金屬所鋁合金低溫超塑性變形機制研究取得新進展

　　最近，沈陽材料科學國家（聯合）實驗室博士研究生劉峰超在導師馬宗義研究員的指導下，對攪拌摩擦加工（FSP）超細晶鋁合金的低溫超塑性進行了深入細致的研究，取得了一系列重要進展，相關論文先后發表在Acta Materialia（58, 14 (2010) 4693-4704.）、Scripta Materialia（62, 3 (2010) 125-128；60, 11 (2009) 968-971；58, 8 (2008) 667-670）等期刊上。

　　超塑性是指多晶體金屬材料在拉伸條件下，表現出異常高的延伸率而不產生頸縮斷裂的現象，一般認為當延伸率大于200%并且應變速率敏感指數大于0.3時，材料即具有超塑性。超塑成型已逐步發展成為一種成熟的工件整體成型工藝，在汽車航空等領域得到廣泛應用。傳統細晶鋁合金超塑成型溫度大于0.8Tm（Tm為鋁的絕對熔點，0.8Tm為473oC）。高溫超塑成型不僅浪費能源，還導致晶粒粗化、表面溶質原子損失，降低了成型后工件的力學性能，如果能在較低溫度下進行超塑成型則可有效克服這些不足。低溫超塑性是指在0.5Tm以下溫度取得的超塑性，鋁合金的0.5Tm為194oC。然而對鋁合金，取得真正意義上的低溫超塑性是非常困難的，目前公開報道的各種加工技術制備的細晶鋁合金低溫超塑性的最低溫度均大于200oC，因此350oC以下的超塑性一般就被認為是低溫超塑性。

　　中科院金屬研究所科研人員選擇Al-Zn (7075)、Al-Mg (Al-5.3Mg-0.23Sc, Al-4Mg-1Zr) 和Al-Cu (2219)三種典型鋁合金體系進行了研究。結果表明，超細晶尺度是獲得鋁合金低溫超塑性的前提，而合金中彌散粒子的熱穩定性及尺度和含量是決定超塑性的關鍵。高密度彌散粒子不僅可有效阻止FSP過程中再結晶晶粒的生長，保證獲得超細晶結構，而且在超塑變形過程中可有效抑制晶粒長大，確保獲得良好的低溫超塑性。對于2219Al合金，Al2Cu粒子熱穩定性差，無法有效抑制晶粒長大，因而不能在350oC以下取得超塑性；對于7075Al合金，具有較好熱穩定性的含Cr彌散粒子能比較有效地抑制晶粒長大，所以可在200-350oC獲得較好的低溫超塑性；而對Al-5.3Mg-0.23Sc和Al-4Mg-1Zr合金，Al3Sc和Al3Zr粒子具有良好的熱穩定性，能有效抑制晶粒長大，因而可在175oC獲得超塑性，突破了鋁合金低溫超塑性的200oC溫度限。

　　超塑性本構方程預測，隨實驗溫度升高，最佳超塑應變速率增加。然而由于細晶結構在高溫下容易粗化，這一預測一直沒有得到很好的實驗驗證。即使對于含有熱穩定性好的Al3Sc的Al-5.3Mg-0.23Sc合金，由于彌散粒子密度不夠高，超細晶在350oC以上異常長大，導致超塑性消失，仍不能驗證上述預測。采用含有更多Al3Zr彌散粒子的FSP超細晶Al-4Mg-1Zr進行的研究表明，該合金顯示出優異的熱穩定性，即使在高溫下退火，晶粒也無明顯長大，在175-425oC的廣泛溫度范圍內，表現出良好的低溫/高應變速率超塑性，最佳超塑性應形速率、最大延伸率和應變速率敏感指數m隨溫度T升高而增加。通過超塑性數據統計分析，建立了和T之間的定量關系：(C是與材料和結構相關的常數)，這為超塑性本構方程中溫度影響的理論預測提供了直接的實驗驗證。

　　鋁合金高溫超塑性的主要變形機制為晶界滑移，對應的m值一般為0.5。而低溫超塑性的m值在0.3-0.4之間，明顯低于晶界滑移機制對應的m值。目前對于鋁合金低溫超塑性的變形機制仍然存在較大爭議，認為可能的機制包括粘性位錯蠕變、溶質原子拖曳蠕變、晶界滑移、位錯蠕變等，但均缺乏直接實驗證據。拋光樣品表面刻痕法是定量估算晶界滑移在超塑性變形中貢獻的有效方法。傳統上，采用金剛石微粉（~3mm）在拋光樣品表面手工制備刻痕。然而，這樣的刻痕方法由于線條太粗不適合晶粒尺寸只有幾百納米的超細晶材料，更重要的是手工刻痕很難保證刻痕線與拉伸軸嚴格平行，使得定量估算結果存在較大誤差。他們首次采用納米壓痕儀在拉伸樣品表面刻痕的方法定量評價了晶界滑移在低溫超塑變形中所占比率。定量計算表明，即使在175oC低溫下，超塑變形初期晶界滑移對應變的貢獻超過50%，隨變形量增大和變形溫度提高，晶界滑移的貢獻增大。這為多年來晶界滑移在低溫下能否發揮作用的爭議畫上了句號。

　　由于超細晶結構在高溫下易于粗化，很難在高溫區取得超塑性，而低溫超塑性變形機制又存在較大爭議，因而一直沒有建立適用于超細晶鋁合金超塑變形的本構方程。在晶界滑移實驗觀察和定量估算的基礎上，對一系列FSP超細晶鋁合金的超塑性數據進行了分析，發現超細晶鋁合金低溫和高溫超塑變形機制均以晶界滑移為主，其變形速率受晶格擴散（QL = 142 kJ/mol）控制，這與細晶鋁合金的晶界擴散控制（Qgb = 84 kJ/mol）機制是不同的。從而建立了具有廣泛適用性的超細晶鋁合金的超塑性本構方程：

　　在獲得超細晶鋁合金的超塑性本構方程和和T之間的定量關系后，再結合已有的細晶鋁合金的超塑性本構方程，構建了FSP鋁合金的超塑性變形機制圖，為設計不同晶粒尺寸鋁合金獲得優良超塑性提供了依據。

上述工作對于澄清超細晶鋁合金的變形機制、指導超塑性鋁合金的微觀結構及超塑成型工藝的優化具有重要指導意義。