[科普中國]-超塑性

定義

從歷史上看，沒有普遍接受的超塑性定義。過去有人把伸長(zhǎng)率大于100%，應(yīng)變速率敏感性指數(shù)大于0.33定義為超塑性。在1991年日本大阪先進(jìn)材料超塑性國際會(huì)議上提出如下超塑性定義：超塑性指多晶材料以各向同性方式表現(xiàn)出很高的拉斷伸長(zhǎng)率的能力。2009年美國Langdon教授在大阪定義的基礎(chǔ)上給出了新的超塑性定義：超塑性指多晶材料以各向同性方式表現(xiàn)出很高的拉斷伸長(zhǎng)率的能力。測(cè)量的超塑性伸長(zhǎng)率通常至少400%以上以及測(cè)量的應(yīng)變速率敏感性接近0.5。同時(shí)把伸長(zhǎng)率100%~300%和應(yīng)變速率敏感性0.33的黏性滑移蠕變定義為準(zhǔn)超塑性或類超塑性。不少英文文獻(xiàn)報(bào)道，超塑性是指材料在一定的組織條件下和一定的溫度和應(yīng)變速率條件下表現(xiàn)出無明顯縮頸的異常高的塑性的能力。通常，晶粒尺寸小于10μm。變形溫度T≥0.5Tm，Tm為熔點(diǎn)。應(yīng)變速率為 。1

歷史超塑性的歷史也許可以追溯到公元前2200年的青銅器時(shí)代。Geckinli推算早在青銅器時(shí)期土耳其使用的含As 10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的青銅就是超塑態(tài)的。這是因?yàn)檫@些材料是雙相合金，在手工熱鍛的過程中產(chǎn)生了超塑性所需要的穩(wěn)定的細(xì)晶組織，從而得到各種復(fù)雜形狀的鍛件。

不僅如此，Wadsworth和Sherby等發(fā)現(xiàn)從公元前300年到19世紀(jì)一直使用的大馬士革刀，其成分與現(xiàn)代超高碳鋼十分相似，而后者最近才發(fā)現(xiàn)超塑性。

上述情況是人們對(duì)超塑性現(xiàn)象出現(xiàn)的推測(cè)。真正在文獻(xiàn)中報(bào)道大延伸現(xiàn)象的足1912年美國物理實(shí)驗(yàn)?zāi)?NPL)科學(xué)家Bengough發(fā)表的論文，他認(rèn)為“某種特殊的黃銅像玻璃一樣拉到一個(gè)細(xì)點(diǎn)，獲得了極大的伸長(zhǎng)率”。考察他的原始工作發(fā)現(xiàn)，他描述了α+β黃銅在700℃表現(xiàn)出了163%,的最大伸長(zhǎng)率。1934年英國的Pearso在擠壓態(tài)Bi-Sn合金中獲得了1950%的伸長(zhǎng)率。Pearson被西方學(xué)者認(rèn)為是超塑性的創(chuàng)始人。1945 年蘇聯(lián)的Baocvar和Sviderskaya在研究論文中把這種大延伸現(xiàn)象定義為“超塑性”，論文發(fā)表后被1945年的美國化學(xué)文摘（Chemical Abstract）收錄，從此，超塑性這一名詞沿用至今。1

實(shí)現(xiàn)條件許多材料，包括在通常的變形條件一F非常脆的金屬間化合物及陶瓷材料在一定條件下也能表現(xiàn)出超塑性。實(shí)際上，所有的材料在某些特定的顯微組織，溫度及變形速率條件下都可以呈現(xiàn)出超塑性，只是對(duì)某些材料而言，發(fā)生超塑性的條件限制在一個(gè)很窄的溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)，在通常情況下難以滿足而已，對(duì)大量里的超塑性事例的分析表明，為了使材料獲得超塑性，通常應(yīng)滿足以下3個(gè)條件:

(1)變形在不低于0.5Tm（Tm為材料的熔點(diǎn)）的溫度下進(jìn)行。

(2)加載應(yīng)變速率 低。一般在 的范圍。

(3)材料具有等軸狀細(xì)小晶粒(10μm以下)的微觀組織，且晶粒尺寸比較穩(wěn)定，在變形過程，不顯著長(zhǎng)大。

應(yīng)該指出，上述產(chǎn)生超塑性的條件并非是絕對(duì)的。例如，Mg-8%Li合金在 應(yīng)變速率下得到了延伸率為116%的室溫超塑性。顯然，材料的室溫超塑性或高應(yīng)變率超塑性對(duì)超塑性加工成型有更大的工程意義。2

分類按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件（組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等）分類，主要可分為3類超塑性：組織超塑性、相變超塑性和其他超塑性。

(1)組織超塑性

在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是組織超塑性，又稱為細(xì)晶超塑性或恒溫超塑性。產(chǎn)生組織超塑性通常需要具備3個(gè)條件：

①要求材料具有均勻的、細(xì)小的等軸晶粒，產(chǎn)晶粒尺寸通常小于10μm，并且在超塑性溫度下晶粒不易長(zhǎng)大，即所謂穩(wěn)定性好；

②要求變形溫度T>0.5Tm，（Tm為材料熔點(diǎn)溫度，以熱力學(xué)溫度表示），并且在變形時(shí)溫度保持恒定；

③應(yīng)變速率低（ ），要比材料常規(guī)拉伸試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變速率至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

組織超塑性對(duì)應(yīng)變速率和變形溫度很敏感，此類材料只有在一定的應(yīng)變速率和變形溫度范闈內(nèi)才能表現(xiàn)出最好的超塑性。

(2)相變超塑性

相變超塑性義稱為動(dòng)態(tài)超塑性或環(huán)境超塑性，是指材料在變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)境下受到應(yīng)力作用時(shí)，經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變而得到很大的延伸率。其必要條件是應(yīng)具有固態(tài)相變的特性，且在外載荷作用下，通過相變溫度下循環(huán)加熱與冷卻誘發(fā)產(chǎn)生反復(fù)的組織結(jié)構(gòu)變化，使金屬原子發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)而呈現(xiàn)超塑性。相變超塑性不要求材料具有微細(xì)等軸晶粒，但要求變形溫度頻繁變化，這會(huì)給生產(chǎn)帶來困難，因此在應(yīng)用上受到限制。目前對(duì)相變超塑性的研究較少，理論還不夠成熟。

(3)其他超塑性

近年來發(fā)現(xiàn)普通非超塑性材料往一定條件下快速變形時(shí)，也能顯示出超塑性。這種金屬材料在一定條件下出現(xiàn)短時(shí)間的細(xì)而穩(wěn)定的等軸晶粒組織并顯示出超塑性的現(xiàn)象，稱為短暫超塑性或者臨時(shí)超塑性。此外還有一些材料在消除應(yīng)力退火過程中，在應(yīng)力作用下也可以得到超塑性。3