第15讲超塑性现象

金属塑性变形理论

Theoryofmetalplasticdeformation

第十五讲LessonFifteen张贵杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大学金属材料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/2/20231第七章金属的塑性主要内容MainContent塑性的概念及塑性指标影响塑性的主要因素超塑性现象2/2/202327.3超塑性现象纳米铜的室温超塑性2/2/20233在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250℃时延伸率)2/2/20234Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率（）2/2/20235高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件2/2/20236双相不锈钢超塑性成形的航天器件2/2/20237超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管2/2/20238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2/2/20239超塑性的概念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）的现象。一般说来，如果材料的延伸率超过100％，就可称为超塑性。凡具有能超过100％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延伸率最大可超过1000％，有的甚至可达2000％2/2/2023102/2/202311超塑性的分类组织超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。温度：Ts≥0.5Tm（Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）变形速度：10-4~10-1/s。微细晶粒尺寸其范围在0.5～5μm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。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。2/2/202312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。如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A1、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（ag）的两次转变，可以得到两次均匀延伸。D.Oelschlägel等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试验表明，延伸率可达到500%以上。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逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。2/2/202313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。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"TRIP"现象。Fe-Ni合金，Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。2/2/202314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超塑性。Al-5%Si及Al-4%Cu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-U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。2/2/202315超塑性的历史及发展

超塑性现象最早的报道是在1920年，德国人罗申汉（N.Rosenhaim）等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。1934年，英国的C.P.Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。1945年前苏联的A.A.Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年，美国的W.A.Backofen对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数－m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，世界上形成了超塑性研究的高潮。

2/2/202316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Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu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形状构件的生产中起到了不可替代的作用。2/2/202317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：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；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；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。2/2/202318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，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2/2/202319合金成分（Wt%）m延伸率δ(%)变形温度（℃）共析合金

Zn-22Al0.5>1500200~300共晶合金

Zn-5Al0.48～0.5300200～360

Al-33Cu0.9500440～520Al-Si－120450Cu-Ag0.53500675Mg-33Al0.852100350～400Sn-38Pb0.59108020Bi-44Sn－195020～30Pb-Cd0.35800100m为应变速率敏感性指数2/2/202320Al基合金

Al-6Cu-0.5Zr0.51800～2000390～500Al-25.2Cu-5.2Si0.431310500Al-4.2Zn-1.55Mg0.9100530Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr0.91550550Al-8Zn-1Mg-0.5Zr－>1000－Al-33Cu-7Mg0.72>600420～480Al-Zn-Ca－

267500Cu基合金

Cu-9.5Al-4Fe0.64770800Cu-40Zn0.645156002/2/202321Fe-C合金（钢铁）

Fe-0.8C

－210～250680Fe-(1.3,1.6,1.9)C

－470530～640GCr150.42540700Fe-1.5C-1.5Cr

－1200650Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V

－817650AISI01(0.8C)0.51200650521600.61220650高级合金

901－400900～950Ti-6Al-4V0.85>1000800～10002/2/202322高级合金

IN744Fe-6.5Ni-26Cr0.51000950Ni-26.2Fe-34.9Cr-0.58Ti0.5>1000795～855IN1000.510001093纯金属

Zn（商业用）0.240020～70Ni－

225820U7000.4210001035Zr合金0.5200900Al商业用）－6000(扭转)377～5772/2/202323超塑性的力学特征流动应力在超塑性材料中，流动应力特别敏感于应变速率。如图所示，用对数坐标表示的流动应力与应变速率的关系曲线呈“S”形。Mg-Al共晶合金的应变速率与(a)流动应力(b)敏感系数m的关系2/2/202324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，即低应变速率区Ⅰ、高应变速率区Ⅱ和超塑性区Ⅲ，在Ⅰ区和Ⅲ区中m<0.3，在Ⅱ区中m>0.3。2/2/202325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2/2/202326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在最大应变速率和最小应变速率这两端，m值对温度的敏感性较差，即在接近蠕变变形区及普通热加工区，m值对温度的敏感性较差Ⅰ/Ⅱ区和Ⅲ/Ⅱ区之间的过渡向高应变速率方向移动2/2/202327晶粒的大小对流动应力及m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＜10μm，最好是＜5μm。2/2/202328晶粒越细小：除Ⅲ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；Ⅱ区和Ⅲ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2/2/202329应变速率敏感性指数m的物理意义应变速率敏感性指数m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m值使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，由于高的流动应力应变速率敏感性，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下，外加应力不足以使颈缩发展。2/2/202330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500％的应变下晶粒尺寸可能增加50％或100％。有人在Sn－5％Bi合金上发现，延伸率达1000％时，晶粒仍保持等轴并发现晶粒长大了好几倍。2/2/202331对某些材料，如a／b黄铜、Al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。一般认为空洞是由晶界滑移引起的，所以在Ⅱ区内因晶界滑移对塑性变形的作用最大，其空洞速率也就最大。试验结果还表明，当材料在超塑性变形过程中形成大面积空洞时，其相互连接将导致材料的最终断裂。2/2/202332超塑性的机理一、空位—迁移过程理论空位—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，由此而使晶体发生变形。2/2/202333如图所示，在应力作用下的蠕变或扩散蠕变示意图，原于通过晶格按箭头所指的方向扩散，伴随一个相反的空位的流动。虚线勾划的晶粒在应力方向伸长，影格区表示被扩散物质的量2/2/202334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，而且也可以用来解释超塑性变形的机理。2/2/202335二、晶间滑移理论在此理论中，设想晶界似如晶体间的流动层，并且晶粒越细小，越接近于完全无序（非晶体）的流动状态。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。2/2/202336Zn-Al合金超塑性变形时Zn相(b)与Al相(a)的转换机构2/2/202337三、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。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，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。2/2/202338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上逐渐得到引人注目的应用。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。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，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。2/2/202339一、无模拉伸如图所示，这种拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸时，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件进行局部加热，并在拉伸时对拉拔速度加以控制