材料成形原理

1、西华大学材料成型原理课程铝基复合材料超塑性文献综述2015级材料科学与工程-赵祥目 录123概念及总述铝基复合材料的超塑性特点铝基复合材料研究现状概念及总述超塑性超塑性：是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状、尺寸和相变等）和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力及异常高的流变性能的现象 。铝基复合材料铝基复合材料：以铝为基体加入其它金属或非金属元素来增强性能所制备的材料超塑性变形特点超塑性变形特点（1）非常大的延伸率，一般 200%，最大可达 5000%以上。（2）变形抗力小，无或少加工硬化，易变形。（3）很强的抗缩颈能力，可发生很大变形而无明显的局部缩颈。（4）对应变速率非

2、常敏感，m 值一般大于 0.3。（5）对晶粒尺寸、状态敏感，一般要求微细晶粒。超塑性的发展历程超塑性的发展历程超塑性现象从发现到深入研究经历了几十年的时间，自上世纪 70 年代以来，世界各工业发达国家包括美、英、法、日以及前苏联等竞相研究金属超塑性技术，掀起了超塑性应用技术及理论研究的热潮，已经发现具有超塑性的金属材料已达 200 多种以上，特别是近年来，由于陶瓷及其复合材料超塑性研究取得了突破性的进展，超塑性研究范围从金属材料扩展到了非金属领域.1960年,美国的David发现Ai一33%Cu共晶合金在500 C时可得到200%的延伸率,是最早实现超塑性的铝合金。而后其他一些共晶合金,如Al

3、一Si,Al一Cu一Mg等 合金在一定的条件下也获得了超塑性70年代日本的松木等和英国Stowell等开发出了主要的超塑Ai一Cu系铝合金,促进了超塑性铝合金的发展,并已投入应用。近十几年来,铝合金的超塑性研究有了新的进展,主要的铝合金系列有:纯铝、AI一Ca、Al一Cu、Al一Cu一Mg一Zr、AI一Ca一Mg、Al-Mg(一X)(XMn、Cu、51、Zr、Sc等)、Al一Zn一Mg(一Zr)、AI一Li(-Zr)。其中,一些新型的铝合金,通过添加稀土元素或者Sc、Zr、Ti等过渡族元素,大大提高了合金的超塑性。如Al一Mg一Li-Zr、Al一Zn一Mg一Zr等合金不但能在一定条件下呈现较高

4、的超塑性,而且具有较好的综合力学性能。Al一Zn一Mg合金是铝基超塑性合金的工业常规材料,在航空工业中应用较多。在该合金中添加稀土元素或者过渡族元素Zr,细化了显微组织,提高了合金的超塑性,其中最大的延伸率可达1014%。01420(Ai一Mg-Li一Zr)合金是一种中强超轻合金,具有较好的抗腐蚀性能和优良的焊接性能,按照常规的形变热处理细化晶粒的方法,可以获得950 的延伸率,m值达到0.78,是目前01420合金最佳的超塑性能.Ai一Ca一Zn是一种新型的Ai基超塑性合金,它比重轻、抗腐蚀能力强,作为一种中等强度的铝合金,已开始应用于军事或民用工业中。另外,在粉末冶金铝合金和铝基复合材料中

5、超塑性的发现,进一步推动了超塑成型技术的发展。 超塑性变形影响因素超塑性是材料在特定条件下表现出来的一种综合机械性能，其影响因素有很多，下面就其主要的集中因素进行分析 （1）应变速率的影响应变速率的影响 应变速率对流动应力和应变率敏感系数m有显著影响，m 值较小，应力随应变速率变化缓慢， m 值大，应力随应变速率变化剧烈，在此范围内的材料变形具有很高的应变速率敏感性，且超塑性好，是实现超塑性变形的最佳应变速率范围 （2）变形温度的影响变形温度的影响 （a）随着温度升高，流动应力普遍下降，曲线也向高应变速率方向移动；（b）随着温度升高，m 值增大，曲线峰值向高应变速率方向移（c）当应变速率很高时

6、，m 值对温度的敏感性减弱 （3）晶粒大小及形态晶粒大小及形态 超塑性变形大多要求材料具有微细晶粒，一般情况晶粒尺寸不超过15m，晶粒大小对超塑性变形的影响很大铝基复合材料的超塑性特点 在金属及金属基复合材料中，以铝合金、镁合金、钛合金最为活跃，其主要的研究工作包括塑性变形力学行为、变形过程中的组织演变，变形机制等；超塑性铝合金加工后整体精度高、成品率好，因此具有良好的塑性、加工型和低温性能，因此铝合金复合材料广泛应用于航空航天、交通运输、电子等方面。 北京航空航天材料研究所对成分相近的01420合金（Mg-Al-Li系）与LF6合金(5A06,铝镁系防锈铝)进行对比研究，发现01420基体上

7、弥散分布有大量的p相(Mg:Alg)、LIMgAI:和小颗粒ZrA13相;LF6合金析出质点主要为大颗粒的p相(MgZA13)、MnAI。和小颗粒ZrAI。相。可见,Al一Mg合金中加入Li后,不但改变了过时效处理后析出相的成分,并且使析出质点的数量大大增加,为合金再结晶时晶粒的细化和稳定化提供了有利的组织条件合金超塑变形是晶内位错协调的晶界滑移机制,合金晶粒越细,晶界滑移越容易进行,合金变形所需要的外加应力也就越低。 试验中采用的实验方法为用合金铸锭在氩气的保护下熔铸，铸锭经均匀化处理后，热轧得到厚度为10mm的板材，在经过如下的形变与热处理(a)固溶处理:475又2h水冷淬火,(b)过时效

8、处理:300又24h空冷;(c)温轧:在300将时效后合金轧成厚度1.5mm的板材;(d)再结晶处理:01420合金超塑拉伸前进行510，30min的再结晶处理;LF6合金温轧试样直接保温20min后拉伸 铝基复合材料超塑性的发展现状总的来说：近年来，各国研究人员相继开发出了很多具有高应变速率超塑性的铝基复合材料，其中由 Si3N4、SiC 增强的铝基复合材料得到了很大的发展。Si3N4增强铝基复合材料的高应变速率超塑性增强铝基复合材料的高应变速率超塑性 Imai 等7.8研究了 -Si3N4晶须增强铝镁合金复合材料的高应变速率超塑性，并分析了镁元素对于该材料高应变速率超塑性的影响在温度为 6

9、30640、应变速率为 0.1s-1时，-Si3N4增强复合材料的基体晶粒尺寸小于 2m，应变速率敏感指数 m 值为 0.47，延伸率达到 200%。随镁含量的增加，复合材料的熔点降低，获得最大延伸率的超塑性变形温度也随之降低SiC 增强铝基复合材料的高应变速率超塑性增强铝基复合材料的高应变速率超塑性 许晓静等人成功地制备了具有高应变速率超塑性的 -SiC 晶须增强 LY12 复合材料。该复合材料晶粒约为 2m。在温度为 530、初始应变速率为 0.11s-1时，延伸率达 350%，应变速率敏感系数 m 值为 0.35。对复合材料进行差热分析（DSC）表明，微量液相是铝基复合材料获得高应变速率

10、超塑性的必要条件。在 620630、初始应变速率 0.01s-10.1s-1的条件下，-SiC 晶须增强纯铝基复合材料也具有高应变速率超塑性，延伸率达到 220%380%。文献12研究了 Al-16Si-5Fe-1Cu-0.5Mg-0.9Zr 铝合金为基体的 5wt.%SiC 颗粒增强复合材料的高应变速率超塑性。在 783K、应变速率 0.14s-1时，该复合材料的延伸率达到270%。复合材料与基体合金相比延伸率较低。分析认为，这是由于复合材料中增强相颗粒在增强相/基体界面脱离所造成的较大密度的孔洞所致许晓静等采用高温拉伸、透射电镜、X 射线衍射仪、差示扫描量热计和超塑性经典理论，对低压浸渗、

11、小挤压和热轧制备的 SiC 晶须增强 2024Al基复合材料超塑性的力学行为和变形机制进行了研究。研究表明：复合材料的晶粒细小，尺寸约为 1m；在温度为 788K、初始应变速率为 3.310-3s-1的拉伸条件下，超塑伸长率为 370%；DSC 曲线上有一小的初期熔化吸热峰，其温度相应于偏晶反应的温度 785K，反应如式(1-4)所示。超塑性变形的主导机制为传统的晶界扩散机制和量液相共同控制的晶界（界面）滑动。 Al + Al2 Cu + Cu 4Mg 5Si4 Alx液相+ M g 2Si (1)许晓静等人还对搅拌铸造、小挤压、热轧和冷轧制备的 15%SiCP/LD2铝基复合材料的超塑性进行了研究。研究表明：在温度为 833K、初始应变速率为 8.910-4s-1的拉伸变形条件下，其伸长率为 250%；适量液相对该复合材料的超塑性具有关键作用铝基复合材料的应用研究铝合金超塑性的目的在于利用其成形零件或结构件,特别是成形难加工的材料和复杂形状的零部件,如曲面、浮凸、刻字等,可大大降低成本并提高构件的使用性能。国外将金属超塑性成形技术用于生产,特别是用于航空、航天等结构件。由于超塑合金在出现超塑性现象时,其塑性极好,变形能力很强,因此可以制造出形状复杂的工件。超塑性合金的变形抗力低,因此可以采用低廉、新型或超轻的