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塑性成型基本原理第七節(jié)超塑性上節(jié)主要內容回顧(1)影響金屬塑性的因素?(2)提高金屬塑性的途徑?包套鐓粗用摔子拔長上節(jié)主要內容補充基于紅外熱像技術的金屬材料疲勞性能研究方法第二章金屬塑性成型的物理基礎思考(1)超塑性變形的宏觀特征(2)超塑性的力學特征和組織特征(3)應變敏感性指數(shù)(m)物理意義2.5金屬的超塑性Ti3Al合金加載溫度920℃,變形速度5×10-5/s,應力35MPa奇特的塑性變形現(xiàn)象1920年德國人(一)超塑性的概念與特征1945年,前蘇聯(lián)包赤伐爾(包奇瓦爾)針對這一現(xiàn)象,正式提出“超塑性”術語。1928年,英國物理學家森金斯:凡金屬在適當?shù)臏囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳?,其應變速度為每?0毫米時產(chǎn)生300%以上的延伸率。

金屬和合金具有超常的均勻變形能力,其延伸率可達到百分之幾百、甚至百分之幾千。1.概念

(1)大延伸:拉伸試驗,Zn-22%Al,250℃

,5mm/min,延伸率3120%(變形穩(wěn)定性極好);(2)小應力:Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

(3)無縮頸:截面均勻變形、縮小,在宏觀上無縮頸現(xiàn)象,截面收縮率100%;2MPa30MPa2.超塑性變形宏觀特征銅的應力-應變曲線頸縮無頸縮

(1)大延伸:拉伸試驗,Zn-22%Al,250℃

,5mm/min,延伸率3120%;(2)小應力:Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

(3)無縮頸:截面均勻變形、縮小,在宏觀上無縮頸現(xiàn)象,截面收縮率100%;(4)易成型:無加工硬化現(xiàn)象,流動性和填充性好。2MPa30MPa2.超塑性變形的特征

(1)延伸率δ(有色金屬200%,黑色金屬100%,脆性金屬超過原來幾倍);

(2)晶界滑移引起的應變占總應變的30%以上;(3)應變速率敏感性系數(shù)m≥

。3.如何判斷是否呈現(xiàn)超塑性(二)超塑性的種類1.恒溫超塑性(第一類超塑性)特點:晶粒超細化(μm),等軸化組織熱穩(wěn)定性一定溫度范圍()一定變形速率()鈦合金和鋁合金晶粒幾十微米機制:晶粒移動和轉動10-4~10-1m/s2.相變超塑性(變溫/第二類/動態(tài))

組織特點:相變同素異構轉變控制因素:溫度幅度溫度循環(huán)率

機制:靠同素異構轉變誘發(fā)材料的高塑性,在應力作用下每次相變將得到一次跳躍式均勻變形,在相變溫度附近的多次熱循環(huán)即可累積得到大的變形量3.其它超塑性

短暫超塑性相變誘發(fā)超塑性高應變率超塑性電致超塑性碳鋼和軸承鋼的延伸率與溫度循環(huán)次數(shù)n之間的關系(試驗溫度幅度:538-816度定負荷:)球墨鑄鐵相變超塑性與溫度循環(huán)的關系(試驗溫度:700-800度,循環(huán)速度:5度/分,定負荷:1--12MPa,2--8MPa)低碳鋼應力—應變曲線超塑性材料的應力-應變曲線(三)超塑性的力學和組織特征1.變形力學特征由試驗發(fā)現(xiàn),超塑性變形表現(xiàn)對變形速率極其敏感。

為1,牛頓黏性流動公式,

K是黏性系數(shù);為,普通金屬;為,超塑性材料。

真實流動應力;決定與實驗條件的材料常數(shù);應變速率;應變速率敏感指數(shù)。應變速率敏感性指數(shù)m是什么?真實流動應力與應變速率之間關系的S曲線,123真實流動應力與應變速率之間關系的S曲線,Al-Mg共晶合金(變形溫度:350℃,晶粒直徑:μm)體積不變:m值的物理意義

越大,隨著增大而急劇增大反映了抑制局部出現(xiàn)縮頸的能力均勻變形第二相晶粒能阻礙母相晶粒的長大,而母相也阻礙第二相的長大。變形過程中晶粒長大的速度要慢,充分的熱變形持續(xù)時間。2.組織特征晶粒極細等軸晶(1)(m)(2)雙相(共析或共晶)熱穩(wěn)定性(3)(1)高溫超塑性鋁合金超塑性細晶鋁合金m(473℃)(2)低溫超塑性細晶鋁合金m(194℃)攪拌摩擦焊(FSW)原理攪拌摩擦加工鋁合金超塑性(1)高溫超塑性細晶鋁合金m(473℃)(2)低溫超塑性細晶鋁合金m(194℃)金屬間化合物Ni3Al超塑性組織變化超塑性變形機理(細晶超塑性)

“主要是晶界滑動、擴散蠕變、動態(tài)回復和動態(tài)再結晶作用”

晶界滑動、擴散蠕變模型(四)超塑性變形機理體積擴散線晶界擴散線變形溫度(五)影響細晶超塑性的因素溫度對-和m-曲線影響示意圖Zn-22%Al合金的延伸率和m值與變形溫度的關系m流變應力低超塑性變形區(qū)域寬M峰值增加延伸率提高晶粒尺寸和形狀的影響d<10微米流變應力低超塑性變形區(qū)域寬m峰值增加Al-Cu共晶合金520度時晶粒尺寸對流動應力即m值的影響應變速率的影響=10-4~10-1min-1兩相組織的影響

兩相分布愈均勻,兩相的體積比愈接近于1,熱穩(wěn)定性愈好組織變化(六)超塑性變形時組織變化和性能影響晶粒:顯微組織:產(chǎn)生空洞:晶粒沒有被拉長,仍保持等軸晶狀態(tài),晶粒度部分長大;幾乎沒有位錯、亞結構,織構不發(fā)達;由于晶界的滑動、轉動及晶?;剞D,在晶界或相界處形成空隙和裂紋,僅存在于試樣的表面。力學性能影響

不產(chǎn)生各向異性,具有較高的抗應力腐蝕性能(細小等軸晶粒、無織構)

沒有殘余應力(溫度穩(wěn)定、變形緩慢、不存在彈性畸變能)

產(chǎn)生加工軟化現(xiàn)象(Zn-Al共析合金,硬度隨著壓縮率增加而降低)

具有微細雙相混合組織,較高的抗疲勞強度(高鉻高鎳超塑性不銹鋼)(七)超塑性的應用1.無模拉伸2.氣脹成形3.壓焊加工SPF應用實例美國機種采用SPF、SPF/DB構件的技術經(jīng)濟效益引自-北京航空工程制造研究所歐洲機種采用SPF、SPF/DB構件的應用情況引自-北京航空工程制造研究所(1)滑移和孿生的異同點?(2)多晶體的變形特點?(3)什么是加工硬化現(xiàn)象?(4)冷加工對組織和性能的影響?(1)熱加工對金屬組織、性能影響?(2)冷、熱加工的區(qū)別?(3)冷加工流線與熱加工流線區(qū)別?(4)板材經(jīng)熱加工后均為各向同性?(5)敘述晶粒隨著溫

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