金属材料超塑性研究课件

ResearchinSuperplasticityof

MetalMaterialSchoolofMaterialsScienceandEngineeringName:ZhaoKefeiStudentID:130602336

B—1喷气式轰炸机

美国空军材料研究所用超塑性钛合金一次成型了B—1喷气式轰炸机尾舱的骨架（原来由100多个零件，8个部件组成），而且比原来重量减少了33%，成本降低了55%，有以前22道工序减到5道工序。

低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸曲线杯锥断口状

一般的塑性材料进行拉伸试验时，拉伸到塑性变形阶段时，随着变形过程的进行，相伴出现加工硬化，当伸长达到一定长度时，试棒在局部区域形成缩颈，最后呈杯锥断口而断裂。黑色金属的延伸率均在30~40%范围内，有色金属及其合金的塑性较高，例如铝、铜及其合金一般为50~60%。然而有些科学家在一些实验中，却发现了一些有关金属材料的塑性异常现象：

在1920年,Roseubain,Haughton及Bingbam等对Zn--Al--Cu合金系进行研究时发现Zn--4%Al--7%Cu三元合金的压延板以高速进行弯曲时，立即断裂。以缓慢的速率进行弯曲时，虽弯曲至180°亦不断裂。

在1924年，Sauveur使一根铁棒从一端到另一端，温度由高而低的发生变化。在一定的载荷下，发生扭曲，发现在接近于相变温度的区域内，扭曲量特别大。

在1934年，英国人C.P.Pearson对于挤压过的Pb--Sn(37%Pb)及Bi--Sn(44%Sn)共晶合金，在缓慢的应力作用下进行拉伸试验，发现试样可以拉伸到接近于原试样长度的20倍的长度的均匀细丝而不断裂，总延伸率达到接近于2000%。下图1中所示为自Pearson的著作中拍摄出来的Bi--Sn共晶合金试样拉伸到1950%而未断裂的细丝绕成的卷，这是第一次在金属材料中所获得的最高延伸率。图1.挤压Bi---Sn共晶合金试棒拉伸到1950%时的情况。图中右边是尚未拉伸的试棒。金属超塑性的概念

“超塑性”作为一种现象并不像“超导”那样具有明确或确定的物理意义，各种材料的超塑性变形机理可能不完全一样，有时更是完全不一样。判断超塑性的标准也没有确切的定义。有的以拉伸试验的伸长率来定义；有的以应变速率敏感性指数m来定义；还有的以抗缩颈能力来定义。

我们知道普通的金属材料在拉伸时试样会产生缩颈，最后在缩颈出断裂。即使是塑性很好的金属材料，断裂时所得的延伸率也绝不会超过100%。但是有些金属材料，在特定条件下拉伸时，在没有局部缩颈或断裂的情况下，其延伸率很容易超过100%，甚至高达2000%，在这里我们把金属材料的这种性能称为超塑性。

所谓特定的条件包括：①金属材料的内在条件，如一定的成分，特有的显微组织存在及转变能力（相变，再结晶及固溶度变化等）。②外在条件，如变形温度及变形速度等。*除金属材料外，非金属材料，例如陶瓷材料等也会产生超塑性。超塑性材料和一般塑性材料的力学特征比较

关于超塑性材料和非超塑性材料可以用拉伸试验中表现的行为及结果进行比较。不过，除拉伸载荷外，超塑性也会在其他形式的载荷，例如，压缩，扭转及反复载荷的作用下产生。超塑性材料一般塑性材料一般的塑性材料的拉伸：

一般的塑性材料进行拉伸试验时，主要有两个特点：第一，拉伸到塑性变形阶段时，随着变形过程的进行，相伴出现加工硬化。第二，当伸长达到一定长度时，试棒在局部区域形成缩颈，最后呈杯锥断口而断裂。其公称应力-应变曲线如下图2.中所示。第一阶段为弹性变形阶段，表现为直线。第二阶段为塑性变形阶段，表现为曲线。在塑性变形阶段内，一方面由于加工硬化的结果，试棒的塑形降低。另一方面，由于试棒的截面减小，从而使有效应力增高。塑性变形阶段内曲线的形状由这两种现象的综合效果所决定。在应力的峰值以前，属于稳定的塑性变形，试样的截面积是均匀减小的。超过应立峰值以后，属于不稳定的塑性变形，试样在局部区内，变得很细，形成细颈最后已断裂而告终。

图2.公称应力--应变曲线图3超塑性材料的拉伸：超塑性的种类

根据超塑性变形时所表现出的“大延伸、无缩颈、小应力、易成型”的特征，我们把凡是具有上述特点的金属变形认为是超塑性变形。关于超塑性的分类，现在还没有统一的认识，按温度和形态可以分为：

1.细晶超塑性（即恒温超塑性）。即在一定的恒温条件下，而且在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所实现的超塑性。

2.相变超塑性（即变温超塑性）。相变超塑性不同于细晶超塑性，它是在一个变动频繁的温度环境下受到应力作用时，经过多次循环相变或同素异型转变等而获得很大的延伸变形。细晶超塑性（grainrefinedsuperplasticity）这类超塑性的产生必须具备以下几个必要的条件：a.金属须具有均匀微细的等轴粒，且在超塑性的温度下不易粗化长大，即热稳定性好。b.变形温度应大于0.5Tm（Tm为绝对熔化温度），一般为0.5--0.7Tm，且保持恒定。

c.应变速率低，比普通的塑性加工应变速率至少小一个数量级，由于细晶超塑性是在恒温下产生，没有相变等一类组织结构上的转变，所以又称之为静态超塑性。细晶超塑性是目前研究和应用较多的一种，其优点是恒温下易于操作，故大量用于超塑性成型；但也有其缺点，因为晶粒的超细化、等轴化及稳定化要受到材料的限制，并非所有合金都能达到此目的，如共晶白口铸铁至少在目前是不可能的。相变超塑性（phase-transformationsuperplasticity）产生相变超塑性必须具备两个条件：a.金属或合金具有固态结构转变能力b.应力作用和在转变温度上下循环加热和冷却相变超塑性的过程，实际上是使具有固态结构转变能力的金属或合金在应力和转变温度上下循环加热和冷却的双重作用下诱发它产生反复的结构变化，使金属原子发生剧烈的运动而产生的超塑性。相变超塑性的主要控制因素是温度幅度（ΔT=T上-T下)和温度循环速率(ΔT/Δt)，相变超塑性的总延伸率与温度循环周期次数有关，循环次数愈高，总延伸率愈大。由于相变超塑性是在一个变动频繁的温度范围内依靠反复的结构变化引起，故又称为动态超塑性，或者叫做变温超塑性。它的优点是不要求金属具有超细晶粒组织，但它最大的一个缺点是必须要给予他一个动态热循环作用，较难应用于超塑性成形加工。常用超塑性材料加工方法通过超塑性研究的进一步深入和发展，目前已有下列加工方法已得到应用：⑴冷处理--快速加热至双相区快速变形法，它适用于普通低合金钢和非奥氏体不锈钢。⑵冷轧--双相区拉拔法，它适用于各种碳钢的热拉拔。⑶反复快速加热--临界区断续拉拔法，它适用于各种丝材的拉拔，如无模拉拔。⑷轧后快冷--快速加热恒温变形法，它适用于高合金难变形钢，如热强钢的轧制、锻压等。⑸淬火至马氏体区--形变热处理法，它适用于工具钢、轴承钢和结构钢的温加工。⑹粉末热压成型--临界区热变形发，它适用于各种碳钢尤其高碳钢的热加工。⑺固相压接焊接法，它适用于普通钢、不锈钢和灰口铁的大塑变焊接，据说可节电50-60%。

此外还有其他方法如吹胀成型、注射成型、真空成型、拉伸成型以及热压印制模等。超塑性成型设备高温超塑成型压机SuperplasticFormingofAluminumAircaftAssemblies影响超塑性变形的因素

影响超塑性变形的因素很多，其中主要的有应变速率、变形温度、晶粒尺寸及形状等。应变速率的影响

超塑性材料在应变之后有一段很长的均匀变形，随着应变增加，应力缓慢降低，试样截面逐渐减小，在变形温度不变的前提下，超塑性的拉伸特性和应变速率密切相关。用不同的应变速率对超塑性材料进行拉伸，则其流动应力随应变速率增大而增大，尤其在II区，应力随应变速率变化较快，超塑性变形发生在该区域，即m>0.3。见图4.图4.超塑性流动曲线示意>0.5Tm变形温度的影响

变形温度对超塑性的影响非常明显，当低于或超过某一温度范围时，就不出现超塑性现象。超塑性变形温度大约在0.5Tm左右，一般为0.5~0.7Tm.但对于不同的金属和合金会有所差别。晶粒尺寸和形状的影响

细晶超塑性首要条件是要求晶粒度小，等轴、热稳定性好，晶粒度越小，m值则越大，应变速率则越大。晶粒尺寸要求小于10μm（一般为0.5~5μm），同时要求超塑性变形过程中材料据有优良的热稳定性，这是因为变形是在一定的强度范围内进行的，如果出现晶粒的长大，m值则下降，失去超塑性。图5.晶粒度对超塑性流动曲线的影响

另外，晶粒的形状对m值的影响也很大，片状的共晶和共析组织就不显示超塑性，m值很小。超塑性变形机理

金属超塑性具有无缩颈的巨大延伸率的特点，非一般的塑性变形机理所能解释。随着超塑性合金的发现，引起了许多学者的兴趣，并作了大量研究工作，提出了各种各样的假说和理论。基本上有：“溶解--沉淀理论”、“亚稳态理论”、“晶界的滑移”、“晶界的移动”、“晶体的回转”、“扩散蠕变”、“位错的上升和运动”、变形中再结晶以及晶界非物质移动等。

目前由阿希贝（Ashby）和弗拉尔（Verrall）提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理（简称A--V机理）被认为能较好地解释超塑性变形过程，该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起协调作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。

图6示出A--V机理的模型。一组晶粒在拉应力作用下，由于晶界滑移和原子扩散（包括晶内扩散和晶界扩散），一方面使晶粒由起始状态演变成图中所示的中间状态，从而使晶界面积和系统的自由能增加；另一方面，随着中间状态向最终状态的转变，晶界面积逐渐减小。这样，外部给予的能量消耗在晶界面积的变化过程中，结果横向晶粒相互靠近、接触，纵向晶粒彼此分离、拉开，而所有晶粒仍保持等轴状原样，只是发生了“转动换位”。

图6.晶界滑动和扩散蠕变联合机理平面模型超塑性的应用

正是因为超塑性金属材料既具有塑料般的成型性，又具有可贵的金属性的双重特性，从七十年代开始超塑性材料在工业上得到了越来越广泛的应用。金属材料在超塑性状态下具有异常高的延展性，因此可以实现大变形量一次加工成型，便与制造形状极为复杂，表面质量和精度要求高的零件，而且成型应力小，材料利用率大大提高，生产成本大幅度降低，节能、省工、省料。

但超塑性加工也有其缺点，比如加工中变形速度小，所以生产率低，但它能以一次工序加工出精密而复杂形状的制品，弥补了生产率低的不足；加工温度为材料的绝对熔点的一半以上，所以有些超塑性材料如铁合金、钛合金等加工时，合金的氧化、工具强度均有突出的问题；材料成本高，现主要应用于航空航天、汽车、生物医学材料、电子仪器等领域。。

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吹塑成型Ti-6Al-4V球形卫星燃料箱钛合金球形卫星燃料箱的吹塑成型壁厚0.71~1.5mm，若用机械加工，几乎不可能而用超塑性吹