对超塑性成型的认识

1、对超塑性成型的认识对超塑性成型的认识一.超塑性的简介及发展历史超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件啊（如晶粒尺寸及形状、 相变等）和外部（环境）条件下（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（如大的延伸率）的现象。超塑性的特 点有大延伸率，无缩颈（小缩颈），小应力，易成形。超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特 的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百 倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学 家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适 当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软

2、糖一样柔软, 而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超 塑性。1初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、钿锡等。一根锡锡棒可以拉伸到原长的19. 5倍，然而这些材料的强度太低，不 能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中 也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加 工发生了兴趣。特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合 金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。到了 70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、银

3、、铜、铁、 合金均有1015个牌号，它们的延伸率在2002000%之间。如铝 锌共晶合金为1000%,铝铜共晶合金为1150%,纯铝高达6000%,碳和不锈钢在150800%之间，钛合金在4501000%之间。实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率,这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和

4、塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、钏焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。超塑性的铝合金已经商品化，如英国的Supral 100(Al6Cu0. 4Zr)和加拿大的 Alcan 08050 (Al5Ca5Zn)。铝板可在300600C时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低

5、至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压 铸件及塑料模压件相竞争的能力。据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门 中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高 温合金等二超塑性的发展方向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：1 .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,开发这些材料的超塑性对于其应用 具有重要意义；2 .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

6、形的生产率；3 .研究非理想超塑材料（例如共货态工业合金）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。三.超塑性的分类：早期由于超塑性现象仅限于B if n和A K u共晶合金、ZnTl共析合金等少数低熔点的有色金属，也曾有人认为超性现象只是一种特殊现象。随着更多的金属及合金实现了超塑 性，以及与金相组织及结构联系起来研究以后，发现超塑性金属有着本身的一些特殊规律，这些规律带有普遍的性质。而并 不局限于少数金属中。因此按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般分为以下几种1.恒温超塑性或第一类超塑性

7、。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。1 . 一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。在一定的温度区间（TsNO.5Tm, Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）和一定的变形速度条件下（应变速率1在之间）呈现超塑性。这里指的微细晶粒尺寸，大都在微米级，其范围在0.55H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Ti合金）晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超 塑性能。还应当指出，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, 在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。2

8、.相变超塑性或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态 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。例如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A 1,3温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（。二Y）的两次转变，可以得到二次条约式的均匀延 伸。DQlscH谏 1 等用 ARU018、1045、1095、52100 等钢种试 验表明，延伸率可达到500%以上，这样变形的特点是，初期 时每一次循环的变形量（孙）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逐步加大的变形，到断 裂时，可以累积

9、为大延伸。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， 并且淬火过程中奥氏体向马氏体转变,即无扩散的脆性转变过 程（丫-a）中，也具有相当程度的塑性。同样，在淬火后有 大量残余奥氏体的组织状态下，回火过程，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。另外，如果在马 氏体开始转变点（Ms）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,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。这种过程称为转变诱发塑性。即所谓TR 1P 现象。FC i 合金，Fefn-C等合金都具有这种特性。3 .其它超塑性（或第三类超塑性）：在

10、消除应力退火过 程中在应力作用下可以得到超塑性。475%51及人卜1%（：11合 金在溶解度曲线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U , Zr等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性。有人把a七在有负荷及 照射下的变形也称为超塑性o球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也 可以得到超塑性。1.1 超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与 断裂的现象。但至今还没有从物理本质上的确切定义。有的以拉伸试 验的延伸率来定义，认为>200%即为超塑性；有的以应变速率敏 感性指数m来定义，认为m>0.3,即为超塑性；还有的认为抗

11、颈缩 能力大，即为超塑性。1.2 超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件（组织, 温度，应力状态等）可将超塑性分为三类：L微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。当材料是微细的等轴晶粒组织,间距为0.5 5口111,温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为 10-4 一 10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。2 .相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程，每一次热循环贡 献一小的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。3 .内应力超塑性和相变超塑性一样进

12、行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内 应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。4 .3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易 成形。（1）大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000% 表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。这样使材料 的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料 变形成为可能。（2）无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有（或 很小）应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料 会强化。因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部 位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化部分继续变形，这 样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。超塑性的无紧 缩是指宏观上的变形结