第15讲超塑性现象-自学

1、张贵杰张贵杰Tel-Mail： 华北理工大学金属材料及加工工程系华北理工大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十五讲第十五讲2021-10-282第七章 金属的塑性主要内容Main Content 塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素 超塑性现象(自学)2021-10-2837.3 超塑性现象 纳米铜的室温超塑性2021-10-284 在不同温度下在不同温度下ZnAl22的拉伸变形的拉伸变形(250时延伸时延伸率率 )%10832021-10-285 Bi-44Sn挤压材料在慢挤压材料在慢速拉伸下出现异常大速拉伸下出现异常大的延伸率的延伸率（

2、） %19502021-10-286高温合金高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件的超塑性成形航天器件 2021-10-287双相不锈钢超塑性成形的航天器件双相不锈钢超塑性成形的航天器件 2021-10-288超塑成形的波形膨胀节用超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管钛合金波纹管 2021-10-289 超塑性的概念 超塑性的力学特征 超塑性的组织特征 超塑性的机理 超塑性的应用2021-10-2810超塑性的概念 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条

3、件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。的现象。 一般说来，如果材料的延伸率超过一般说来，如果材料的延伸率超过100，就可，就可称为超塑性。凡具有能超过称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的材料，延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过延伸率最大可超过1000，有的甚至可达，有的甚至可达2000 2021-10-28112021-10-2812超塑性的分类 组织超塑性或恒温超塑性。组织

4、超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。为微细晶粒超塑性。 特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。 温度：温度：Ts0.5Tm（Ts和和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）的绝对温度） 变形速度：变形速度：10-410-1/s。 微细晶粒尺寸其范围在微细晶粒尺寸其范围在0.55m之间。一般来说，晶粒越细之间。一般来说，晶粒越细越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如Ti合金）晶合金）晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。粒尺寸达几

5、十微米时仍有很好的超塑性能。 由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸，如果热稳定性差，在变形过程中晶组织具有微细晶粒尺寸，如果热稳定性差，在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。 2021-10-2813 相变超塑性或变态超塑性相变超塑性或变态超塑性 这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。变

6、获得大延伸。 如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A1、3温温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生（发生（ag）的两次转变，可以得到两次均匀延伸。）的两次转变，可以得到两次均匀延伸。D.Oelschlgel等用等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种等钢种试验表明，延伸率可达到试验表明，延伸率可达到500%以上。以上。 变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，而在变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，而在一定次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到一定

7、次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。 2021-10-2814 有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很大的塑性，淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火大的塑性，淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以获得异常高的塑性。获得异常高的塑性。 如果在马氏体开始转变点（如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定温度区）以上的一定温度区间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变，间加工

8、变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变，在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小与转变量的多少，变形温度及变形速度有关。这种与转变量的多少，变形温度及变形速度有关。这种过程称为过程称为转变诱发塑性转变诱发塑性。即所谓。即所谓TRIP现象。现象。Fe-Ni合金，合金，Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。等合金都具有这种特性。 2021-10-2815 其它超塑性其它超塑性 在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超塑性。超塑性。Al-5%Si及及Al-4%Cu合金在溶解度曲线合金在溶解度曲线上 下 施 以

9、循 环 加 热 可 以 得 到 超 塑 性 ， 根 据上 下 施 以 循 环 加 热 可 以 得 到 超 塑 性 ， 根 据Johnson试验，在具有异向性热膨胀的材料如试验，在具有异向性热膨胀的材料如U，Zr等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性。有等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性。有人把人把a-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。2021-10-2816超塑性的历史及发展超塑性的历史及发展 超塑性现象最早的报道是在超塑性现象最早的报道是在1920年，德国人罗申汉年

10、，德国人罗申汉（N.Rosenhaim）等发现）等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，合金在低速弯曲时，可以弯曲近可以弯曲近180度。度。1934年，英国的年，英国的C.P.Pearson发现发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延的延伸率。伸率。 1945年前苏联的年前苏联的A.A.Bochvar等发现等发现Zn-Al共析合金具有共析合金具有异常高的延伸率并提出异常高的延伸率并提出“超塑性超塑性”这一名词。这一名词。1964年，美年，美国的国的W.A.Backofen对对Zn-Al合金进行了系统的研究，并合金进行了系统的研究，并提出了

11、应变速率敏感性指数提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念，为超塑性值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代，世研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。界上形成了超塑性研究的高潮。 2021-10-2817 特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的Zn合金、合金、Al合金、合金、Ti合金、合金、Cu合金以及黑色金属等正以它们优异合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以

12、及汽车的的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。形状构件的生产中起到了不可替代的作用。 2021-10-2818 近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三个方面：下三个方面： 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具有若干优异的性能，在高技术

13、领域具有广泛的应用料具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料前景。然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性对于其应用具有重要意义的超塑性对于其应用具有重要意义 ； 高速超塑性的研究，提高超塑变形的速率，目的在于提高速超塑性的研究，提高超塑变形的速率，目的在于提高超塑成形的生产率高超塑成形的生产率 ； 研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金）的超塑性研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金）的超塑性变形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提变形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应

14、用范围，高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更大的效益。使其发挥更大的效益。 2021-10-2819典型的超塑性材料典型的超塑性材料 目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，按基体区分，有按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。部分典型的超塑性合金见下表的合金。部分典型的超塑性合金见下表 2021-10-2820m为应变速率敏感性指数为应变速率敏感性指数 2021-10-28212021

15、-10-28222021-10-28232021-10-2824超塑性的力学特征 流动应力流动应力 在超塑性材料中，流在超塑性材料中，流动应力特别敏感于应动应力特别敏感于应变速率。如图所示，变速率。如图所示，用对数坐标表示的流用对数坐标表示的流动应力与应变速率的动应力与应变速率的关系曲线呈关系曲线呈“S”形。形。Mg-Al共晶合金的应变速率与共晶合金的应变速率与(a)流动应力流动应力 (b)敏感系数敏感系数m的关系的关系mK2021-10-2825lnlnddm应变速度敏感性系数：应变速度敏感性系数： 应变速率与流动应力曲线可划分为三个区域，即低应变速应变速率与流动应力曲线可划分为三个区域，即

16、低应变速率区率区、高应变速率区、高应变速率区和超塑性区和超塑性区，在，在区和区和区中区中m0.3。2021-10-2826 流动应力对温度十分敏感。提高变形温度将发生如图所流动应力对温度十分敏感。提高变形温度将发生如图所示的变化示的变化2021-10-2827随着温度的升高：随着温度的升高： 流动应力的水平将普遍下降，但在高应变速率时的流动应力的水平将普遍下降，但在高应变速率时的变化不如低应变时显著变化不如低应变时显著 m的最大峰值升高，并移向高应变速率区的最大峰值升高，并移向高应变速率区 在最大应变速率和最小应变速率这两端，在最大应变速率和最小应变速率这两端，m值对温值对温度的敏感性较差，即

17、在接近蠕变变形区及普通热加度的敏感性较差，即在接近蠕变变形区及普通热加工区，工区，m值对温度的敏感性较差值对温度的敏感性较差 /区和区和/区之间的过渡向高应变速率方向移区之间的过渡向高应变速率方向移动动2021-10-2828 晶粒的大小对流动应力及晶粒的大小对流动应力及m值也有明显的影响。一般来说，值也有明显的影响。一般来说，具有良好超塑性的起始晶粒度一般应具有良好超塑性的起始晶粒度一般应10m，最好是，最好是5m。2021-10-2829晶粒越细小：晶粒越细小： 除除区外，在所有应变速率条件下，流动应力都区外，在所有应变速率条件下，流动应力都下降，特别是在低应变速率下更为明显；下降，特别是

18、在低应变速率下更为明显； 区和区和区的过渡推向高应变速率范围；区的过渡推向高应变速率范围； m的最大峰值增加，并移向高应变速率区的最大峰值增加，并移向高应变速率区2021-10-2830应变速率敏感性指数应变速率敏感性指数m的物理意义的物理意义 应变速率敏感性指数应变速率敏感性指数m是材料超塑性的一个重要是材料超塑性的一个重要参数，它表征金属抵抗颈缩的能力，高的参数，它表征金属抵抗颈缩的能力，高的m值使值使抵抗颈缩的能力增加。抵抗颈缩的能力增加。 其理论意义是：产生颈缩的部位应变速率增加，其理论意义是：产生颈缩的部位应变速率增加，由于高的流动应力应变速率敏感性，需要更高的由于高的流动应力应变速

19、率敏感性，需要更高的应力。在试样其余部分没有继续塑性变形的情况应力。在试样其余部分没有继续塑性变形的情况下，外加应力不足以使颈缩发展。下，外加应力不足以使颈缩发展。2021-10-2831超塑性的组织特征 试验研究结果表明，于超塑性变形时晶粒的等轴试验研究结果表明，于超塑性变形时晶粒的等轴性保持不变，并在变形后通常可以看到晶粒有些性保持不变，并在变形后通常可以看到晶粒有些长大。在正常微细晶粒超塑性显微组织中在长大。在正常微细晶粒超塑性显微组织中在500的应变下晶粒尺寸可能增加的应变下晶粒尺寸可能增加50或或100。有。有人在人在Sn5Bi合金上发现，延伸率达合金上发现，延伸率达1000时，时，

20、晶粒仍保持等轴并发现晶粒长大了好几倍。晶粒仍保持等轴并发现晶粒长大了好几倍。2021-10-2832 对某些材料，如对某些材料，如a ab b黄铜、黄铜、Al黄铜，黄铜，AI-Zn-Mg-Cr合金等的超塑性拉伸中也发现有空洞出现。试合金等的超塑性拉伸中也发现有空洞出现。试验证明，空洞的数量和尺寸随应变速率的增大而验证明，空洞的数量和尺寸随应变速率的增大而增多。随着真实应变的增加，空洞数目也增多。增多。随着真实应变的增加，空洞数目也增多。 一般认为空洞是由晶界滑移引起的，所以在一般认为空洞是由晶界滑移引起的，所以在区区内因晶界滑移对塑性变形的作用最大，其空洞速内因晶界滑移对塑性变形的作用最大，其

21、空洞速率也就最大。率也就最大。 试验结果还表明，当材料在超塑性变形过程中形试验结果还表明，当材料在超塑性变形过程中形成大面积空洞时，其相互连接将导致材料的最终成大面积空洞时，其相互连接将导致材料的最终断裂。断裂。2021-10-2833超塑性的机理一、空位一、空位迁移过程理论迁移过程理论 空位空位迁移过程即为空位蠕变过程，它是指空位迁移过程即为空位蠕变过程，它是指空位在应力梯度的作用下引起的迁移，也就是原子的在应力梯度的作用下引起的迁移，也就是原子的迁移（扩散）。金属的蠕变变形规律就是用这种迁移（扩散）。金属的蠕变变形规律就是用这种原子的扩散来解释的。如图所示，在拉应力作用原子的扩散来解释的。

22、如图所示，在拉应力作用下，空位扩散到平行于拉伸轴的晶界，而与此相下，空位扩散到平行于拉伸轴的晶界，而与此相应，原子向垂直于拉伸轴的晶界扩散，由此而使应，原子向垂直于拉伸轴的晶界扩散，由此而使晶体发生变形。晶体发生变形。2021-10-2834 如图所示，在应力作用下如图所示，在应力作用下的蠕变或扩散蠕变示意图，的蠕变或扩散蠕变示意图，原于通过晶格按箭头所指原于通过晶格按箭头所指的方向扩散，伴随一个相的方向扩散，伴随一个相反的空位的流动。虚线勾反的空位的流动。虚线勾划的晶粒在应力方向伸长，划的晶粒在应力方向伸长，影格区表示被扩散物质的影格区表示被扩散物质的量量2021-10-2835 超塑性变形

23、与蠕变变形也有许多相似之处，特别超塑性变形与蠕变变形也有许多相似之处，特别是在应变速度对应力和晶粒长大的关系上，两者是在应变速度对应力和晶粒长大的关系上，两者几乎是相同的。因此有人认为，在低应力下所引几乎是相同的。因此有人认为，在低应力下所引起的空位扩散，不仅可以解释蠕变变形的机理，起的空位扩散，不仅可以解释蠕变变形的机理，而且也可以用来解释超塑性变形的机理。而且也可以用来解释超塑性变形的机理。2021-10-2836二、晶间滑移理论二、晶间滑移理论 在此理论中，设想晶界似如晶体间的流动层，并在此理论中，设想晶界似如晶体间的流动层，并且晶粒越细小，越接近于完全无序（非晶体）的且晶粒越细小，越接

24、近于完全无序（非晶体）的流动状态。流动状态。 实际上，这种理想的层流是不大可能存在的。因实际上，这种理想的层流是不大可能存在的。因为即使是超塑性材料，滑动也不能连续地产生于为即使是超塑性材料，滑动也不能连续地产生于晶界，而不伴有一些晶内变形。因此，塑性流动晶界，而不伴有一些晶内变形。因此，塑性流动与一般的层流是有区别的。与一般的层流是有区别的。2021-10-2837 Zn-Al合金超塑性变合金超塑性变形时形时Zn相相(b)与与Al相相(a)的转换机构的转换机构2021-10-2838三、再结晶过程理论三、再结晶过程理论 有人建议，动态再结晶对解释超塑性变形中的等轴晶粒有人建议，动态再结晶对解

25、释超塑性变形中的等轴晶粒的形成是一项重要内容。特别是，超塑性变形一般是在的形成是一项重要内容。特别是，超塑性变形一般是在再结晶温度以上进行，类似通常所说的热变形过程，所再结晶温度以上进行，类似通常所说的热变形过程，所以再结晶过程理论可以容易地被接受。但是有人认为，以再结晶过程理论可以容易地被接受。但是有人认为，在超塑性变形中一般不能发生再结晶。在超塑性变形中一般不能发生再结晶。 有些迹象表明，在少数特殊情况下，再结晶可能是重要有些迹象表明，在少数特殊情况下，再结晶可能是重要的。有人认为，在超塑性变形中有晶粒细化现象发生，的。有人认为，在超塑性变形中有晶粒细化现象发生，这能够用再结晶来解释。也有

26、人认为，对多数材料来讲，这能够用再结晶来解释。也有人认为，对多数材料来讲，再结晶似乎是不重要的。再结晶似乎是不重要的。2021-10-2839超塑性的应用 由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。造、甚至切削加工等方面。 自七十年代初期，具有超塑性的金属材料在工业自七十年代初期，具有超塑性的金属材料在工业上逐渐得到引人注目的应用。据报导，在日本、上逐渐得到引人注

27、目的应用。据报导，在日本、美、英、德等国已有专门生产超塑性材料的企业。美、英、德等国已有专门生产超塑性材料的企业。对细晶超塑性材料，在电子工业中已在大量地使对细晶超塑性材料，在电子工业中已在大量地使用。对相变超塑性材料，也有良好的发展前景，用。对相变超塑性材料，也有良好的发展前景，例如不锈钢、钛合金等材料在汽车工业和部分国例如不锈钢、钛合金等材料在汽车工业和部分国防工业获得了良好的应用。防工业获得了良好的应用。2021-10-2840 一、无模拉伸一、无模拉伸 如图所示，这种拉伸方法巧妙地利用了材料的超如图所示，这种拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸时，根据超塑性材料对温度和变形塑性，在

28、拉伸时，根据超塑性材料对温度和变形速度的敏感性，用一感应线圈控制加热温度使工速度的敏感性，用一感应线圈控制加热温度使工件进行局部加热，并在拉伸时对拉拔速度加以控件进行局部加热，并在拉伸时对拉拔速度加以控制。制。 在拉伸过程中可利用不同形状的感应线圈，通过在拉伸过程中可利用不同形状的感应线圈，通过控制感应热的大小或断续，制出任意断面的各种控制感应热的大小或断续，制出任意断面的各种形状的管材、棒材。形状的管材、棒材。2021-10-2841无模拉伸超塑性材料示意图无模拉伸超塑性材料示意图 2021-10-2842二、板料冲压二、板料冲压 板料冲压是最适宜的超塑成形的方法之一。如图所示，板料冲压是最适宜的超塑成形的方法之一。如图所示，板料冲压成形的一例。这是一种借助