金屬材料超塑性研究課件

ResearchinSuperplasticityof

MetalMaterialSchoolofMaterialsScienceandEngineeringName:ZhaoKefeiStudentID:130602336

B—1噴氣式轟炸機(jī)

美國空軍材料研究所用超塑性鈦合金一次成型了B—1噴氣式轟炸機(jī)尾艙的骨架（原來由100多個(gè)零件，8個(gè)部件組成），而且比原來重量減少了33%，成本降低了55%，有以前22道工序減到5道工序。

低碳鋼拉伸試驗(yàn)低碳鋼拉伸曲線杯錐斷口狀

一般的塑性材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸到塑性變形階段時(shí)，隨著變形過程的進(jìn)行，相伴出現(xiàn)加工硬化，當(dāng)伸長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，試棒在局部區(qū)域形成縮頸，最后呈杯錐斷口而斷裂。黑色金屬的延伸率均在30~40%范圍內(nèi)，有色金屬及其合金的塑性較高，例如鋁、銅及其合金一般為50~60%。然而有些科學(xué)家在一些實(shí)驗(yàn)中，卻發(fā)現(xiàn)了一些有關(guān)金屬材料的塑性異?，F(xiàn)象：

在1920年,Roseubain,Haughton及Bingbam等對(duì)Zn--Al--Cu合金系進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)Zn--4%Al--7%Cu三元合金的壓延板以高速進(jìn)行彎曲時(shí)，立即斷裂。以緩慢的速率進(jìn)行彎曲時(shí)，雖彎曲至180°亦不斷裂。

在1924年，Sauveur使一根鐵棒從一端到另一端，溫度由高而低的發(fā)生變化。在一定的載荷下，發(fā)生扭曲，發(fā)現(xiàn)在接近于相變溫度的區(qū)域內(nèi)，扭曲量特別大。

在1934年，英國人C.P.Pearson對(duì)于擠壓過的Pb--Sn(37%Pb)及Bi--Sn(44%Sn)共晶合金，在緩慢的應(yīng)力作用下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣可以拉伸到接近于原試樣長(zhǎng)度的20倍的長(zhǎng)度的均勻細(xì)絲而不斷裂，總延伸率達(dá)到接近于2000%。下圖1中所示為自Pearson的著作中拍攝出來的Bi--Sn共晶合金試樣拉伸到1950%而未斷裂的細(xì)絲繞成的卷，這是第一次在金屬材料中所獲得的最高延伸率。圖1.擠壓Bi---Sn共晶合金試棒拉伸到1950%時(shí)的情況。圖中右邊是尚未拉伸的試棒。金屬超塑性的概念

“超塑性”作為一種現(xiàn)象并不像“超導(dǎo)”那樣具有明確或確定的物理意義，各種材料的超塑性變形機(jī)理可能不完全一樣，有時(shí)更是完全不一樣。判斷超塑性的標(biāo)準(zhǔn)也沒有確切的定義。有的以拉伸試驗(yàn)的伸長(zhǎng)率來定義；有的以應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m來定義；還有的以抗縮頸能力來定義。

我們知道普通的金屬材料在拉伸時(shí)試樣會(huì)產(chǎn)生縮頸，最后在縮頸出斷裂。即使是塑性很好的金屬材料，斷裂時(shí)所得的延伸率也絕不會(huì)超過100%。但是有些金屬材料，在特定條件下拉伸時(shí)，在沒有局部縮頸或斷裂的情況下，其延伸率很容易超過100%，甚至高達(dá)2000%，在這里我們把金屬材料的這種性能稱為超塑性。

所謂特定的條件包括：①金屬材料的內(nèi)在條件，如一定的成分，特有的顯微組織存在及轉(zhuǎn)變能力（相變，再結(jié)晶及固溶度變化等）。②外在條件，如變形溫度及變形速度等。*除金屬材料外，非金屬材料，例如陶瓷材料等也會(huì)產(chǎn)生超塑性。超塑性材料和一般塑性材料的力學(xué)特征比較

關(guān)于超塑性材料和非超塑性材料可以用拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)的行為及結(jié)果進(jìn)行比較。不過，除拉伸載荷外，超塑性也會(huì)在其他形式的載荷，例如，壓縮，扭轉(zhuǎn)及反復(fù)載荷的作用下產(chǎn)生。超塑性材料一般塑性材料一般的塑性材料的拉伸：

一般的塑性材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，主要有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，拉伸到塑性變形階段時(shí)，隨著變形過程的進(jìn)行，相伴出現(xiàn)加工硬化。第二，當(dāng)伸長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，試棒在局部區(qū)域形成縮頸，最后呈杯錐斷口而斷裂。其公稱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖2.中所示。第一階段為彈性變形階段，表現(xiàn)為直線。第二階段為塑性變形階段，表現(xiàn)為曲線。在塑性變形階段內(nèi)，一方面由于加工硬化的結(jié)果，試棒的塑形降低。另一方面，由于試棒的截面減小，從而使有效應(yīng)力增高。塑性變形階段內(nèi)曲線的形狀由這兩種現(xiàn)象的綜合效果所決定。在應(yīng)力的峰值以前，屬于穩(wěn)定的塑性變形，試樣的截面積是均勻減小的。超過應(yīng)立峰值以后，屬于不穩(wěn)定的塑性變形，試樣在局部區(qū)內(nèi)，變得很細(xì)，形成細(xì)頸最后已斷裂而告終。

圖2.公稱應(yīng)力--應(yīng)變曲線圖3超塑性材料的拉伸：超塑性的種類

根據(jù)超塑性變形時(shí)所表現(xiàn)出的“大延伸、無縮頸、小應(yīng)力、易成型”的特征，我們把凡是具有上述特點(diǎn)的金屬變形認(rèn)為是超塑性變形。關(guān)于超塑性的分類，現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，按溫度和形態(tài)可以分為：

1.細(xì)晶超塑性（即恒溫超塑性）。即在一定的恒溫條件下，而且在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所實(shí)現(xiàn)的超塑性。

2.相變超塑性（即變溫超塑性）。相變超塑性不同于細(xì)晶超塑性，它是在一個(gè)變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)境下受到應(yīng)力作用時(shí)，經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異型轉(zhuǎn)變等而獲得很大的延伸變形。細(xì)晶超塑性（grainrefinedsuperplasticity）這類超塑性的產(chǎn)生必須具備以下幾個(gè)必要的條件：a.金屬須具有均勻微細(xì)的等軸粒，且在超塑性的溫度下不易粗化長(zhǎng)大，即熱穩(wěn)定性好。b.變形溫度應(yīng)大于0.5Tm（Tm為絕對(duì)熔化溫度），一般為0.5--0.7Tm，且保持恒定。

c.應(yīng)變速率低，比普通的塑性加工應(yīng)變速率至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)，由于細(xì)晶超塑性是在恒溫下產(chǎn)生，沒有相變等一類組織結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變，所以又稱之為靜態(tài)超塑性。細(xì)晶超塑性是目前研究和應(yīng)用較多的一種，其優(yōu)點(diǎn)是恒溫下易于操作，故大量用于超塑性成型；但也有其缺點(diǎn)，因?yàn)榫Я５某?xì)化、等軸化及穩(wěn)定化要受到材料的限制，并非所有合金都能達(dá)到此目的，如共晶白口鑄鐵至少在目前是不可能的。相變超塑性（phase-transformationsuperplasticity）產(chǎn)生相變超塑性必須具備兩個(gè)條件：a.金屬或合金具有固態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能力b.應(yīng)力作用和在轉(zhuǎn)變溫度上下循環(huán)加熱和冷卻相變超塑性的過程，實(shí)際上是使具有固態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能力的金屬或合金在應(yīng)力和轉(zhuǎn)變溫度上下循環(huán)加熱和冷卻的雙重作用下誘發(fā)它產(chǎn)生反復(fù)的結(jié)構(gòu)變化，使金屬原子發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的超塑性。相變超塑性的主要控制因素是溫度幅度（ΔT=T上-T下)和溫度循環(huán)速率(ΔT/Δt)，相變超塑性的總延伸率與溫度循環(huán)周期次數(shù)有關(guān)，循環(huán)次數(shù)愈高，總延伸率愈大。由于相變超塑性是在一個(gè)變動(dòng)頻繁的溫度范圍內(nèi)依靠反復(fù)的結(jié)構(gòu)變化引起，故又稱為動(dòng)態(tài)超塑性，或者叫做變溫超塑性。它的優(yōu)點(diǎn)是不要求金屬具有超細(xì)晶粒組織，但它最大的一個(gè)缺點(diǎn)是必須要給予他一個(gè)動(dòng)態(tài)熱循環(huán)作用，較難應(yīng)用于超塑性成形加工。常用超塑性材料加工方法通過超塑性研究的進(jìn)一步深入和發(fā)展，目前已有下列加工方法已得到應(yīng)用：⑴冷處理--快速加熱至雙相區(qū)快速變形法，它適用于普通低合金鋼和非奧氏體不銹鋼。⑵冷軋--雙相區(qū)拉拔法，它適用于各種碳鋼的熱拉拔。⑶反復(fù)快速加熱--臨界區(qū)斷續(xù)拉拔法，它適用于各種絲材的拉拔，如無模拉拔。⑷軋后快冷--快速加熱恒溫變形法，它適用于高合金難變形鋼，如熱強(qiáng)鋼的軋制、鍛壓等。⑸淬火至馬氏體區(qū)--形變熱處理法，它適用于工具鋼、軸承鋼和結(jié)構(gòu)鋼的溫加工。⑹粉末熱壓成型--臨界區(qū)熱變形發(fā)，它適用于各種碳鋼尤其高碳鋼的熱加工。⑺固相壓接焊接法，它適用于普通鋼、不銹鋼和灰口鐵的大塑變焊接，據(jù)說可節(jié)電50-60%。

此外還有其他方法如吹脹成型、注射成型、真空成型、拉伸成型以及熱壓印制模等。超塑性成型設(shè)備高溫超塑成型壓機(jī)SuperplasticFormingofAluminumAircaftAssemblies影響超塑性變形的因素

影響超塑性變形的因素很多，其中主要的有應(yīng)變速率、變形溫度、晶粒尺寸及形狀等。應(yīng)變速率的影響

超塑性材料在應(yīng)變之后有一段很長(zhǎng)的均勻變形，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力緩慢降低，試樣截面逐漸減小，在變形溫度不變的前提下，超塑性的拉伸特性和應(yīng)變速率密切相關(guān)。用不同的應(yīng)變速率對(duì)超塑性材料進(jìn)行拉伸，則其流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大，尤其在II區(qū)，應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化較快，超塑性變形發(fā)生在該區(qū)域，即m>0.3。見圖4.圖4.超塑性流動(dòng)曲線示意>0.5Tm變形溫度的影響

變形溫度對(duì)超塑性的影響非常明顯，當(dāng)?shù)陀诨虺^某一溫度范圍時(shí)，就不出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象。超塑性變形溫度大約在0.5Tm左右，一般為0.5~0.7Tm.但對(duì)于不同的金屬和合金會(huì)有所差別。晶粒尺寸和形狀的影響

細(xì)晶超塑性首要條件是要求晶粒度小，等軸、熱穩(wěn)定性好，晶粒度越小，m值則越大，應(yīng)變速率則越大。晶粒尺寸要求小于10μm（一般為0.5~5μm），同時(shí)要求超塑性變形過程中材料據(jù)有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，這是因?yàn)樽冃问窃谝欢ǖ膹?qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行的，如果出現(xiàn)晶粒的長(zhǎng)大，m值則下降，失去超塑性。圖5.晶粒度對(duì)超塑性流動(dòng)曲線的影響

另外，晶粒的形狀對(duì)m值的影響也很大，片狀的共晶和共析組織就不顯示超塑性，m值很小。超塑性變形機(jī)理

金屬超塑性具有無縮頸的巨大延伸率的特點(diǎn)，非一般的塑性變形機(jī)理所能解釋。隨著超塑性合金的發(fā)現(xiàn)，引起了許多學(xué)者的興趣，并作了大量研究工作，提出了各種各樣的假說和理論?；旧嫌校骸叭芙?-沉淀理論”、“亞穩(wěn)態(tài)理論”、“晶界的滑移”、“晶界的移動(dòng)”、“晶體的回轉(zhuǎn)”、“擴(kuò)散蠕變”、“位錯(cuò)的上升和運(yùn)動(dòng)”、變形中再結(jié)晶以及晶界非物質(zhì)移動(dòng)等。

目前由阿希貝（Ashby）和弗拉爾（Verrall）提出的晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理（簡(jiǎn)稱A--V機(jī)理）被認(rèn)為能較好地解釋超塑性變形過程，該理論認(rèn)為，在晶界滑移的同時(shí)伴隨有擴(kuò)散蠕變，對(duì)晶界滑移起協(xié)調(diào)作用的不是晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而是原子的擴(kuò)散遷移。

圖6示出A--V機(jī)理的模型。一組晶粒在拉應(yīng)力作用下，由于晶界滑移和原子擴(kuò)散（包括晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散），一方面使晶粒由起始狀態(tài)演變成圖中所示的中間狀態(tài)，從而使晶界面積和系統(tǒng)的自由能增加；另一方面，隨著中間狀態(tài)向最終狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，晶界面積逐漸減小。這樣，外部給予的能量消耗在晶界面積的變化過程中，結(jié)果橫向晶粒相互靠近、接觸，縱向晶粒彼此分離、拉開，而所有晶粒仍保持等軸狀原樣，只是發(fā)生了“轉(zhuǎn)動(dòng)換位”。

圖6.晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理平面模型超塑性的應(yīng)用

正是因?yàn)槌苄越饘俨牧霞染哂兴芰习愕某尚托?，又具有可貴的金屬性的雙重特性，從七十年代開始超塑性材料在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。金屬材料在超塑性狀態(tài)下具有異常高的延展性，因此可以實(shí)現(xiàn)大變形量一次加工成型，便與制造形狀極為復(fù)雜，表面質(zhì)量和精度要求高的零件，而且成型應(yīng)力小，材料利用率大大提高，生產(chǎn)成本大幅度降低，節(jié)能、省工、省料。

但超塑性加工也有其缺點(diǎn)，比如加工中變形速度小，所以生產(chǎn)率低，但它能以一次工序加工出精密而復(fù)雜形狀的制品，彌補(bǔ)了生產(chǎn)率低的不足；加工溫度為材料的絕對(duì)熔點(diǎn)的一半以上，所以有些超塑性材料如鐵合金、鈦合金等加工時(shí)，合金的氧化、工具強(qiáng)度均有突出的問題；材料成本高，現(xiàn)主要應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)材料、電子儀器等領(lǐng)域。。

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吹塑成型Ti-6Al-4V球形衛(wèi)星燃料箱鈦合金球形衛(wèi)星燃料箱的吹塑成型壁厚0.71~1.5mm，若用機(jī)械加工，幾乎不可能而用超塑性吹