4雙相不銹鋼超塑性

四、雙相不銹鋼超塑性

1、超塑性概述

2、雙相不銹鋼材料

3、雙相不銹鋼的超塑性

4、雙相不銹鋼超塑性成形/擴(kuò)散

連接技術(shù)

5、展望

1、超塑性概述

1.1超塑性

材料在特定條件下呈現(xiàn)出異常塑性的現(xiàn)象。

均勻延伸率：

◆有色金屬：δ≥200%；

◆可鍛造的黑色金屬：δ≥100%；

◆脆性材料壓縮：呈現(xiàn)出明顯的塑性◆特定的條件：

內(nèi)在條件：特有的顯微組織及轉(zhuǎn)變能力（相變、再結(jié)晶及固溶度變化等）；

外在條件：變形溫度、變形速度2×10-3s-15×10-3s-1◆超塑性材料的特點(diǎn)是在低應(yīng)力下顯示出巨大的超塑性。利用高壓、高速或者超聲波的疊加也可能增大塑性。并非材料本身的塑性高壓、高速、超聲波疊加提高材料的塑性強(qiáng)制使變形能力增大的結(jié)果外界供給多余能量◆超塑性是材料本身的塑性組織、相變再結(jié)晶、固溶度變化等開發(fā)材料塑性的潛力變形溫度變形速度外部因素內(nèi)部因素相互協(xié)調(diào)保持合理平衡◆超塑性材料1.2超塑性的分類

◆微細(xì)晶粒超塑性

◆相變超塑性

◆其它超塑性

（1）微細(xì)晶粒超塑性

（恒溫超塑性、結(jié)構(gòu)超塑性）

組織細(xì)小

變形溫度

應(yīng)變速率（2）相變超塑性σσTt相變溫度（3）其它超塑性

除微細(xì)晶粒超塑性、相變超塑性外，還有

短暫超塑性

相變誘發(fā)塑性

大晶粒超塑性

單相固溶體超塑性

有序列無序超塑性

單晶超塑性等十多種類型

但由于實(shí)現(xiàn)時(shí)技術(shù)較復(fù)雜，一般只限于實(shí)驗(yàn)室條件下的研究工作。

1.3超塑性的特點(diǎn)

◆超塑性材料具有較低的流動(dòng)應(yīng)力

◆比常規(guī)變形高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的伸長率◆良好的流動(dòng)性

◆復(fù)制性◆晶界滑移變形的比例大幅度提高1.4超塑性的發(fā)展

◆金屬及合金超塑性的發(fā)現(xiàn)應(yīng)歸功于皮爾遜（Pearson）的工作，他在1934年研究Pb-Sn和Bi-Sn合金的某些力學(xué)性質(zhì)時(shí)，觀察到其近乎無頸縮的延伸率達(dá)2000%。

◆至于通常所說的“超塑性”是1945年由前蘇聯(lián)學(xué)者包赤瓦爾（Боивор）等人首次引入的，隨后又得到了前蘇聯(lián)學(xué)者的沿用

◆尤其是美國學(xué)者Underwood、Davies分別在1962年、1970年就這一學(xué)科做了詳細(xì)評(píng)述之后，超塑性這一術(shù)語目前已成為冶金學(xué)的專門詞匯。

◆目前，在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，超塑性材料及其成形技術(shù)的研究已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展。

◆幾十年來對金屬超塑性進(jìn)行了大量研究腹鰭紡紗槽筒發(fā)動(dòng)機(jī)葉片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件飛機(jī)艙門火箭部件鈦合金板材氣壓成形1.5典型的研究成果

（1）美國開發(fā)出了鈦合金超塑成形和超塑成形/擴(kuò)散連接新技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)對于航空結(jié)構(gòu)加工生產(chǎn)是一次具有劃時(shí)代意義的技術(shù)革命。（2）英國成立一系列超塑成形公司，研制成功了超塑鋁合金系列，并為歐洲、日本航空公司超塑成形各類鋁合金結(jié)構(gòu)件。

（3）美國對高強(qiáng)度鋁合金超塑預(yù)處理工藝研究成功，并用于生產(chǎn)。此項(xiàng)新工藝屬于突破性成就。

（4）蘇聯(lián)編著的《金屬的塑性和超塑性》一書出版。在蘇聯(lián)國內(nèi)和國際上很有影響。

（5）美國學(xué)者提出了發(fā)表“晶粒轉(zhuǎn)換”的拓?fù)鋵W(xué)模型。其觀點(diǎn)至今仍被引用。（6）澳大利亞學(xué)者發(fā)表了著名的“核-表層”機(jī)理模型。此模型能很好地解釋了單相合金的超塑變形過程。

（7）澳大利亞學(xué)者發(fā)表了著名的“晶粒轉(zhuǎn)出”模型。這是一個(gè)晶粒進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的模型，得到公認(rèn)。當(dāng)上層晶?；茣r(shí)，會(huì)產(chǎn)生空隙，下層晶粒轉(zhuǎn)出來填補(bǔ)空隙。晶界的遷移使轉(zhuǎn)出的晶粒變圓，即晶界圓弧化。（8）美國完成了超高碳鋼材料的鍛、軋板材的工藝過程。這在工業(yè)史上是首創(chuàng)。

（9）加拿大學(xué)者提出了“自由晶界滑動(dòng)”機(jī)理模型。解釋了超塑拉伸獲高延伸率的原因，并提出空洞參與變形的觀點(diǎn)。

（10）前蘇聯(lián)學(xué)者提出了“晶內(nèi)位錯(cuò)在晶界上相消”模型。盡管模型涉及尚未完全認(rèn)識(shí)的晶界結(jié)構(gòu)，但其觀點(diǎn)是合理的，因而被人們接受?！舫苄栽贜i基、Ti基、Fe基和Al基合金中得到了應(yīng)用；

◆在結(jié)構(gòu)陶瓷（如Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）、功能陶瓷（如羥基磷灰石）、陶瓷復(fù)合材料（如Al2O3增強(qiáng)的Y2O3+ZrO2，SiC增強(qiáng)的Si3N4,Fe3C/Fe等）、金屬間化合物（如硅鎳化合物，鎳鋁化合物，鈦鋁化合物等）和金屬基復(fù)合材料中也都發(fā)現(xiàn)了超塑性。2、雙相不銹鋼材料2.1雙相不銹鋼的特點(diǎn)與應(yīng)用

◆雙相不銹鋼：固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般較少相的含量最少也需要達(dá)到30%雙相不銹鋼的特點(diǎn)與應(yīng)用雙相不銹鋼奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼韌性焊接性能高強(qiáng)度耐氯化物應(yīng)力腐蝕石油化工輕工食品造紙工業(yè)化肥工業(yè)能源環(huán)境醫(yī)療器械海水環(huán)境建筑裝飾兼有◆雙相不銹鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）含鉬雙相不銹鋼在低應(yīng)力下具有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。

（2）含氮的高鉻雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙孔蝕性能超過了奧氏體不銹鋼。

（3）具有良好的耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕性能。

（4）綜合力學(xué)性能好。有較好的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度是18-8型奧氏體不銹鋼的兩倍。

（5）具有良好的超塑性性能。

（6）雙相不銹鋼的超塑性成形性能優(yōu)于鈦合金、鋁合金和鎂合金等。鈦合金雙相不銹鋼雙相不銹鋼的特點(diǎn)與應(yīng)用

近年來，海洋經(jīng)濟(jì)越來越受到重視，海洋開發(fā)機(jī)械、船舶、橋梁和沿海城市建設(shè)凸顯出重要地位，所用結(jié)構(gòu)材料均對耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能提出了特殊要求，從而使雙相不銹鋼材料得到了廣泛的重視湖北青山船廠建造的化學(xué)品船。載重18500t；使用了1200噸2205雙相不銹鋼

雙相不銹鋼不僅受到世界各國材料和制造學(xué)者的高度重視，更重要的是已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)的重要支撐，特別是近年來，東、南海主權(quán)等問題，對我國的潛艇、艦船等海洋軍事裝備提出了更高的要求，雙相不銹鋼也將會(huì)對我國海洋武器裝備具有重要的支撐作用?！粼诖吧系膽?yīng)用2.2雙相不銹鋼的發(fā)展

雙相不銹鋼已發(fā)展了三代20世紀(jì)30年代第一代

含碳量較高◆焊接時(shí)失去相平衡◆沿晶界析出碳化物◆耐蝕性下降◆韌性下降◆一般用于鑄鍛件◆應(yīng)用上受到限制第二代◆含氮◆超低碳◆含有鉬、銅或硅等提高耐蝕性的元素20世紀(jì)70年代◆耐蝕性提高◆應(yīng)用范圍廣第三代◆含碳量低(0.01-0.02%)

◆含高鉬和高氮（Mo約4%，N約0.3%）

◆鋼中鐵素體含量40%-50%20世紀(jì)80年代◆具有優(yōu)良的耐孔蝕性能◆苛刻介質(zhì)條件氮元素的獨(dú)特效果：氮元素的作用在焊接熱影響區(qū)快速冷卻時(shí)，促進(jìn)了高溫鐵素體逆轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐虻亩螉W氏體，以維持必要的相平衡。提高接頭的耐蝕性提高富氮奧氏體相的耐孔蝕能力，與富鉻、鉬的鐵素體相取得平衡提高材料整體的耐孔蝕性能氮能減輕鉻、鎳等元素在兩相中分布的差異降低腐蝕速度2.3.超塑性雙相不銹鋼的發(fā)展

◆1967年Hayden開發(fā)出了Fe-Cr-Ni系雙相不銹鋼超塑性材料，伸長率達(dá)到1000%

◆1984年日本學(xué)者前原開發(fā)的雙相不銹鋼超塑性材料的伸長率達(dá)到2500%（圓柱截面試樣，標(biāo)距4mm）。

◆國內(nèi)：2mm厚板狀試樣：1800%

◆日本NAS-Murdock公司采用這種雙相不銹鋼超塑性材料成功地制造出了波音737客機(jī)用盥洗盆。該產(chǎn)品長1100mm，寬350mm深270mm，是目前最大的不銹鋼超塑成形制品，代表了不銹鋼超塑性成形的最高水平。◆

1988年前原與小溝又對雙相不銹鋼超塑性材料的擴(kuò)散連接進(jìn)行了研究?！?999年，韓國高科技學(xué)院材料科學(xué)和工

程部的YoungS.Han和SoonH.Hong又

對雙相不銹鋼在850℃的低溫區(qū)的超塑性

進(jìn)行了研究：δ=700%（3.2×10-3/s）

◆

2001年，巴西D.Pulino-Sagradi,R.E.

MedranoandA.M.M.Nazar的研究成果

δ=900%（960℃，8×10-4/s）2.4典型的雙相不銹鋼材料3、雙相不銹鋼的超塑性

3.1雙相不銹鋼超塑性材料的制備

（1）其它超塑性材料的制備（2）雙相不銹鋼超塑性材料的制備高純凈冶煉熱變形固溶處理冷變形N元素合金化純凈度組織控制析出相固溶組織控制◆連續(xù)鑄軋、快速冷卻可以制造厚度為50—200μm的超合金薄帶。雙相不銹鋼帶材◆噴射霧化沉積液態(tài)金屬霧化介質(zhì)粉末液態(tài)粉末（3）超塑性變形的的微觀組織變化

◆熱軋—固溶后的組織

橫向組織縱向組織當(dāng)雙相不銹鋼超塑性材料經(jīng)1250℃加熱30min水淬后，沿著試件的縱向得到的是拉長纖維組織。這是未消除的原始熱軋態(tài)組織

◆雙相不銹鋼材料冷軋后的金相組織冷軋變形量：37.3%冷軋變形量：87.5%γ島在冷軋過程中被進(jìn)一步拉長，

并且，冷軋變形量越大，晶粒被拉得越細(xì)長。3.2超塑性拉伸試樣及拉伸設(shè)備

（1）超塑性拉伸試樣（2）超塑性拉伸設(shè)備

系統(tǒng)構(gòu)成

測溫及電控系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)

卡具裝置

爐體

系統(tǒng)主要參數(shù)

最高加熱溫度

爐膛尺寸

均溫段

控溫精度3.3變形條件對雙相不銹鋼超塑性影響（1）流動(dòng)應(yīng)力與位移曲線（2）變形溫度對雙相不銹鋼超塑性的影響（3）應(yīng)變速率對雙相不銹鋼超塑性的影響（4）恒應(yīng)變速率變形國標(biāo)：拉伸：2.5×10-4—2.5×10-3/s壓縮：5×10-5—10-4/s◆恒應(yīng)變速率與恒拉伸速度的比較（5）固溶溫度對雙相不銹鋼超塑性的影響

（變形溫度960℃）

（6）冷軋變形量對雙相不銹鋼超塑性的影響

（變形溫度960℃）◆冷軋變形量:73%■冷軋變形量:37%初始應(yīng)變速率:1.2×10-3s-1

（7）應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m

◆超塑性本構(gòu)方程

超塑性變形的力學(xué)特征主要取決于它的變形特征。

◆當(dāng)金屬材料拉伸時(shí)，呈現(xiàn)無縮頸的超塑性變形，應(yīng)變硬化可忽略不計(jì)，其變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力主要依賴于應(yīng)變速率的變化。式中：σ—超塑性流動(dòng)應(yīng)力；

—應(yīng)變速率；

m—應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，稱為m值.

當(dāng)m≥0.3時(shí)，超塑性材料；

A—材料常數(shù)?！裘枋龀苄粤鲃?dòng)特性的本構(gòu)方程最常用的是著名的貝可芬(Backofen)方程:◆m值的物理意義是阻礙頸縮的發(fā)展，維持變形的均勻性?！鬽值的測試（拉伸速度突變法）（8）σ相對雙相不銹鋼超塑性的影響

▲超塑性成形技術(shù)的發(fā)展方向：

低溫超塑性高溫超塑性

▲σ相對雙相不銹鋼低溫超塑性的影響

在雙相不銹鋼低溫超塑性（800--900℃）的變形過程中，正是σ相最容易析出的溫度區(qū)域。

△σ相是一種脆性相，對雙相不銹鋼的塑性

有不利的影響；

△σ相在雙相不銹鋼的超塑性變形過程中

起著非常重要的作用。σ相動(dòng)態(tài)析出γσδδγγσδδγbσδγγσδδγσ

a)960-850℃超塑變形后；b)850℃超塑變形后

σ相細(xì)小均勻分布σ相較粗大3.4雙相不銹鋼超塑性變形的微觀組織變化

（1）冷變形后組織37.3%87.5%固溶組織冷變形組織（2）加熱溫度和保溫時(shí)間對雙相不銹鋼材料的金相組織的影響保溫時(shí)間：5min

加熱溫度：960℃

析出細(xì)小的奧氏體及σ相保溫時(shí)間：10min保溫時(shí)間：30min

加熱溫度：960℃

最大流變應(yīng)力最大m值變形量：700%ε：30～50%ε：50～300%加工硬化達(dá)到最大晶粒的動(dòng)態(tài)軟化充分以大角度晶界為主以小角度晶界為主大角度的晶界增多均勻細(xì)小的等軸晶晶界滑移困難晶界發(fā)生滑移

（3）超塑性變形過程中的組織變化

A.變形初期；B.變形量為60%；C.變形量為150%變形溫度：960℃

雙相鋼晶粒內(nèi)出現(xiàn)了垂直于晶界的位錯(cuò)塞積→動(dòng)態(tài)再結(jié)晶3.5超塑性加工技術(shù)

（1）氣壓脹形

超塑性溫度：960℃，

應(yīng)變速率：1×10-3s-1～3×10-3s-1，

材料厚度：1.0mm

最終成形壓力：1.7Mpa

（2）拉深

dH普通成形：H/d≤0.75超塑性成形：H/d=15（3）無模拉絲可以制造棒材、管材、螺栓材料，也可以制造帶有一定錐度的或者局部收縮比較細(xì)的棒材。（4）超塑性擠壓、閉式模鍛（5）粉末熱壓縮粉末混合壓制超塑性條件下，熱等靜壓◆可以實(shí)現(xiàn)在低溫度、低壓力條件成形難變形材料◆目前，世界各國都在致力于開發(fā)耐熱強(qiáng)韌合金，在合金設(shè)計(jì)、霧化粉制作、超塑性成形技術(shù)等方面的研究工作。

高溫合金渦輪盤高溫合金渦輪盤等溫成形模具結(jié)構(gòu)水冷板絕緣材料墊板加熱裝置凸模凹模頂出裝置（6）內(nèi)部缺陷◆在超塑性成形時(shí)，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，例如，超塑性脹形時(shí)在變形量達(dá)到200%以上的部位，以及復(fù)雜形狀產(chǎn)品的成形時(shí)，在較細(xì)部位的變形速度會(huì)增大，因此容易產(chǎn)生孔洞?！暨@種孔洞會(huì)影響到結(jié)構(gòu)材料的疲勞、蠕變、應(yīng)力松弛、耐腐蝕、耐磨等性能?！艨锥葱纬傻脑颍?/p>

孔洞是空位在超塑性變形期間，向晶界匯流形成的；

孔洞的形成并不是純擴(kuò)散方式，而是由于超塑性變形時(shí)，晶界滑移不能充分相互協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的?！艨锥慈菀自诰Ы缟闲纬煽锥措S應(yīng)變速率增大而增多；孔洞隨晶粒長大而增多?！舯苊饪锥吹漠a(chǎn)生的措施

選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)變速率及變形溫度，將脹形時(shí)的局部變形量控制在200%以下。

細(xì)化晶粒，如果能使晶?？刂圃?0μm以下的話，產(chǎn)生孔洞的臨界變形量就會(huì)增大。

在脹形時(shí)，附加反向壓力是抑制孔洞產(chǎn)生的有效手段。

4、雙相不銹鋼超塑性脹形與擴(kuò)散連接復(fù)合工藝（SPF/DB）

由于微細(xì)晶粒的超塑性是由于晶界的激活而產(chǎn)生的現(xiàn)象，因此，作為應(yīng)用技術(shù)最多的是固相接合，特別是Ti合金的情況。由于可以完全接合，因此，超塑性成形與擴(kuò)散接合是同時(shí)進(jìn)行的?！舻湫统尚谓Y(jié)構(gòu)四層夾層結(jié)構(gòu)SPF/DB過程◆目前該方法已被用于B-1、F14A、F1