《特种塑性成型》课件-2.超塑性成型

1.超塑性成型的概念及特点目录超塑性成型的概念1超塑性成型的特点2超塑性成型的概念及特点超塑性现象凡金属在适当的温度下（约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度为10毫米每秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性英国·森金斯并在许多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了延展性特别显著的特异现象超塑性苏联·包奇瓦尔一、超塑性成型的概念超塑性成形塑性金属在外力作用下，无损而永久地改变形状的能力。超塑性超出一般塑性指标的金属特性。一、超塑性成型的概念钛合金铝合金镁合金镍合金伸长率黑色金属不大于40%，有色金属也不超过60%软铝约为50%，金、银一般也只有80%有色金属＞200%超塑性金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的伸长率而不产生缩颈与断裂现象的性能称为超塑性。黑色金属＞100%部分金属＞1000%一、超塑性成型的概念大变形无缩颈小应力易成形，工艺简单成形件质量好特点材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、无缩颈、低应力、易成形等来描述二、超塑性成型的特点单向拉伸时伸长率值极高大变形其在变形稳定性方面要比普通材料好得多，这样使材料成形性能大大改善较多超塑性材料伸长率可以达到1000%以上铅-锡共晶合金伸长率最高可达5500%以上铝青铜伸长率最高可达8000%以上二、超塑性成型的特点钛合金球形燃料箱大变形壁厚0.71~1.5mm超塑性吹塑成形成形精度和性能好大大节约成本二、超塑性成型的特点复杂电子仪器底座民用工业大变形盖板及其他复杂零件汽车外壳箱板形状复杂的工艺制品家用电器制件如用超塑性成形均可一次制成，使生产成本显著降低。二、超塑性成型的特点无缩颈一般材料拉伸变形变形在整个试样上均匀地产生早期缩颈应力集中效应提前断裂超塑性材料整个试样的变形梯度缓慢而均匀断面收缩率数值接近于100%二、超塑性成型的特点小应力变形抗力小粘性或半粘性流动变形抗力可以低到10MPa的量级，便于实现甚至像吹塑这样的低压力成形，而且基本上没有加工硬化行为流动应力比常规变形小到几分之一乃至几十分之一二、超塑性成型的特点易成形变形过程基本上没有或只有很小的应变硬化现象，所以易于压力加工流动性和填充性极好可用多种方式进行成形产品质量大幅提高二、超塑性成型的特点成形件质量好不存在由于硬化引起的回弹导致零件成形后的变形问题，故零件尺寸稳定超塑性成形残余应力很小不会产生裂纹、弹性回复和加工硬化成形后材料仍能保持等轴细晶组织、无各向异性二、超塑性成型的特点2.超塑性的分类及微观组织机理目录超塑性的分类1超塑性微观组织机理2超塑性的分类及微观组织机理组织超塑性超塑性的分类相变超塑性其他超塑性组织超塑性热稳定性好条件一：材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10微米,并且在超塑性温度下晶粒不易长大条件二：变形温度T>0.5Tm并且在变形时保持恒定温度条件三：应变速率比较低一、超塑性的分类钛合金晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能组织超塑性优点微晶组织超塑性恒温下易于操作，故大量用于超塑性成形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一、超塑性的分类相变超塑性经过一定循环次数的相变或同素异构转变而获得很大的伸长率这类超塑性不要求材料有超细晶粒，但要求具有固态相变或同素异构转变变温超塑性动态超塑性加热冷却相变超塑性的主要控制因素是温度幅度△t和温度循环率(即加热→冷却速度)一、超塑性的分类相变超塑性优点：不要求材料进行晶粒的细化、等轴化和稳定化的预先热处理缺点：必须给予动态热循环作用，生产困难，较难应用于超塑性成形加工简单变形热处理焊接切削加工一、超塑性的分类其他超塑性25mm热轧低碳钢棒快速加热到α+γ（阿尔法+伽马）两相区，保温5～10s,快速拉伸，伸长率可达到100%～300%短暂超塑性在再结晶及组织转变时极不稳定的显微组织状态下生成等轴超细晶粒，并在此短暂时间内快速施加外力才能显示出超塑性一、超塑性的分类变形程度变形温度为250℃、晶粒的原始直径为0.5μm晶粒度的变化晶粒长大等轴度基本不变应变速率变形温度图2-2-1晶粒的大小随应变速率的降低而增大，但在最佳超塑性应变速率范围内晶粒随速率的降低而增大并不明显变形程度越大，晶粒长大也越显著二、超塑性变形的微观组织机理显微组织的变化不形成亚结构，亦未发现有晶内位错或仅有个别位错，在试样抛光表面上不出现滑移线，说明没有位错运动应变速率范围内位错数量增加，如果应变速率更高，则亦会形成亚结构提高应变速率二、超塑性变形的微观组织机理空洞的生成许多合金在超塑性拉伸变形时会伴生空洞变形程度应变速率变形温度晶粒尺寸相的性质空洞随应变速率的升高而增多空洞沿拉伸变形方向被拉长二、超塑性变形的微观组织机理小结在超塑性变形时，晶粒虽有不同程度的长大，但基本上保持等轴状1变形后的微观组织中几乎看不到位错，也没有晶内滑移的痕迹，不形成亚结构2有显著的晶界滑移痕迹，在许多情况下晶界或相界处形成空洞等3超塑性的分类及微观组织机理3.超塑性成型的应用目录超塑性成形的原理1钛合金超塑性成形2镁合金超塑性成形3超塑性成型的应用20世纪70年代锌合金钛合金铝合金铜合金黑色金属优异的变形性能材质均匀金属材料超塑性成形技术的应用范围复合材料陶瓷材料高分子材料金属间化合物步骤一：板料压紧在模具上超塑性气胀成形超塑性拉伸步骤二：板料产生超塑性变形步骤三：逐步贴合在模具型腔表面，形成与模具型面相同形状的零件图2-3-1超塑成型示意图一、超塑性成型的原理导弹外壳整流罩球形气瓶波纹板发动机部件图2-3-2钛合金超塑性成形产品图a：ISAS卫星的球形燃料罐图b：钛合金风扇及中空叶片图c：钛合金波纹管图d：钛合金多层板结构图e：钛合金再造鼻子二、钛合金超塑性成形图2-3-3

F-15型飞机机身背部两块大型壁板长度3048mm宽度1143mm总重量减轻38.4%总成本降低53.4%国外钛合金超塑性成形技术应用不断拓宽，已经广泛用于实际生产中军用转民用速度加快，用在民用飞机上的超塑性成形钛合金结构件日益增多二、钛合金超塑性成形钛合金涡轮盘钛合金高压球罐生产率提高几十倍到200倍成本原成本的1/8～1/10工艺技术水平不高工艺装备比较落后辅助手段不配套成形后处理和检测手段不完善与国外产品差距二、钛合金超塑性成形镁合金板材在国防、民用工业领域的应用极为广泛密排六方结构难成形性镁合金需进行晶粒细化处理才具有超塑性经过细化处理的镁合金显微组织由于基体内弥散分布大量第二相粒子，在超塑变形时能够获得稳定、等轴的细晶结构，因而超塑性效应十分显著三、镁合金超塑性成形在此伸长率下，镁合金材料将可以更容易填充模腔，制造出复杂形状的工件塑性加工各向异性超塑性特性各向同性伸长率通常都能达到300%图2-3-4超塑性成形的镁合金工件三、镁合金超塑性成形小结超塑性成形的原理1钛合金超塑性成形2镁合金超塑性成形3超塑性成型的应用4.超塑性成型的发展趋势目录超塑性成型在工业领域应用1新型超塑性材料的开发2微超塑性成形的研究3超塑性型展望超塑性的研究是否还有生命力超塑性理论研究如何深入超塑性的应用前景如何汽车工业日本和瑞士等国的汽车公司用超塑性成形方法生产了大型铝合金覆盖件无弹复能耗大单侧模具单工序设备载荷低成本高效率偏低坯料预热热开模机械手取件多工作台交替成本为普通板材的10倍左右一、超塑性成型在工业领域应用原因一：铝合金细晶板材制备成本较高原因二：超塑性材料的应用面较窄图2-4-1汽车工业中超塑性成形零件一、超塑性成型在工业领域应用镁合金金属间化合物金属基复合材料陶瓷开发大块纳米级超塑材料研究它们的超塑变形行为其中在