塑性成型原理2014(第七节超塑性)

1、上节主要内容回顾上节主要内容回顾碳含量对碳钢力学性能的影响碳含量对碳钢力学性能的影响（退火状态）（退火状态）碳钢的塑性随温度变化图碳钢的塑性随温度变化图上节主要内容回顾上节主要内容回顾包套镦粗包套镦粗用摔子拔长用摔子拔长上节主要内容补充上节主要内容补充基于红外热像技术的金属材料疲劳基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法性能研究方法思考思考Ti3Al合金合金加载温度加载温度920920，变形速度，变形速度5 51010-5-5/s/s，应力，应力35MPa35MPa奇特的塑性变形现象奇特的塑性变形现象l1920年年 德国人德国人N.Rosenhaim（一）超塑性的概念与特征（一）超塑性的概念

2、与特征l1945年，前苏联包赤伐尔（包奇瓦尔）针对年，前苏联包赤伐尔（包奇瓦尔）针对这一现象，正式提出这一现象，正式提出“超塑性超塑性”术语。术语。 l1928年，英国物理学家森金斯：凡金属在适当年，英国物理学家森金斯：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，其应变速度为每的温度下变得像软糖一样柔软，其应变速度为每秒秒10毫米时产生毫米时产生300以上的延伸率。以上的延伸率。 金属和合金具有金属和合金具有超常超常的的均匀变形均匀变形能力，其延能力，其延伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。1.1.概念概念 （1）大延伸大延伸：拉伸试验，拉伸试验，Zn-22

3、%Al，250 ，5mm/min， 延伸率延伸率3120%（变形稳定性极好）；（变形稳定性极好）； （2）小应力小应力：Zn-22%Al Ti-6Al-4V GCr15 （3）无缩颈无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象，截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象， 截面收缩率截面收缩率100%；2MPa1.5MPa30MPa2.2.超塑性变形宏观特征超塑性变形宏观特征铜的应力铜的应力-应变曲线应变曲线颈缩颈缩无颈缩无颈缩 （1）大延伸大延伸：拉伸试验，拉伸试验，Zn-22%Al，250 ，5mm/min， 延伸率延伸率3120%； （2）小应力小应力：Zn-22%Al Ti-6Al-4V

4、 GCr15 （3）无缩颈无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象，截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象， 截面收缩率截面收缩率100%； （4）易成型易成型：无加工硬化现象，流动性和填充性好。无加工硬化现象，流动性和填充性好。2MPa1.5MPa30MPa2.2.超塑性变形的特征超塑性变形的特征 （1）延伸率）延伸率（有色金属（有色金属200%，黑色金属，黑色金属100%， 脆性金属超过脆性金属超过 原来几倍）；原来几倍）； （2）晶界滑移引起的应变占总应变的）晶界滑移引起的应变占总应变的30%以上；以上；（3）应变速率敏感性系数应变速率敏感性系数m0.3m0.3 。3.3.如何判断

5、是否呈现超塑性如何判断是否呈现超塑性（二）超塑性的种类（二）超塑性的种类1.1.恒温超塑性（第一类超塑性）恒温超塑性（第一类超塑性） 特点：晶粒特点：晶粒超细化超细化（0.5-5m），），等轴化等轴化 组织热组织热稳定性稳定性 一定温度范围（一定温度范围（T=0.5Tm） 一定变形速率（一定变形速率（ ）钛合金和铝合金晶粒几十微米钛合金和铝合金晶粒几十微米机制机制: 晶粒移动和转动晶粒移动和转动10-410-1m/s 2. 2. 相变超塑性（变温相变超塑性（变温/ /第二类第二类/ /动态）动态） 组织特点：相变组织特点：相变 同素异构转变同素异构转变 控制因素：控制因素：温度幅度温度幅度 温

6、度循环率温度循环率 机制机制: 靠同素异构转变诱发材料的高塑性，在应力靠同素异构转变诱发材料的高塑性，在应力作用下每次相变将得到一次跳跃式均匀变形，在相作用下每次相变将得到一次跳跃式均匀变形，在相变温度附近的多次热循环即可累积得到大的变形量变温度附近的多次热循环即可累积得到大的变形量 3. 其它超塑性其它超塑性 短暂超塑性短暂超塑性 相变诱发超塑性相变诱发超塑性 高应变率超塑性高应变率超塑性 电致超塑性电致超塑性碳钢和轴承钢的延伸率与温度碳钢和轴承钢的延伸率与温度循环次数循环次数n n之间的关系之间的关系（试验温度幅度：（试验温度幅度：538-816538-816度度定负荷：定负荷：17.5M

7、Pa17.5MPa）球墨铸铁相变超塑性与温度循环球墨铸铁相变超塑性与温度循环的关系的关系（试验温度：（试验温度：700-800700-800度，循环速度，循环速度：度：5 5度度/ /分，定负荷：分，定负荷：1-12MPa1-12MPa，2-8MPa2-8MPa）超塑性材料的应力超塑性材料的应力-应变曲线应变曲线（三）超塑性的力学和组织特征（三）超塑性的力学和组织特征1.1.变形力学特征变形力学特征mK.loglogddm l由试验发现，超塑性变形表现对变形速率极其敏感。由试验发现，超塑性变形表现对变形速率极其敏感。 为为1，牛顿黏性流动公式，牛顿黏性流动公式， K是黏性系数；是黏性系数； 为

8、为0.020.2,普通金属；普通金属； 为为0.30.9，超塑性材料。，超塑性材料。 真实流动应力真实流动应力； 决定与实验条件的材料常数；决定与实验条件的材料常数； 应变速率；应变速率； 应变速率敏感指数。应变速率敏感指数。K.mmmm应变速率敏感性指数应变速率敏感性指数m m是什么？是什么？真实流动应力与应变速率之间关系的真实流动应力与应变速率之间关系的S S曲线曲线，lglg123lgdlgd真实流动应力与应变速率之间关系的真实流动应力与应变速率之间关系的S S曲线曲线，Al-Mg共晶合金共晶合金（变形温度：（变形温度：350 ，晶粒直径：，晶粒直径：10.6m）ldlAdA-dtldl

9、dtd.1体积不变：体积不变：0AdlldAVAl ldlAdA-dt1AdA-AdtdA-1 2APKm/. 1m-mAPdtdA111Km值的物值的物理意义理意义ml 越大，越大， 随着随着 增大而急剧增大增大而急剧增大.l反映了抑制局部出现缩颈的能力反映了抑制局部出现缩颈的能力均匀变形均匀变形第二相晶粒能阻碍母相第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也晶粒的长大，而母相也阻碍第二相的长大。阻碍第二相的长大。变形过程中晶粒长大的速度要慢，变形过程中晶粒长大的速度要慢，充分的热变形持续时间。充分的热变形持续时间。2.2.组织特征组织特征晶粒极细晶粒极细等轴晶等轴晶（1）（0.5-5m）（2）

10、双相双相（共析或共晶）（共析或共晶）热稳定性热稳定性（3）（1 1）高温超塑性）高温超塑性铝合金超塑性铝合金超塑性细晶铝合金细晶铝合金0.8Tm（473 ）（2 2）低温超塑性）低温超塑性细晶铝合金细晶铝合金0.5Tm（194 ）搅拌摩擦焊（搅拌摩擦焊（FSWFSW）原理）原理搅拌摩擦加工搅拌摩擦加工铝合金超塑性铝合金超塑性（1 1）高温超塑性）高温超塑性细晶铝合金细晶铝合金0.8Tm（473 ）（2 2）低温超塑性）低温超塑性细晶铝合金细晶铝合金0.5Tm（194 ）金属间化合物金属间化合物NiNi3 3AlAl超塑性组织变化超塑性组织变化（四）超塑性变形机理（四）超塑性变形机理体积扩散线体

11、积扩散线晶界扩散线晶界扩散线（五）影响细晶超塑性的因素（五）影响细晶超塑性的因素温度对温度对 - 和和 m- 曲线影响示意图曲线影响示意图Zn-22%Al合金的延伸率和合金的延伸率和m值与变形温度的关系值与变形温度的关系T=0.5Tm流变应力低流变应力低超塑性变形区域宽超塑性变形区域宽M峰值增加峰值增加延伸率提高延伸率提高d10微米微米流变应力低流变应力低超塑性变形区域宽超塑性变形区域宽m峰值增加峰值增加Al-Cu共晶合金520度时晶粒尺寸对流动应力即m值的影响=10-410-1 min-1 两相分布愈均匀，两相的体积比愈接近于两相分布愈均匀，两相的体积比愈接近于1，热稳定性愈好热稳定性愈好（

12、六）超塑性变形时组织变化和性能影响（六）超塑性变形时组织变化和性能影响晶粒：晶粒：显微组织：显微组织：产生空洞：产生空洞：晶粒没有被拉长，仍保持等轴晶晶粒没有被拉长，仍保持等轴晶状态，晶粒度部分长大；状态，晶粒度部分长大；几乎没有位错、亚结构，织构不发达；几乎没有位错、亚结构，织构不发达；由于晶界的滑动、转动及晶粒回转，在由于晶界的滑动、转动及晶粒回转，在晶界或相界处形成空隙和裂纹，仅存在晶界或相界处形成空隙和裂纹，仅存在于试样的表面。于试样的表面。 不产生各向异性，具有较高的抗应力腐蚀性能不产生各向异性，具有较高的抗应力腐蚀性能 （细小等轴晶粒、无织构）（细小等轴晶粒、无织构） 没有残余应力没有残余应力 （温度稳定、变形缓慢、不存在弹性畸变能）（温度稳定、变形缓慢、不存在弹性畸变能） 产生加工软化现象产生加工软化现象 （Zn-Al共析合金，硬度随着压缩率增加而降低）共析合金，硬度随着压缩率增加而降低） 具有微细双相混合组织，较高的抗疲劳强度具有微细双相混合组织，较高的抗疲劳强度 （高铬高镍超塑性不锈钢）（高铬高镍超塑性不锈钢）（七）超塑性的应用（七）超塑性的应用1.1.无模拉伸无模拉伸2.2.气胀成形气胀成形 3.3.压焊加工压焊加工SPFSPF应用实例应用实例美