金屬相變超塑性的研究進展

謝文玲，周順勇，郭翠霞，李秀蘭

（四川理工學院a.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室；b.人工智能四川省重點實驗室，四川自貢643000）

金屬相變超塑性的研究進展

謝文玲a，周順勇b，郭翠霞a，李秀蘭a

（四川理工學院a.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室；b.人工智能四川省重點實驗室，四川自貢643000）

綜述了國內外金屬相變超塑性的研究現狀，包括金屬相變超塑性的實現條件、影響因素和太合金變形機制，提出了相變超塑性的研究方向。

相變超塑性；影響因素；變形機制

引言

超塑性現象于1912年開始有所報導［1］，至今已超過百年?！俺苄浴边@一名詞是在1945年，由前蘇聯科學家Andrei A，Bochrar和Zojia A.Sviderskaj［2］等發現Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率而提出的。1964年，美國的Backofen［3］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。已發現的超塑性材料很多，包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、超高碳鋼、金屬間化合物、金屬基復合材料、陶瓷材料等。從上世紀六十年代起，各國學者在超塑性材料、力學、機理、成形等方面進行了大量的研究。

眾所周知，目前的金屬超塑性研究以組織超塑性為主［4-9］。通常認為，當金屬晶粒尺寸小于l0μm，變形溫度T＞0.5 Tm，應變速率控制在10-4～10-1s-1范圍內時出現組織超塑性。組織超塑性的優點在于恒溫下易于操作，故大量應用于超塑性成形［5，10-11］，但其最主要的缺點是需要晶粒的微細化預處理。相變超塑性則無須材料具備超細晶粒，因而在工業生產中具有廣闊的應用前景。本文從相變超塑性的實現途徑、影響因素出發，探討了金屬相變超塑性的實現機制和研究方向。

1 金屬相變超塑性的實現條件

相變超塑性也稱動態超塑性，是指在其相變發生和進行時，施加低應力就會產生的現象［12］，與組織超塑性不同的是，它不要求材料具備超細晶粒，但必須滿足以下條件∶（1）材料必須具有固態相變；（2）在一定的外加載荷作用下，通過在相變溫度上下循環加熱和冷卻來誘發材料產生反復的組織結構變化來獲得超塑性［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（材料必須具有固態相變）、作用應力σ、熱循環幅度ΔT（ΔT=Tmax-Tmin）、熱循環頻率ΔT/t（即加熱-冷卻的速度）以及循環次數N等。由于相變超塑性是在相變溫度上下進行反復的升溫與降溫而產生的，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用中。

2.1 材質

金屬相變超塑性要求材料必須具有固態相變。固態相變的種類很多，包括純金屬的同素異構轉變，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溫度循環產生超塑性，此外還包括有序和無序轉變、固溶和脫溶等。如利用α?γ、α′?γ、α′?α+β等相變循環實現超塑性［9，14-20］。

2.2 應力

相變超塑性中的應力可來源于幾個方面∶（1）相互轉變的兩相其比容或密度不同將導致在相變過程中相伴發生體積膨脹或收縮，從而產生應力；（2）組織結構不均勻、兩種相的強度或硬度不同，變形可能不均勻，也會在金屬中引起應力；（3）反復加熱和冷卻過程中的膨脹和收縮產生的應力。

從相變超塑性的定義出發，只要求在相變循環過程中有應力作用與之同步，并未明確提出應力大小與相變超塑性之間的關系，因此研究較少［20］。陽永春等研究T8鋼獲得相變超塑性時的流動應力為38.5 MPa［9］，經預先調質處理的30CrMnSiA鋼超塑性獲得最大延伸率時的應力為55 MPa［17］，經預調質處理的GCr15鋼超塑性獲得最大延伸率達800%時的流動應力為24 MPa［21］，劉宇慧［18］等研究Zn-5Al合金直接采用了0.6～1.6 MPa的應力并獲得了相變超塑性，從上述結果看出現有的相變超塑性研究均采用的是小應力。

2.3 熱循環幅度ΔT（ΔT=Tmax-Tmin）

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

研究［22］發現，若下限溫度不變，隨著上限溫度的下降，ΔT減小，伸長率急速下降，當上限溫度低于相變溫度以下時，由于不發生相變使伸長率下降為零；上限溫度不變，若下限溫度低于相變溫度，下限溫度的變化對伸長率的影響不明顯，當下限溫度高于相變溫度時，因不再發生相變，伸長率為零。

在相變超塑性中，熱循環的目的是獲得反復相變，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Zn-5%Al共晶合金則采用了Tmin為20℃，Tmax為350℃的大熱循環幅度進行拉伸時也產生了超塑性［15］。

2.4 熱循環頻率ΔT/t

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

2.5 循環次數N

相變超塑性的實現主要是由于材料在相變循環過程中產生的塑性積累，因此，總延伸率的大小一般取決于相變循環周期數N，循環次數越多，材料的總延伸率越高。

3 相變超塑性實現機制

與組織超塑性相比，迄今為止，對于相變超塑性變形機制的研究比較少［18，22，24］。但隨著相變超塑性在生產實際中的廣泛應用，相變超塑性變形機制將是今后研究的一個重點。

組織超塑性的晶界滑移變形機制也適用于相變超塑性。李世春［24］提出了溶解-擴散層理論，他認為Zn -5Al共晶合金的超塑性變形機制是α/β相界滑移。在超塑性溫度時，β相中的Zn經擴散溶入到α相中，從而在α/β界面間形成擴散-溶解層α′，并對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，相界滑移不易進行，當α′達到飽和溶解度時，變形抗力達到最大值。

Becker認為相變超塑性屬于非晶質流動，在相變中新舊兩相界面有空隙產生，因此相變超塑性適用于高溫位錯蠕變機制。

Greenwood和Johnson模型則假定發生相變的材料為非理想材料，金屬中有強、弱兩相共存時，在內應力和外加應力作用下塑性流動發生在弱相中，并得到每發生一次相變所產生的應變ε和外加應力σ之間的關系為∶

4 相變超塑性的研究方向

由于相變超塑性無需超細晶粒、高溫變形和低應變速率，所以在材料前期準備上具有優勢，是今后研究的熱點。

4.1 新型相變超塑性材料及新工藝的開發

現相變超塑性研究采用的是α?γ、α′?γ、α′?α+β相變循環實現超塑性，工藝單一，相變類型少。從相變超塑性實現的條件出發，只要能滿足實現相變超塑性的兩個條件（應力作用與相變循環）就能實現超塑性，因此今后相變超塑性的研究將重在開發新型相變超塑性材料及新工藝，并找出其產生超塑性的能力的程度。

4.2 相變超塑性的機制研究

與相變超塑性在工業上的應用相比，目前相變超塑性的機制研究較少，還未取得較為統一的認識。只有正確認識相變超塑性的微觀機制，才能從根本上掌握相變超塑性，從而更好地應用相變超塑性。而在相變超塑性的機制研究中，今后的研究重點將在相變循環過程中的應力、溫度、材料組織等對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 結論

（1）相變超塑性的實現必須滿足以下條件∶（1）材料必須具有固態相變；（2）在一定的外加載荷作用下，在相變溫度上下循環加熱和冷卻來誘發材料產生反復的組織結構變化。

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

（3）目前相變超塑性的實現機制研究較少，是今后相變超塑性研究的方向，此外，開發新型相變超塑性材料及其新工藝也是以后的研究熱點。

［1］Bengough G D.A study of the properties of alloys at high temperature［J］.Inst Metals'1912'(7）:123-174.

［2］季霍諾夫A C.金屬與合金的超塑性效應［M］.劉春林'譯.北京:科學出版社'1983.

［3］BackofenW A'Turner IR'Avery D H.Superplasticity in an A l-Zn A1 loy［J］.Trans.ASM'1964'(57）:980-990.

［4］Sergueeva AV'Stolyarov VV'Valiev R Z'et al.Mukherjee Superplastic behavior of ultrafine-grained Ti-6A l-4Valloy［J］.Mater Sci EngA'2002'323:318-325.

［5］黃幸.Fe-25Mn-6Si-5Cr合金的稀土改性及馬氏體相變［D］.上海:上海交通大學'2004.

［6］［美］約翰J.伯克'沃克·威斯.超細晶粒金屬［M］.王燕文'張永昌'譯.北京:國防工業出版社'1982.

［7］肖凱'陳拂曉'楊永順'等.鑄態鉛黃銅準超塑性拉伸組織變化的研究［J］.熱加工工藝'2007'36(13）:1-4.

［8］張寒.Mn-Si-Cr系超高強鋼的超塑性及性能優化［D］.北京:清華大學'2011.

［9］陽永春'何錦學.T8鋼的恒溫相變超塑性［J］.熱加工工藝'1993(4）:7-8.

［10］Dunand D C'Myojin S.Biaxial deformation of Ti-6A l-4V and Ti-6A l-4V/TiC composites by transformationmismatch superplasticity［J］.Mater Sci Eng A'1997' 230:25-32.

［11］Sergueeva AV'Stolyarov V V'Valiev R Z'et al. Enhanced superplasticity in a Ti-6A l-4V alloy processed by severe plastic deformation［J］.Scripta Materialia'2000'43:819-824.

［12］劉勤.金屬的超塑性［M］.上海:上海交通大學出版社'1989.

［13］魯世紅.惲君璧共析鋼的相變超塑性擴散連接［J］.南京航空航天大學學報'2001'33(6）:555-559.

［14］劉宇慧'李世春'石志強.鑄態Zn-5A l合金相變超塑性的初步研究［J］.金屬熱處理'2004'29(3）:40-42.

［15］石志強'李世春'劉宇慧.熱循環頻率對鑄態Zn-A l合金相變超塑性的影響［J］.石油大學學報:自然科學版'2004'28(3）:69-74.

［16］石志強'劉宇慧'李世春.熱處理對鑄態Zn-5%25A l合金的相變超塑性的影響［J］.材料工程'2004'6:33-36.

［17］陽永春'何錦學.30CrMnSiA鋼的恒溫相變超塑性［J］.材料工程'1993(11）:12-13.

［18］劉宇慧.Zn-5A l合金相變超塑性研究［D］.山東:華東石油大學'2003.

［19］Yang K L'Huang JC'Wang Y N.Phase transformation in theβphase of superα2Ti3Al base alloys during static annealing and superplastic deformation at 700～1000℃［J］.Acta Mater'2003'51:2577-2594.

［20］尹鐘大'周永康.18Ni馬氏體時效鋼的相變超塑性［J］.金屬學報'1992'28(2）:A57-A61.

［21］陽永春'何錦學.軸承鋼GCr15的恒溫相變超塑性［J］.熱加工工藝'1994'11(2）:23-24.

［22］劉勤.流變應力的應變速率敏感性指數(m）及其和超塑性之間的關系［J］.機械工程材料'1994(2）:59-69.

［23］劉建華'李志遠'胡倫驥'等.鋼鐵材料的相變超塑性焊接［J］.華中理工大學學報'1995'23(1）:15-19.

［24］李世春.Zn-A l共晶合金超塑性的研究［D］.北京:清華大學'2000.

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

國家自然科學青年基金（51301115）；四川理工學院校級項目（2012PY06）；四川理工學院人才引進項目（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