋光拉伸試件表面上留下的滑移線痕跡[38]，確認(rèn)剪切變形的存在和傳播過(guò)程，這一方法被證明具有很好的可重復(fù)性，其中不足之處在于試件表面一旦變得粗糙便不再“可用”，因此難以觀測(cè)因PLC效應(yīng)引起變形帶的反復(fù)產(chǎn)生和傳播，無(wú)法得到變形帶內(nèi)部的變形機(jī)制等重要信息。王聰用聲發(fā)射法研究了合金的鋸齒流變，在出現(xiàn)鋸齒流變現(xiàn)象的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射特征峰[27]。聲發(fā)射特征峰是大量微觀缺陷在運(yùn)動(dòng)中提供的直接信息，結(jié)合頻譜分析和振幅分布的分析，可更深入探討鋸齒流變的微觀機(jī)制。近年來(lái)，隨著紅外熱成像技術(shù)的商業(yè)化普及，紅外測(cè)溫法已被用于對(duì)Al-4%Cu、Al-3.2%Cu和Al-Mg合金的PLC效應(yīng)空域行為的研究[35-36, 38]。

4PLC效應(yīng)鋸齒波形成的微觀機(jī)制

在對(duì)Al-Li單晶體鋸齒流變的研究中[39-49]，田寶輝等報(bào)道A和B型鋸齒的出現(xiàn)是因自由運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)被固溶原子釘扎和脫釘所致，而C型鋸齒的出現(xiàn)主要?dú)w因于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)初期即被釘扎和脫釘。在鋸齒發(fā)生初期，鋸齒波均在假想的載荷-位移曲線之下，屬C型鋸齒，常出現(xiàn)在較高的溫度或較低的應(yīng)變速率，其特征為在應(yīng)力大幅下降之前并無(wú)上升趨勢(shì)，而在A型或A+B型鋸齒出現(xiàn)前應(yīng)力會(huì)有明顯的上升。在較低的溫度或較高的應(yīng)變速率條件下，置換固溶體中固溶原子的擴(kuò)散速率隨變形空位的產(chǎn)生而增大，變形至一定程度后固溶原子的擴(kuò)散速率將滿足對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)有效釘扎的最低要求，因而鋸齒流變產(chǎn)生時(shí)載荷會(huì)升高，致使A或A+B型鋸齒的形成。然而，在較高溫度或較低的應(yīng)變速率條件下，溶質(zhì)原子擴(kuò)散速率較快或可動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)速率較低，溶質(zhì)原子有足夠時(shí)間向位錯(cuò)周圍擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)有效釘扎。因此，變形一開(kāi)始位錯(cuò)就被固溶原子釘扎。當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度后，被釘扎的位錯(cuò)將在內(nèi)應(yīng)力的作用下脫釘，產(chǎn)生鋸齒流變載荷的下降，致使C型鋸齒的形成。

另外，錢(qián)忠武等報(bào)道A型鋸齒波是與PLC變形帶從試樣一端逐步擴(kuò)展至另一端相聯(lián)系的[7, 50-56]。當(dāng)PLC變形帶從一端擴(kuò)展至另一端時(shí)，此次變形既已完成，但此時(shí)的外加載荷會(huì)上升至超過(guò)應(yīng)力應(yīng)變的正常水平，可促使試樣的另一端引發(fā)一個(gè)新的變形帶來(lái)使應(yīng)力得到釋放和降低。隨著新變形帶在試樣中的向前擴(kuò)展，載荷又會(huì)逐步升高，從而導(dǎo)致新的變形帶的不斷出現(xiàn)和擴(kuò)展，但是這些新的變形帶一般都是在試樣的同一端形成并傳至另一端?？梢?jiàn)，A型鋸齒波的一個(gè)重要特點(diǎn)為變形帶是在逐漸升高外力的作用下向前移動(dòng)的，如圖4a。同時(shí)，隨著PLC變形帶在試樣中的逐漸形成和擴(kuò)展，材料逐漸得到強(qiáng)化。對(duì)于B型鋸齒波而言，它的最大特點(diǎn)是變形帶生成后并不擴(kuò)展，在變形帶中的可動(dòng)位錯(cuò)可以被釘扎，形成局部強(qiáng)化。為了使塑性變形能繼續(xù)進(jìn)行下去，需要形成新的變形帶，但新變形帶的形成位置在試樣中是隨機(jī)的，如圖4b。相比而言，C型鋸齒波的特點(diǎn)介于A與B型波之間，具有在變形帶形成后并不擴(kuò)展的特征。為了使塑性變形得以繼續(xù)進(jìn)行，需不斷有新的變形帶形成。在應(yīng)力應(yīng)變曲線上，會(huì)出現(xiàn)許多細(xì)小且逐漸升高的“鋸齒”。然而，在C型鋸齒波中，新的變形帶是順序形成的，并逐漸從試樣的一端到達(dá)另一端的，如圖4c。可見(jiàn)，它具有與A型鋸齒波中一個(gè)變形帶由試樣的一端逐漸擴(kuò)展至另一端的特征。當(dāng)變形帶覆蓋整個(gè)試樣后，升高的外加應(yīng)力又會(huì)在試樣的另一端引發(fā)一個(gè)新的變形帶，并重復(fù)上述過(guò)程，最終形成一種周期性的鋸齒波形。

圖4　A型(a)，B型(b)和C型(c)鋸齒波及傳播方式[51]Fig.4　Type A(a)，Type B(b) and Type C(c) serrations and the propagation modes[51]

5PLC效應(yīng)的理論解釋

目前被廣泛接受的PLC效應(yīng)的理論解釋是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效理論和位錯(cuò)切割機(jī)制。所謂“應(yīng)變時(shí)效”，就是金屬合金材料在塑性變形時(shí)或塑性變形后所發(fā)生的時(shí)效過(guò)程。最常見(jiàn)的是變形后的時(shí)效，叫做“靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效”(Static Strain Aging，簡(jiǎn)稱SSA)；而變形和時(shí)效同時(shí)發(fā)生的過(guò)程，則叫做“動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”(Dynamic Strain Aging，簡(jiǎn)稱DSA)[51]。首先提出DSA理論的是Cotrell和Bilby[57]，即在一定的溫度和應(yīng)變速率下，溶質(zhì)原子可擴(kuò)散至可動(dòng)位錯(cuò)線周圍，起到釘扎位錯(cuò)作用而阻礙其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外加應(yīng)力增加到可以克服這種阻力時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)將突然掙脫溶質(zhì)原子氣團(tuán)的束縛而自由運(yùn)動(dòng)，直到再次被擴(kuò)散的溶質(zhì)原子釘扎。位錯(cuò)與溶質(zhì)原子氣團(tuán)之間“釘扎”和“脫釘”的反復(fù)進(jìn)行，宏觀上表現(xiàn)為流變應(yīng)力的鋸齒形振動(dòng)。通常，動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的宏觀表現(xiàn)特征為[7]：①在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)鋸齒波;②出現(xiàn)屈服應(yīng)力平臺(tái);③出現(xiàn)異常的應(yīng)變-硬化關(guān)系;④出現(xiàn)很低甚至負(fù)的“應(yīng)變速度敏感系數(shù)”。

關(guān)于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效引起的PLC效應(yīng)，學(xué)者們給出了多種解釋。McCormick等認(rèn)為溶質(zhì)原子可能并不具備與位錯(cuò)相當(dāng)?shù)目蓜?dòng)性，它是通過(guò)“管擴(kuò)散”方式向暫時(shí)被障礙(如林位錯(cuò)、晶界等)所阻攔或釘扎的可動(dòng)位錯(cuò)偏聚[58]。位錯(cuò)核周圍的溶質(zhì)原子濃度除依賴于溶質(zhì)原子本身的可動(dòng)性外，還依賴于位錯(cuò)在障礙前的等待時(shí)間。Cottrell[59]和王聰[60]等認(rèn)為，變形過(guò)程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的，只有當(dāng)位錯(cuò)的可動(dòng)性與溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力相近時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)將由于障礙的存在而做短時(shí)停留(釘扎)。隨著變形的進(jìn)行，熱起伏作用將導(dǎo)致位錯(cuò)脫釘，直到遇到下一個(gè)障礙?！皌a”為溶質(zhì)原子有效釘扎可動(dòng)位錯(cuò)所需擴(kuò)散時(shí)間，“tw”可動(dòng)位錯(cuò)在障礙物處的停留時(shí)間，有效形成PLC效應(yīng)的臨界條件可以表示為ta≈tw，如圖5。在塑性變形初期，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較快，tw較小，同時(shí)空位濃度也較低，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力較弱，ta較大，即ta>tw，可動(dòng)位錯(cuò)不能有效被釘扎，應(yīng)力應(yīng)變曲線是光滑的。隨著變形的進(jìn)行，空位濃度增加，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力提高，位錯(cuò)密度增加，可動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率減慢。因此，勢(shì)必會(huì)存在一臨界應(yīng)變?chǔ)與，可使ta≈tw。此時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)能夠有效地被溶質(zhì)原子釘扎，而較高應(yīng)力下脫釘，應(yīng)力松弛后可動(dòng)位錯(cuò)會(huì)被再次釘扎，往復(fù)進(jìn)行，這種應(yīng)力的突然升高和降低，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上則表現(xiàn)為鋸齒狀波動(dòng)，這期間也伴隨著位錯(cuò)的增殖，新形成的位錯(cuò)也會(huì)參與這一往復(fù)過(guò)程，反映在應(yīng)力應(yīng)變曲線上是鋸齒波密集度和鋸齒幅值的改變。若在溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度比位錯(cuò)移動(dòng)速度快的變形條件下(如高溫和低應(yīng)變速率等)，ta將會(huì)小于tw，溶質(zhì)原子對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)將起不到有效釘扎作用，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也會(huì)呈現(xiàn)光滑特征。

圖5　ta和tw隨應(yīng)變?chǔ)抛兓P(guān)系[60]Fig.5　Dependences of ta and tw on strain ε[60]

Picu等對(duì)Mg原子在Al基體中沿位錯(cuò)擴(kuò)散的原子尺度模擬研究表明，在沒(méi)有空位參與時(shí)，溶質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)行得非常緩慢，不能充分釘扎位錯(cuò)[61]。對(duì)于DSA，他提出了新的解釋，即溶質(zhì)原子在林位錯(cuò)處形成團(tuán)簇，而這些團(tuán)簇對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的阻攔導(dǎo)致應(yīng)力的上升，在更大的應(yīng)力下位錯(cuò)才能克服障礙繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)力降低后，新的團(tuán)簇溶質(zhì)原子會(huì)再次阻礙可動(dòng)位錯(cuò)的遷移而導(dǎo)致應(yīng)力的上升，如此反復(fù)過(guò)程是產(chǎn)生鋸齒波的原因。Bross等則從位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)出發(fā)并結(jié)合計(jì)算材料學(xué)解釋了PLC效應(yīng)的產(chǎn)生，認(rèn)為PLC現(xiàn)象的出現(xiàn)可以看作是從單個(gè)位錯(cuò)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)向宏觀位錯(cuò)群的轉(zhuǎn)變[62-63]，所以有必要分析位錯(cuò)間的長(zhǎng)程彈性交互作用。位錯(cuò)在受阻礙的時(shí)間內(nèi)，可動(dòng)位錯(cuò)將受到朝向位錯(cuò)芯核處遷移溶質(zhì)原子額外的釘扎作用，而這些溶質(zhì)原子又將造成可動(dòng)位錯(cuò)脫釘激活能的增加。宏觀上的表現(xiàn)就是應(yīng)力的突然增加和鋸齒的產(chǎn)生。Korbel提出了非熱激活理論，認(rèn)為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是非熱激活過(guò)程[64]。當(dāng)可動(dòng)位錯(cuò)密度較低時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)間的作用力很小并可忽略，而位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速率卻很高；相反，當(dāng)可動(dòng)位錯(cuò)密度足夠大時(shí)，位錯(cuò)之間的相互影響明顯加強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率顯著降低，致使金屬材料的塑性變形會(huì)明顯集中并在試樣的局部位置產(chǎn)生不均勻變形。然而，該模型未考慮溶質(zhì)原子在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中所起的作用。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效能夠引起金屬合金材料的PLC效應(yīng)已被學(xué)者們廣泛接受，而金屬固溶體中第二相的析出與溶解的動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)其塑性行為也有一定影響，可動(dòng)位錯(cuò)切割析出相也會(huì)導(dǎo)致PLC效應(yīng)的發(fā)生[65-66]。與固溶處理后的樣品相比，時(shí)效析出相和位錯(cuò)的交互作用會(huì)促進(jìn)PLC效應(yīng)的產(chǎn)生[67-70]。Kumar和Pink認(rèn)為Al-Li合金中的PLC效應(yīng)主要?dú)w因于固溶原子和析出相與位錯(cuò)的綜合交互作用，并將鋸齒形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成前后兩部分[71]。在變形初始階段，出現(xiàn)的鋸齒形波動(dòng)是由位錯(cuò)和固溶原子的交互作用引起的，而在變形的中后期鋸齒形波動(dòng)主要?dú)w因于位錯(cuò)對(duì)析出相的切割作用。根據(jù)鋸齒波波動(dòng)的幅度，李廷取等將應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的鋸齒波分為兩種，其中，小幅度鋸齒形波動(dòng)的失穩(wěn)現(xiàn)象是由固溶原子與位錯(cuò)的交互作用引起的，而大幅度鋸齒形波動(dòng)的失穩(wěn)現(xiàn)象主要與變形孿晶有關(guān)[72-73]。然而，早期對(duì)Mg-Li-Zn-Y合金的PLC效應(yīng)研究結(jié)果表明，時(shí)效處理后基體中和晶界處析出大量的第二相卻起到弱化合金PLC效應(yīng)的作用[74-76]，如圖6。另外，尹淼等證實(shí)孿晶并不是引起鎂鋰合金PLC效應(yīng)的主導(dǎo)因素[77]。

圖6　不同熱處理狀態(tài)Mg-4Li-6Zn-Y合金拉伸曲線[74]Fig.6　Tensile curves of Mg-4Li-6Zn-Y alloy in different heat treatmentconditions[74]

迄今為止，學(xué)者們對(duì)PLC效應(yīng)的本質(zhì)及其產(chǎn)生的條件，提出了許多物理模型和理論。第1種主要考慮了溶質(zhì)原子和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的相互作用；第2種不僅考慮溶質(zhì)原子的擴(kuò)散作用，還考慮了位錯(cuò)的集體行為；第3種是利用連續(xù)介質(zhì)塑性變形理論對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效進(jìn)行了唯象的解釋；第4種是僅考慮位錯(cuò)之間相互作用的模型；第5種則是詳細(xì)考慮了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效對(duì)流變應(yīng)力影響的錢(qián)-蕭-李模型[7]?？梢?jiàn)，關(guān)于PLC效應(yīng)的理論解釋，學(xué)者們各執(zhí)一詞，認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，但都未離開(kāi)溶質(zhì)原子、可動(dòng)位錯(cuò)、林位錯(cuò)、析出相、孿晶等之間的交互關(guān)系來(lái)闡釋自己的觀點(diǎn)。

6PLC效應(yīng)的影響因素

影響PLC效應(yīng)的因素有多種，尤其是固溶原子和變形溫度等。通常，純金屬中不存在PLC效應(yīng)，這充分說(shuō)明溶質(zhì)原子是發(fā)生PLC效應(yīng)不可或缺的因素。對(duì)于合金材料而言，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所遇的阻力概括起來(lái)主要有以下3種：①位錯(cuò)的點(diǎn)陣阻力，也就是位錯(cuò)在完整晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力；②位錯(cuò)和其它位錯(cuò)的交互作用；③位錯(cuò)與溶質(zhì)原子及第二相的交互作用。如圖7a，可以看出，隨著位錯(cuò)線上能容納溶質(zhì)原子飽和值的增大，出現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)(SRS)的應(yīng)變速率區(qū)間也相應(yīng)地變寬。因此，合金中PLC效應(yīng)的發(fā)生需要具有負(fù)的應(yīng)變率敏感系數(shù)，即在特定的應(yīng)變速率和溫度范圍內(nèi)，其流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而減小[8]。Fujita等研究了不同溶質(zhì)濃度對(duì)Al-Mg合金鋸齒幅度的影響，揭示出鋸齒幅度隨固溶原子含量的增加而增大[78]?？梢?jiàn)，只有當(dāng)位錯(cuò)的可動(dòng)性與溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力相當(dāng)時(shí)PLC效應(yīng)才會(huì)出現(xiàn)[8]。對(duì)于淬火處理的合金材料而言，含有過(guò)飽和濃度的溶質(zhì)原子，可提高溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力，從而增大對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎幾率。

合金材料中PLC效應(yīng)的發(fā)生需要滿足一定溫度條件[7]，如圖7b，當(dāng)溫度低于T1(T1=-Qm/kln(a2/12D0)，式中“Qm”為溶質(zhì)原子偏聚的激活能；“a”為晶格常數(shù)；“D0”為擴(kuò)散常數(shù)；“k”為Boltzmann常數(shù))時(shí)溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度極慢(甚至無(wú)法擴(kuò)散)，很難在有限的時(shí)間tw內(nèi)形成足夠大的氣團(tuán)；當(dāng)溫度高于T2(T2=umax/kln(c0/cs)，式中“umax”為溶質(zhì)原子和位錯(cuò)的最大交互作用能；“cs”為位錯(cuò)線上的飽和溶質(zhì)濃度；“c0”為溶質(zhì)的平均濃度)時(shí)，溶質(zhì)氣團(tuán)將蒸發(fā)或不足以達(dá)到釘扎位錯(cuò)所要求的濃度。因此，在這兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)PLC效應(yīng)。溫度越低，原子擴(kuò)散越困難，PLC效應(yīng)發(fā)生時(shí)所需的臨界應(yīng)變量也越大[7-8]。在對(duì)鎂鋰合金PLC效應(yīng)的研究中[7]，李傳強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)在高溫變形條件下，擠壓態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)Mg-Li-Zn-Y合金的PLC效應(yīng)鋸齒幅值均明顯減弱[74-75]。

圖7　負(fù)SRS的應(yīng)變速率區(qū)間與飽和溶質(zhì)原子濃度Cm的關(guān)系(a)[8],出現(xiàn)鋸齒屈服的應(yīng)變速率-溫度范圍(b)[7]Fig.7　Plots of the strain rate range of negative SRS vs saturation solute concentration Cm(a)[8], the strain rate-temperature range of serrated yielding(b)[7]

溫度升高對(duì)應(yīng)力幅度的影響有兩個(gè)方面，其一是增大固溶原子的擴(kuò)散速率，使位錯(cuò)的時(shí)效程度在較短的時(shí)效時(shí)間內(nèi)增大，較高應(yīng)力下才能脫釘；其二是增大位錯(cuò)的可動(dòng)性，較低應(yīng)力下就能脫釘。在對(duì)6013鋁合金的研究中，鄭玉林發(fā)現(xiàn)隨著變形溫度的升高，鋸齒應(yīng)力幅值和鋸齒周期明顯降低，但延伸率略有增加[79]。在對(duì)Al-Li單晶體鋸齒流變行為的研究中，田寶輝等揭示出溫度對(duì)鋸齒的頻率和幅度的影響機(jī)制：① 溫度上升使位錯(cuò)的熱起伏運(yùn)動(dòng)加劇，脫釘?shù)目赡苄栽黾?；②Li原子的擴(kuò)散速率隨溫度的升高而增大，對(duì)位錯(cuò)的釘扎更為容易；③交滑移更加頻繁的發(fā)生。所有這些因素使鋸齒頻率隨溫度的升高而上升[38]。

另外，初始位錯(cuò)密度越高PLC效應(yīng)越不易發(fā)生。例如，室溫下應(yīng)變速率為6.67×10-5～6.67×10-2s-1時(shí)，熱軋態(tài)Mg-14.3Li-0.8Zn合金不會(huì)出現(xiàn)PLC效應(yīng)，但固溶處理后將在同樣的變形條件下出現(xiàn)PLC效應(yīng)[80]。晶粒長(zhǎng)大在一定程度上也能弱化PLC效應(yīng)[81-82]。對(duì)軋制態(tài)GZ31鎂合金進(jìn)行不同溫度的退火處理后，吳迪等發(fā)現(xiàn)較大晶粒尺寸可減弱PLC效應(yīng)[82]。此外，不同晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)合金PLC效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。例如，密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)的單相鎂鋰合金存在PLC效應(yīng)[27, 60, 74-77]，而密排六方(HCP)+ 體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的雙相鎂鋰合金卻不存在PLC效應(yīng)[74, 77, 83-84]。同時(shí)，應(yīng)變速率也會(huì)影響PLC效應(yīng)。早期的研究結(jié)果表明，應(yīng)變速率不僅會(huì)改變Mg-Li合金PLC效應(yīng)鋸齒波的類型，而且會(huì)影響其臨界應(yīng)變速率[77, 74]，如圖8。對(duì)于時(shí)效態(tài)Mg-Li-Zn-Y合金而言，當(dāng)應(yīng)變速率由1×10-2s-1降至1×10-4s-1時(shí)，PLC效應(yīng)將會(huì)出現(xiàn)[77]，如圖9。

圖8　Mg-4Li-6Zn-Y合金不同應(yīng)變速率時(shí)拉伸曲線[77]Fig.8　Tensile curves of Mg-4Li-6Zn-Y alloy with different strainrates[77]

圖9　時(shí)效態(tài)Mg-4Li-6Zn-Y合金不同應(yīng)變速率時(shí)拉伸曲線[74]Fig.9　Tensile curves of as-aged Mg-4Li-6Zn-Y alloy with different strain rates [74]

7結(jié)語(yǔ)

早期學(xué)者對(duì)PLC效應(yīng)的研究結(jié)果表明，對(duì)金屬材料鋸齒屈服現(xiàn)象的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍存在很多不足之處，主要體現(xiàn)在如下6個(gè)方面：(1)對(duì)PLC效應(yīng)的認(rèn)識(shí)深度不夠，大都只是對(duì)鋸齒現(xiàn)象的表觀描述，缺少直接實(shí)驗(yàn)性證據(jù)；(2)實(shí)驗(yàn)手段不足，雖然報(bào)道了多種實(shí)驗(yàn)方法可以對(duì)PLC效應(yīng)進(jìn)行表征，但通常僅采用單個(gè)實(shí)驗(yàn)方法，沒(méi)有綜合運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)手段對(duì)PLC效應(yīng)進(jìn)行多方位綜合表征；(3)理論解釋缺乏實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，大都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和材料的原始組織進(jìn)行一些推測(cè)，并沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料微觀組織的動(dòng)態(tài)演化做支撐。(4)雖然存在多種PLC效應(yīng)的影響因素，但對(duì)這些影響因素的認(rèn)識(shí)較淺，學(xué)者們各執(zhí)一詞，沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，且這些因素的影響程度如何、哪個(gè)是主導(dǎo)因素等并未澄清；(5)早期研究忽略了晶體結(jié)構(gòu)對(duì)PLC效應(yīng)的影響，而密排六方(HCP)、體心立方(BCC)、面心立方(FCC)等晶體結(jié)構(gòu)材料的PLC效應(yīng)微觀機(jī)制是否一致尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證明；(6)在材料改進(jìn)方面尚未找到有效弱化或消除PLC效應(yīng)的方法。鑒于此，需要進(jìn)一步結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)手段對(duì)PLC效應(yīng)及其微觀機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，需深入研究不同晶體結(jié)構(gòu)及微觀組織對(duì)PLC效應(yīng)的影響規(guī)律及作用程度，需確定PLC效應(yīng)出現(xiàn)的臨界應(yīng)變和溫度條件，以加深我們對(duì)PLC效應(yīng)的理論認(rèn)識(shí)深度，最終獲得可避免PLC效應(yīng)的不同組織結(jié)構(gòu)合金材料及其相應(yīng)的加工處理工藝，進(jìn)而使金屬材料的綜合力學(xué)性能和加工性能得以顯著改善。

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(編輯惠瓊)

Research Progress on the Plastic InstabilityPhenomenon of Metal Materials

XU Daokui1，LI Chuanqiang1,2，HAN Enhou1，Wang Lei2

(1.Environmental Corrosion Center, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)(2.School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Abstract：The phenomenon of plastic instability or Portevin-Le Chatelier (PLC) effect showing a serrated wave on the stress-strain curve and accompanied with the propagation of strain localization in space can widely occur in many metal materials and induce sags and crests on the surface of materials during serrated flow, resulting in a degradation of the whole plasticity. On the basis of its space-time characteristics, the serrated wave can be divided into A, B and C types. At present, it mainly exists two main theoretical models, i.e. dynamic strain aging (DSA) and dislocation cutting mechanism for the explanation of the PLC effect. In this paper, the emphasis will be put on the research progress of the PLC effect occurred in the traditional metal materials. Moreover, the recent research work about effects of microstructure, strain rate, stress state and micro mechanism on the PLC effect of metallic materials are reviewed and concluded. Finally, the existing problems in the current study, the research emphasis，direction in the future are also pointed out.

Key words：metal materials; Portevin-Le Chatelier effect; serrated flow; dynamic strain aging (DSA)

中圖分類號(hào)：TG131

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)1674-3962(2016)03-0219-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171192，51271183，51301172)；科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB632205)；中國(guó)科學(xué)院金屬研究所創(chuàng)新基金

收稿日期：2015-02-11

第一作者：許道奎，男，1980年生，研究員，Email：dkxu

@imr.ac.cn