塑性成型基本原理第七节超塑性

塑性成型基本原理第七节超塑性上节主要内容回顾（1）影响金属塑性的因素？（2）提高金属塑性的途径？包套镦粗用摔子拔长上节主要内容补充基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法第二章金属塑性成型的物理基础思考（1）超塑性变形的宏观特征（2）超塑性的力学特征和组织特征（3）应变敏感性指数（m）物理意义2.5金属的超塑性Ti3Al合金加载温度920℃，变形速度5×10-5/s，应力35MPa奇特的塑性变形现象1920年德国人（一）超塑性的概念与特征1945年，前苏联包赤伐尔（包奇瓦尔）针对这一现象，正式提出“超塑性”术语。1928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，其应变速度为每秒10毫米时产生300％以上的延伸率。

金属和合金具有超常的均匀变形能力，其延伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。1.概念

（1）大延伸：拉伸试验，Zn-22%Al，250℃

，5mm/min，延伸率3120%（变形稳定性极好）；（2）小应力：Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

（3）无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象，截面收缩率100%；2MPa30MPa2.超塑性变形宏观特征铜的应力-应变曲线颈缩无颈缩

（1）大延伸：拉伸试验，Zn-22%Al，250℃

，5mm/min，延伸率3120%；（2）小应力：Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

（3）无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象，截面收缩率100%；（4）易成型：无加工硬化现象，流动性和填充性好。2MPa30MPa2.超塑性变形的特征

（1）延伸率δ（有色金属200%，黑色金属100%，脆性金属超过原来几倍）；

（2）晶界滑移引起的应变占总应变的30%以上；（3）应变速率敏感性系数m≥

。3.如何判断是否呈现超塑性（二）超塑性的种类1.恒温超塑性（第一类超塑性）特点：晶粒超细化（μm），等轴化组织热稳定性一定温度范围（）一定变形速率（）钛合金和铝合金晶粒几十微米机制:晶粒移动和转动10-4~10-1m/s2.相变超塑性（变温/第二类/动态）

组织特点：相变同素异构转变控制因素：温度幅度温度循环率

机制: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

短暂超塑性相变诱发超塑性高应变率超塑性电致超塑性碳钢和轴承钢的延伸率与温度循环次数n之间的关系（试验温度幅度：538-816度定负荷：）球墨铸铁相变超塑性与温度循环的关系（试验温度：700-800度，循环速度：5度/分，定负荷：1--12MPa，2--8MPa）低碳钢应力—应变曲线超塑性材料的应力-应变曲线（三）超塑性的力学和组织特征1.变形力学特征由试验发现，超塑性变形表现对变形速率极其敏感。

为1，牛顿黏性流动公式，

K是黏性系数；为,普通金属；为，超塑性材料。

真实流动应力；决定与实验条件的材料常数；应变速率；应变速率敏感指数。应变速率敏感性指数m是什么？真实流动应力与应变速率之间关系的S曲线，123真实流动应力与应变速率之间关系的S曲线，Al-Mg共晶合金（变形温度：350℃，晶粒直径：µm）体积不变：m值的物理意义

越大，随着增大而急剧增大反映了抑制局部出现缩颈的能力均匀变形第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也阻碍第二相的长大。变形过程中晶粒长大的速度要慢，充分的热变形持续时间。2.组织特征晶粒极细等轴晶（1）（m）（2）双相（共析或共晶）热稳定性（3）（1）高温超塑性铝合金超塑性细晶铝合金m（473℃）（2）低温超塑性细晶铝合金m（194℃）搅拌摩擦焊（FSW）原理搅拌摩擦加工铝合金超塑性（1）高温超塑性细晶铝合金m（473℃）（2）低温超塑性细晶铝合金m（194℃）金属间化合物Ni3Al超塑性组织变化超塑性变形机理（细晶超塑性）

“主要是晶界滑动、扩散蠕变、动态回复和动态再结晶作用”

晶界滑动、扩散蠕变模型（四）超塑性变形机理体积扩散线晶界扩散线变形温度（五）影响细晶超塑性的因素温度对-和m-曲线影响示意图Zn-22%Al合金的延伸率和m值与变形温度的关系m流变应力低超塑性变形区域宽M峰值增加延伸率提高晶粒尺寸和形状的影响d<10微米流变应力低超塑性变形区域宽m峰值增加Al-Cu共晶合金520度时晶粒尺寸对流动应力即m值的影响应变速率的影响=10-4~10-1min-1两相组织的影响

两相分布愈均匀，两相的体积比愈接近于1，热稳定性愈好组织变化（六）超塑性变形时组织变化和性能影响晶粒：显微组织：产生空洞：晶粒没有被拉长，仍保持等轴晶状态，晶粒度部分长大；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，在晶界或相界处形成空隙和裂纹，仅存在于试样的表面。力学性能影响

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）

没有残余应力（温度稳定、变形缓慢、不存在弹性畸变能）

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）

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）（七）超塑性的应用1.无模拉伸2.气胀成形3.压焊加工SPF应用实例美国机种采用SPF、SPF/DB构件的技术经济效益引自-北京航空工程制造研究所欧洲机种采用SPF、SPF/DB构件的应用情况引自-北京航空工程制造研究所（1）滑移和孪生的异同点？（2）多晶体的变形特点？（3）什么是加工硬化现象？（4）冷加工对组织和性能的影响？（1）热加工对金属组织、性能影响？（2）冷、热加工的区别？（3）冷加工流线与热加工流线区别？（4）板材经热加工后均为各向同性？（5）叙述晶粒随着温