對超塑性成型的認(rèn)識

1、對超塑性成型的認(rèn)識一 .超塑性的簡介及發(fā)展歷史超塑性是指材料在一定的內(nèi)部 （組織）條件?。ㄈ缇Я３叽缂靶螤?、相變等 ) 和外部 ( 環(huán)境 ) 條件下 ( 如溫度、應(yīng)變速率等 ) ，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能 ( 如大的延伸率 ) 的現(xiàn)象。超塑性的特點(diǎn)有大延伸率，無縮頸（小縮頸），小應(yīng)力，易成形。超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10 倍、20 倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。金屬的超塑性現(xiàn)象，是英國物理學(xué)家森金斯在 1982 年發(fā)現(xiàn)的，他給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）

2、 變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度 10 毫米秒時(shí)產(chǎn)生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。最初發(fā)展的超塑性合金是一種簡單的合金，如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的 19.5 倍，然而這些材料的強(qiáng)度太低，不能制造機(jī)器零件，所以并沒有引起人們的重視。60 年代以后，研究者發(fā)現(xiàn)許多有實(shí)用價(jià)值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性， 于是前蘇聯(lián)、 美國和西歐一些國家對超塑性理論和加工發(fā)生了興趣。 特別在航空航天上， 面對極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形， 而利用超塑性加工卻獲得了1 / 8成功。到了 70 年代，各種材料的超塑性成型已發(fā)展成流行的新工藝?，F(xiàn)在超塑性合金已有一

3、個長長的清單， 最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有 1015 個牌號，它們的延伸率在 2002000之間。如鋁鋅共晶合金為 1000，鋁銅共晶合金為 1150，純鋁高達(dá) 6000，碳和不銹鋼在 150800之間，鈦合金在4501000之間。實(shí)現(xiàn)超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應(yīng)變速率， 這時(shí)合金本身還要具有極為細(xì)小的等軸晶粒（直徑五微米以下），這種超塑性稱為超細(xì)晶粒超塑性。 還有一些鋼，在一定的溫度下組織中的相發(fā)生轉(zhuǎn)變，在相變點(diǎn)附近加工也能完成超塑性，稱為相變超塑性。超塑加工具有很大的實(shí)用價(jià)值， 只要很小的壓力就能獲得形狀非常復(fù)雜的制作。試想一下， 金屬變成了飴糖狀，從而具有了可吹塑和可擠

4、壓的柔軟性能， 因此過去只能用于玻璃和塑料的真空成型、 吹塑成型等工藝被沿用過來， 用以對付難變形的合金。 而這時(shí)所需的壓力很小，只相當(dāng)于正常壓力加工時(shí)的幾分之一到幾十分之一， 從而節(jié)省了能源和設(shè)備。使用超塑性加工制造零件的另一優(yōu)點(diǎn)是可以一次成型，省掉了機(jī)械加工、鉚焊等工序，達(dá)到節(jié)約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時(shí)，只需要具備一種陰?；蜿柲＜纯桑?jié)省一半模具費(fèi)用。 超塑性加工的缺點(diǎn)是加工時(shí)間較長， 由普通熱模鍛的幾秒增至幾分鐘。超塑性的鋁合金已經(jīng)商品化，如英國的Supral 100（ Al 6Cu0.4Zr ）和加拿大的 Alcan 08050 （Al 5Ca5Zn）。鋁板可在

5、300600時(shí)利用超塑性成型為復(fù)雜形狀，所用模具費(fèi)用降2 / 8低至普通壓力加工模具費(fèi)用的十分之一，因此它具有和薄鋼板、 鋁壓鑄件及塑料模壓件相競爭的能力。據(jù)推測，最近超塑性成形工藝將在航天、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用，所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不銹鋼和高溫合金等二 . 超塑性的發(fā)展方向近年來超塑性在我國和世界上主要的發(fā)展方向主要有如下三個方面：1. 先進(jìn)材料超塑性的研究，這主要是指金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性的開發(fā)， 因?yàn)檫@些材料具有若干優(yōu)異的性能，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而這些材料一般加工性能較差，開發(fā)這些材料的超塑性對于其應(yīng)用具有重要意義；2.

6、 高速超塑性的研究：提高超塑變形的速率，目的在于提高超塑成形的生產(chǎn)率；3. 研究非理想超塑材料（例如共貨態(tài)工業(yè)合金）的超塑性變形規(guī)律，探討降低對超塑變形材料的苛刻要求，而提高成形件的質(zhì)量，目的在于擴(kuò)大超塑性技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其發(fā)揮更大的效益。三 .超塑性的分類：早期由于超塑性現(xiàn)象僅限于Bi-Sn 和 Ai-Cu 共晶合金、 Zn-Al 共析合金等少數(shù)低熔點(diǎn)的有色金屬， 也曾有人認(rèn)為超塑性現(xiàn)象只是一種特殊現(xiàn)象。隨著更多的金屬及合金實(shí)現(xiàn)了超塑性，以及與金相組織及3 / 8結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來研究以后，發(fā)現(xiàn)超塑性金屬有著本身的一些特殊規(guī)律，這些規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。 而并不局限于少數(shù)金屬中。 因此按照實(shí)現(xiàn)超塑

7、性的條件（組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等）一般分為以下幾種1. 恒溫超塑性或第一類超塑性。 根據(jù)材料的組織形態(tài)特點(diǎn)也稱之為微細(xì)晶粒超塑性。1.一般所指超塑性多屬這類超塑性，其特點(diǎn)是材料具有微細(xì)的等軸晶粒組織。在一定的溫度區(qū)間（Ts0.5Tm，Ts 和 Tm 分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對溫度）和一定的變形速度條件下 （應(yīng)變速率在 10-4 10 -1 /S 之間）呈現(xiàn)超塑性。這里指的微細(xì)晶粒尺寸，大都在微米級，其范圍在0.55之間。一般來說，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對有些材料來說（例如Ti 合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有很好的超塑性能。 還應(yīng)當(dāng)指出，由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，

8、因此即使初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸，如果熱穩(wěn)定性差，在變形過程中晶粒迅速長大的話，仍不能獲得良好的超塑性。2. 相變超塑性或第二類超塑性，亦稱轉(zhuǎn)變超塑性或變態(tài)超塑性。 這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條件下，經(jīng)過多次的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變獲得大延伸。 例如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于 A1,3 溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（ )的兩次轉(zhuǎn)變，可以得到二次條約式的均勻延伸。等用 AISI1018 、1045 、1095 、52100 等鋼種試驗(yàn)表明，延伸率可達(dá)到 500% 以上，這樣變形的特點(diǎn)是，初期時(shí)每一次循環(huán)的4 / 8變形量（

9、N）比較小，而在一定次數(shù)之后，例如幾十次之后，每一次循環(huán)可以得到逐步加大的變形，到斷裂時(shí)，可以累積為大延伸。有相變的金屬材料， 不但在擴(kuò)散相變過程中具有很大的塑性， 并且淬火過程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變， 即無擴(kuò)散的脆性轉(zhuǎn)變過程 （a）中，也具有相當(dāng)程度的塑性。 同樣，在淬火后有大量殘余奧氏體的組織狀態(tài)下，回火過程， 殘余奧氏體向馬氏體單向轉(zhuǎn)變過程，也可以獲得異常高的塑性。另外，如果在馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（ Ms）以上的一定溫度區(qū)間加工變形， 可以促使奧氏體向馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變， 在轉(zhuǎn)變過程中也可以獲得異常高的延伸， 塑性大小與轉(zhuǎn)變量的多少， 變形溫度及變形速度有關(guān)。這種過程稱為 "轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性

10、 "。即所謂 "TRIP" 現(xiàn)象。Fe-Ni合金， Fe-Mn-C 等合金都具有這種特性。3. 其它超塑性（或第三類超塑性）：在消除應(yīng)力退火過程中在應(yīng)力作用下可以得到超塑性。 Al-5%Si 及 Al-4%Cu 合金在溶解度曲線上下施以循環(huán)加熱可以得到超塑性，根據(jù) Johnson 試驗(yàn)，在具有異向性熱膨脹的材料如 U，Zr 等，加熱時(shí)可有超塑性，稱為異向超塑性。有人把 a-U 在有負(fù)荷及照射下的變形也稱為超塑性。 球墨鑄鐵及灰鑄鐵經(jīng)特殊處理也可以得到超塑性。5 / 81.1 超塑性的概念超塑性是指材料在特定條件下， 表現(xiàn)出異常高的塑性而不產(chǎn)生縮頸與斷裂的現(xiàn)象。但至

11、今還沒有從物理本質(zhì)上的確切定義。 有的以拉伸試驗(yàn)的延伸率來定義，認(rèn)為 即為超塑性； 有的以應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m 來定義，認(rèn)為 m>0.3，即為超塑性； 還有的認(rèn)為抗頸縮能力大，即為超塑性。1.2 超塑性的分類根據(jù)目前世界上各國學(xué)者研究的成果，按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件（組織，溫度，應(yīng)力狀態(tài)等）可將超塑性分為三類：1.微晶組織超塑性（即恒溫超塑性或結(jié)構(gòu)超塑性）一般所指超塑性多屬這類，它是國內(nèi)外研究最多的一種。 當(dāng)材料是微細(xì)的等軸晶粒組織，間距為 0.5 一 5m，溫度大于該材料熔點(diǎn)溫度的一半，應(yīng)變速度為 10-4 一 10-1/s 之間時(shí)，材料拉伸斷裂將呈現(xiàn)超塑性變形的能力。2.相變超塑性（變

12、溫超塑性或動態(tài)超塑性）將材料在相變溫度附近進(jìn)行熱循環(huán)， 利用相變過程， 每一次熱循環(huán)貢獻(xiàn)一小 的應(yīng)變，從而在多次熱循環(huán)過程中獲得大的延伸率。3.內(nèi)應(yīng)力超塑性和相變超塑性一樣進(jìn)行熱循環(huán)， 利用材料的熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生內(nèi)6 / 8應(yīng)力， 內(nèi)應(yīng)將有助于基體的塑性流動，從而使材料獲得超塑性。1.3 超塑性的特點(diǎn)金屬塑性成形時(shí)宏觀變形有幾個特點(diǎn) :大延伸、無縮頸、小應(yīng)力、易成形。（1）大變形：超塑性材料在單向時(shí)延伸率極高，有的可以到 8000% 表明超塑性材料在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好很多。 這樣使材料的成形性能 大大改善，可以使許多形狀復(fù)雜，一般難以成形的材料變形成為可能。（ 2）無緊縮：超塑性材料的變形類似于粘性物質(zhì)的流動，沒有（或很?。?yīng) 變硬化效應(yīng)，但對應(yīng)變速率敏感，當(dāng)變形速度增大，材料會強(qiáng)化。因此， 超塑性材料變形時(shí)初期有緊縮形成，但由于緊縮部位變形速度增大而發(fā) 生局部強(qiáng)化，而其余未強(qiáng)化部分繼續(xù)變形，這樣使緊縮傳播出去，結(jié)果 獲得巨大的宏觀均勻變形。超塑性的無緊縮是指宏觀上的變形結(jié)果，并 非真的沒有緊縮。（ 3）小應(yīng)力：超塑性材料在變形過程中，變形抗力可以很小，因