【正文】 。另一方面，顯微孔洞也能松弛晶界處的應(yīng)力集中，協(xié)調(diào)晶界滑動。關(guān)于孔洞的長大，Backoften 認(rèn)為是應(yīng)力（主要沿晶界）促進(jìn)空位擴(kuò)散機(jī)理和孔洞周圍塑性變形機(jī)理共同作用促進(jìn)孔洞長大。研究表明，孔洞在其形核或長大初期受到空位擴(kuò)散的控制，但在較大的拉伸應(yīng)變量下孔洞長大可能受晶界滑動所控制。在發(fā)生大范圍連接之前（孔洞體積分?jǐn)?shù)低于某一定值時） ，孔洞對晶界滑動有協(xié)調(diào)作用，對拉伸伸長率有促進(jìn)；當(dāng)孔洞發(fā)生大范圍連接時，試樣截面已減少到無法承受外加應(yīng)力的作用程度，便由于孔洞的存在使試樣斷裂。超塑性拉伸試樣的斷裂形式有兩種，一種是試樣逐漸拉成細(xì)絲狀，最后以“點(diǎn)”形式斷裂，這樣的拉伸試樣往往能顯示出擴(kuò)展頸縮和很高的伸長率和斷面收縮率；另一種是當(dāng)試樣中孔洞尺寸和數(shù)量超過某一臨界值后，會發(fā)生孔洞的快速失穩(wěn)，這時由于孔洞的連接和聚合，便在未出現(xiàn)明顯頸縮的情況下發(fā)生試樣突然斷裂，即呈類脆性斷裂。金屬多晶體的斷裂可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。在超塑性變形時發(fā)生的斷裂一般認(rèn)為是沿晶斷裂。從宏觀的力學(xué)角度看，可以把超塑性變形中發(fā)生的斷裂看作是一種縮頸造成的流變失穩(wěn)的結(jié)果?？傊?，超塑性變形時材料內(nèi)部所產(chǎn)生的這些變化，基本上可以看作是在外加應(yīng)力和熱激活共同作用下晶體的點(diǎn)缺陷(空位)、線缺陷(位錯)和面缺陷(相界、晶界)的運(yùn)動和相互作用的結(jié)果。 超塑性變形機(jī)理超塑性變形機(jī)理所討論的是超塑性流變期間材料內(nèi)部原子或原子群的運(yùn)動過程和方式。超塑性流變可以是晶粒內(nèi)沿晶面產(chǎn)生的滑移，也可以是沿晶界（或相界）產(chǎn)生的晶界滑動（或相界滑移） ，它們都和位錯以及點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）的存在、產(chǎn)生和運(yùn)動等有密切關(guān)系。晶界（或相界）間除滑動外，還有遷移運(yùn)動，后者表現(xiàn)為晶粒的大小及形狀的改變 [2]。由于超塑性變形機(jī)理非常復(fù)雜，到目前為止還沒有形成一個統(tǒng)一的能完善解釋所有合金的一切超塑性變形行為的理論。不同的材料在不同的實(shí)驗(yàn)條件下也可能有不同的機(jī)理。以下介紹一些有代表性的超塑性變形機(jī)理。（1） 擴(kuò)散蠕變機(jī)理此理論又稱空位蠕變理論，原為高溫蠕變理論的一種，后來又把它應(yīng)用于超塑性。此理論認(rèn)為，高溫時位錯密度很小，由于應(yīng)力低，位錯能動性也差，因而位錯運(yùn)動不可能成為超塑性變形的主要形式；但是，超塑性變形時，材料內(nèi)部存在著大量的過飽和空位，因而應(yīng)力梯度所引起的空位擴(kuò)散流可以成為超塑性變形的主要形式。在這種理論中，連續(xù)變形是由空位在外加應(yīng)力場中作定向運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。而空位運(yùn)動導(dǎo)致原子向相反方向的擴(kuò)散遷移，如圖 21 (a)、(b)所示。擴(kuò)散蠕變有兩種類型，一為晶內(nèi)擴(kuò)散型(又稱體擴(kuò)散型)；一為晶界擴(kuò)散型(又稱沿晶擴(kuò)散型)，下面分別就這兩種擴(kuò)散進(jìn)行一些說明。 （a）晶內(nèi)擴(kuò)散 （b）晶界擴(kuò)散圖 21 擴(kuò)散蠕變模型（a）晶內(nèi)擴(kuò)散型 此類擴(kuò)散又稱 Nabarro—Herring 型。此模型認(rèn)為，在外加拉應(yīng)力 σ 作用下，在橫向晶界 AB 和 CD 上形成空位比在側(cè)向晶界 AEC 和 BFD 上形成空位在能量上更有利，因而在這兩類晶界上產(chǎn)生的空位濃度不同。橫向晶界的空位濃度高，側(cè)向晶界的空位濃度低。這種濃度差會導(dǎo)致橫向晶界的空位穿過晶粒內(nèi)部向縱向晶界流動。由于外力 σ 持續(xù)的作用，橫向晶界的空位不斷流向側(cè)向晶界，而原子則向相反的方向流動，結(jié)果晶粒被拉長了、變窄。理論上由這種穿過晶體內(nèi)部擴(kuò)散的空位流所產(chǎn)生的應(yīng)變速率為 121DkTdA????? （26）式中 A1為常數(shù)，Ω 為原子體積，k 為波爾茨曼常數(shù)，T 為絕對溫度，d 為晶粒尺寸，D 1為晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)(又稱體擴(kuò)散系數(shù))。（b）晶界擴(kuò)散型 此類擴(kuò)散又稱 Coble 型。一些研究結(jié)果表明，在晶界附近形成空位的自由能和空位在該處運(yùn)動的激活能明顯地比晶粒內(nèi)部低，因此應(yīng)該考慮空位沿晶界的擴(kuò)散過程。在這種擴(kuò)散過程中空位和原子在晶粒邊界附近沿相反的方向運(yùn)動(圖 2—1(b))。理論上這種擴(kuò)散所產(chǎn)生的應(yīng)變速率為 22DkTdA?????? （27）式中，A 2為常數(shù)，ω 為晶界有效寬度，D 2為晶界擴(kuò)散系數(shù)，其它符號同前。一般情況下，這兩種擴(kuò)散過程都存在。因此，總的蠕變速率應(yīng)由這兩種擴(kuò)散作用的總和來確定，即 11221DdAkTd????????????? （ 28）(28)式表明，當(dāng)其它條件相同時，細(xì)晶粒的 ω/d 值比粗晶粒大得多。因此，在細(xì)晶材料的超塑性變形中晶界擴(kuò)散所起的作用比較大。在大多數(shù)情況下，按(26)、(27)和(28)式計算的應(yīng)變速率比實(shí)驗(yàn)值低，但也有一致的時候，因而可以認(rèn)為擴(kuò)散蠕變在超塑性變形中起了一定的作用。上述經(jīng)典擴(kuò)散蠕變理論的最大困難在于按此理論 與 成正比，即 m=1，這???與實(shí)驗(yàn)不符。另一個困難是它不能解釋晶粒在變形過程中的等軸性，因?yàn)榘凑者@一理論的變形模式，晶粒早晚會被拉長?？梢娊?jīng)典擴(kuò)散理論不能完全說明超塑性變形的基本物理過程，也解釋不了它的主要力學(xué)特征。（2） 晶界滑動機(jī)理超細(xì)晶粒材料的晶界具有異乎尋常大的總面積，不考慮晶界運(yùn)動在超塑性流變過程中的作用，就無法解釋結(jié)構(gòu)超塑性。實(shí)際上大多數(shù)有關(guān)超塑性變形機(jī)理的假設(shè)都不能回避晶界運(yùn)動的作用。晶界運(yùn)動一般分為滑動和移動(遷移)兩種，前者為晶粒沿晶界的滑移，后者可以看作是相鄰晶粒間的相互侵噬而產(chǎn)生的晶界遷移。在實(shí)際變形中，晶界的運(yùn)動往往不是分得很明確的滑動和移動，而是兩者混在一起。特別是高溫變形時，這兩種過程交替進(jìn)行，會引起晶界的變形、晶粒的長大，甚至形成裂紋。晶界移動(遷移)與變形過程中發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象密切相關(guān)。這種動態(tài)再結(jié)晶不斷消除變形所產(chǎn)生的硬化，使材料的延展性不斷得到恢復(fù)(動態(tài)恢復(fù))，因而它是超塑性變形能夠獲得大延伸率的一個基本條件。在超塑性變形中，擴(kuò)散蠕變必然要產(chǎn)生晶界移動(圖 21(a)、(b)中虛線代表擴(kuò)散前的晶界，實(shí)線代表擴(kuò)散后的晶界)，而這種移動又通常是晶界滑動的伴生現(xiàn)象。 晶界滑動曾被看作是唯一能夠解釋變形過程中保持晶粒等軸性和晶粒轉(zhuǎn)動的機(jī)理。兩相合金中，晶粒轉(zhuǎn)動是在晶界滑動阻力和相界阻力不同時發(fā)生的。此外相鄰晶粒在調(diào)整過程中的差異也會引起轉(zhuǎn)動。但是承認(rèn)晶界滑動是超塑性變形的主要機(jī)理并沒有解決所有的問題，因?yàn)榫Ы缁瑒拥奈⒂^過程尚未完全弄清楚，而且此機(jī)理在總變形中的貢獻(xiàn)只占一定的比例(有人估計一般不超過600k)，而其余的變形勢必由其它的適應(yīng)或調(diào)節(jié)過程來完成。下面我們介紹幾種晶界滑動理論，主要是由擴(kuò)散蠕變或位錯運(yùn)動調(diào)節(jié)的晶界滑動理論。（a）粘性晶界滑動理論 這是此類理論中最簡單的一種。此理論認(rèn)為，在高溫下晶粒邊界趨于無序狀態(tài)，晶界類似予晶粒間的粘性液體夾層。晶粒愈細(xì)小，金屬就愈接近于組織完全無規(guī)則的(非晶態(tài)的)液體狀態(tài)。在外應(yīng)力作用下，其應(yīng)變速率與應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系可由 E．Orowan(1949)提出的公式表示 2DkT?????? （29） 式中，β 為常數(shù)，其它符號同前。R．H．Johnson 提出，即使是晶粒尺寸非常小，超塑性材料也不可能存在此種理論所設(shè)想的情況，因?yàn)榫Яｉg的相對滑動不可能在晶粒本身內(nèi)部毫無變形時發(fā)生。而且由此式得出的應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m 值為 1，與實(shí)驗(yàn)不符。（b）擴(kuò)散蠕變調(diào)節(jié)的晶界滑動理論 早在 1963 年超塑性還沒有引起廣泛注意以前，就有科學(xué)家指出，多晶體的擴(kuò)散蠕變會導(dǎo)致晶界滑動，這種情況下的晶界滑動是一種調(diào)節(jié)過程。R．N．Stevens(1972)則認(rèn)為擴(kuò)散蠕變和晶界滑動可能是相互聯(lián)系的過程，當(dāng)進(jìn)行擴(kuò)散蠕變時，晶界滑動可以看作是調(diào)節(jié)過程，反之，晶界滑動時，擴(kuò)散蠕變起調(diào)節(jié)作用。擴(kuò)散蠕變調(diào)節(jié)晶界滑動的各種理論就是沿著這一思路提出來的。這類理論認(rèn)為，超塑性變形的主要形式是晶界滑動，但這種滑動并不是弧立進(jìn)行的，而是與晶內(nèi)、晶界擴(kuò)散同時發(fā)生或協(xié)調(diào)進(jìn)行的，因而其應(yīng)變速率受擴(kuò)散蠕變過程所調(diào)節(jié)或控制。這一類理論曾以不同的形式出現(xiàn)，這里只簡要介紹如下兩種： ①晶界擴(kuò)散單獨(dú)調(diào)節(jié)的晶界滑動模型 此理論認(rèn)為，晶界并不是平滑的，而是存在著大大小小的坎(臺階)。當(dāng)外力作用時，這些坎分為兩種類型：一為壓縮型的坎——簡稱壓坎；一為張開型的坎——簡稱張坎，如圖 22 所示。在壓坎附近，由于受壓，空位濃度大大減少，而在張坎附近，空位濃度增加。張坎與壓坎之間的這種空位濃度差，就迫使空位從張坎沿著晶界向壓坎擴(kuò)散。與此同時發(fā)生的等效過程是原子從壓坎沿著晶界向張坎擴(kuò)散流動，以充填或彌合由晶界滑動在張坎所造成的空隙，并在壓坎讓出空間使晶界滑動得以繼續(xù)進(jìn)行(圖 22 中晶粒 A 向右、B 向左)。圖 22 是晶粒在有坎的晶界上滑動時，外力驅(qū)動原子從壓坎沿晶界擴(kuò)散到張坎的示意圖圖 22 晶粒在有坎的晶界上滑動示意圖 [2]②晶內(nèi)—晶界擴(kuò)散共同調(diào)節(jié)的晶界滑動模型 1973 年 M．F．Ashby 和 R．A．Verrall 提出了一個由晶內(nèi)一晶界擴(kuò)散蠕變過程共同調(diào)節(jié)的晶界滑動模型。這個模型由一組二維的四個六方晶粒組成。在拉伸應(yīng)力 σ 作用下，由初態(tài) a 過渡到中間態(tài) b，最后達(dá)到終態(tài) c。在此過程中，晶粒 4 被晶粒 3 所挾開，改變了它們之間的相鄰關(guān)系，晶界取向也都發(fā)生了變化，并獲得了 ?In?的真應(yīng)變(按晶粒中心計算)，但晶粒仍保持其等軸性，在從初態(tài) a 到終態(tài) c 的過程中，包含著一系列由晶內(nèi)和晶界擴(kuò)散流動所控制的晶界滑動和晶界遷移過程。這個模型的擴(kuò)散渠道多，路程短，物質(zhì)的遷移量也少，因而在相同的應(yīng)力 σ 下，可以獲得更大的應(yīng)變速率。圖 23 晶內(nèi) 晶界擴(kuò)散蠕變共同調(diào)節(jié)的晶界滑動（AshbyVerrall 模型） [2]（c）位錯運(yùn)動調(diào)節(jié)的晶界滑動理論在研究超塑性變形機(jī)理的過程中，曾經(jīng)提出了不少關(guān)于位錯運(yùn)動調(diào)節(jié)晶界滑動的理論模型。其中一個較為著名的是由 A．Ball 和 M．M．Hutchison(1969)提出，并由 A．K．Mukherjee(1971)加以發(fā)展的模型。在 Ball 和 Hutchison 所建議的模型中，將圖 24 所示的幾個晶粒作為一個組態(tài)來考慮。在滑動晶界的頂端存在著起障礙作用的晶粒，故在該處引起應(yīng)力集中，并在此障礙晶粒內(nèi)部產(chǎn)生位錯源。位錯源發(fā)射的位錯就在障礙晶粒內(nèi)運(yùn)動，并塞積在對側(cè)的晶界上。當(dāng)位錯塞積群的反應(yīng)力大到足以阻止新位錯繼續(xù)產(chǎn)生時，晶界滑動就會停止。如果塞積群中的領(lǐng)先位錯沿晶界攀移到晶界相消點(diǎn)(三晶粒相交處可能是位錯的相消點(diǎn))，那么塞積群的反應(yīng)力就會因位錯數(shù)目減少而獲得松弛。這時，晶內(nèi)位錯源又會再發(fā)射新位錯，使晶界再滑動一小段距離。在高溫下，位錯攀移會不斷進(jìn)行，因而由這種機(jī)制所產(chǎn)生的晶界滑動也會不斷發(fā)生。此種晶界滑動機(jī)制所產(chǎn)生的應(yīng)變速率，由位錯沿晶界攀移至相消點(diǎn)的速度所控制。圖 24 位錯調(diào)節(jié)的晶界滑動（BallHutchison 模型） [2]（3）動態(tài)再結(jié)晶理論晶界移動(遷移)與再結(jié)晶現(xiàn)象密切相關(guān)。這種再結(jié)晶可使內(nèi)部有畸變的晶粒變?yōu)闊o畸變的晶粒，從而消除其預(yù)先存在的應(yīng)變硬化。在高溫變形時，這種再結(jié)晶過程是一個動態(tài)的、連續(xù)的恢復(fù)過程，即一面產(chǎn)生應(yīng)變硬化，一面產(chǎn)生再結(jié)晶恢復(fù)(軟化)。實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶過程的進(jìn)行情況，受應(yīng)變速率控制。應(yīng)變速率過小，再結(jié)晶過程進(jìn)行比較充分，晶粒容易長大。應(yīng)變速率過大，再結(jié)晶受到抑制，變形硬化不能充分消除，應(yīng)力集中得不到及時松弛，材料內(nèi)部易過早地出現(xiàn)空洞和裂紋。這兩種情況都使材料的變形潛力得不到充分的發(fā)揮。所以，一個合理的變形速率范圍是保證動態(tài)再結(jié)晶適度進(jìn)行，從而獲得大延伸率的一個必要條件。如前所述，超塑性變形是一個復(fù)雜的物理化學(xué)—力學(xué)過程。各種結(jié)構(gòu)超塑性材料雖有其共性，但每種材料都有其區(qū)別于它種材料的特性，這些特性一方面由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)所決定，另一方面又受外部變形條件的制約。所以，任何試圖創(chuàng)造一種比較完備的理論來定量地，統(tǒng)一地描述各種結(jié)構(gòu)超塑性行為的愿望雖然美好，但在理論現(xiàn)在所達(dá)到的微觀層次上，恐怕是難以實(shí)現(xiàn)的。 影響超塑性的因素（1）變形溫度的影響 [4] 超塑性變形與許多熱激活過程有關(guān)，因此溫度就自然成為它的一個很主要的影響因素。一般要求溫度 T≥ Tm。許多材料在 ～ 范圍內(nèi)呈現(xiàn)超塑性，只是程度有所不同。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)其它條件不變時，在低于某一個臨界溫度 Tc 的一定溫度范圍內(nèi)，提高變形溫度一般會發(fā)生下面的一些影響：（a） 流變應(yīng)力降低，這種效應(yīng)在低應(yīng)變速率區(qū)更明顯；（b） 超塑性變形區(qū)變寬，且向應(yīng)變速率增加的方向移動；（c） 應(yīng)變速率敏感性指數(shù)優(yōu)的峰值增加，且與此峰值對應(yīng)的應(yīng)變速率也增加；0??（d） 延伸率提高。 高于溫度 Tc 時，再提高變形溫度，就會起相反的效果。（2）晶粒度的影響 [3]在組織超塑性的情況下，要求微細(xì)、等軸及穩(wěn)定的晶粒，一般要求晶粒直徑在 0．5～5um 左右，高于 10um 的晶粒度一般難于實(shí)現(xiàn)超塑性。對于大多數(shù)的合金來說，晶粒尺寸對超塑性的影響很大。晶粒尺寸的減小能使 m 的峰值向更高的應(yīng)變速率方向發(fā)展，而且使高 m 值的區(qū)域增大，使相應(yīng)的流動應(yīng)力降低，因?yàn)榧?xì)晶粒有利于晶界移動。 所謂晶粒穩(wěn)定，是指在變形過程中晶粒長大的速度慢。晶粒等軸可以使材料在變形中降低剪應(yīng)力。超塑變形不同于一般的金屬塑性變形，晶內(nèi)滑移、孿晶等塑性變形機(jī)制對總的變形量貢獻(xiàn)不大，而主要的變形機(jī)