《特種塑性成型》課件-2.超塑性成型

1.超塑性成型的概念及特點(diǎn)目錄超塑性成型的概念1超塑性成型的特點(diǎn)2超塑性成型的概念及特點(diǎn)超塑性現(xiàn)象凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度為10毫米每秒時(shí)產(chǎn)生本身長(zhǎng)度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性英國(guó)·森金斯并在許多有色金屬共晶體及共析體合金中，發(fā)現(xiàn)了延展性特別顯著的特異現(xiàn)象超塑性蘇聯(lián)·包奇瓦爾一、超塑性成型的概念超塑性成形塑性金屬在外力作用下，無(wú)損而永久地改變形狀的能力。超塑性超出一般塑性指標(biāo)的金屬特性。一、超塑性成型的概念鈦合金鋁合金鎂合金鎳合金伸長(zhǎng)率黑色金屬不大于40%，有色金屬也不超過(guò)60%軟鋁約為50%，金、銀一般也只有80%有色金屬＞200%超塑性金屬材料在受到拉伸應(yīng)力時(shí)，顯示出很大的伸長(zhǎng)率而不產(chǎn)生縮頸與斷裂現(xiàn)象的性能稱為超塑性。黑色金屬＞100%部分金屬＞1000%一、超塑性成型的概念大變形無(wú)縮頸小應(yīng)力易成形，工藝簡(jiǎn)單成形件質(zhì)量好特點(diǎn)材料在超塑性狀態(tài)下的宏觀變形特征，可用大變形、無(wú)縮頸、低應(yīng)力、易成形等來(lái)描述二、超塑性成型的特點(diǎn)單向拉伸時(shí)伸長(zhǎng)率值極高大變形其在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好得多，這樣使材料成形性能大大改善較多超塑性材料伸長(zhǎng)率可以達(dá)到1000%以上鉛-錫共晶合金伸長(zhǎng)率最高可達(dá)5500%以上鋁青銅伸長(zhǎng)率最高可達(dá)8000%以上二、超塑性成型的特點(diǎn)鈦合金球形燃料箱大變形壁厚0.71~1.5mm超塑性吹塑成形成形精度和性能好大大節(jié)約成本二、超塑性成型的特點(diǎn)復(fù)雜電子儀器底座民用工業(yè)大變形蓋板及其他復(fù)雜零件汽車(chē)外殼箱板形狀復(fù)雜的工藝制品家用電器制件如用超塑性成形均可一次制成，使生產(chǎn)成本顯著降低。二、超塑性成型的特點(diǎn)無(wú)縮頸一般材料拉伸變形變形在整個(gè)試樣上均勻地產(chǎn)生早期縮頸應(yīng)力集中效應(yīng)提前斷裂超塑性材料整個(gè)試樣的變形梯度緩慢而均勻斷面收縮率數(shù)值接近于100%二、超塑性成型的特點(diǎn)小應(yīng)力變形抗力小粘性或半粘性流動(dòng)變形抗力可以低到10MPa的量級(jí)，便于實(shí)現(xiàn)甚至像吹塑這樣的低壓力成形，而且基本上沒(méi)有加工硬化行為流動(dòng)應(yīng)力比常規(guī)變形小到幾分之一乃至幾十分之一二、超塑性成型的特點(diǎn)易成形變形過(guò)程基本上沒(méi)有或只有很小的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，所以易于壓力加工流動(dòng)性和填充性極好可用多種方式進(jìn)行成形產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高二、超塑性成型的特點(diǎn)成形件質(zhì)量好不存在由于硬化引起的回彈導(dǎo)致零件成形后的變形問(wèn)題，故零件尺寸穩(wěn)定超塑性成形殘余應(yīng)力很小不會(huì)產(chǎn)生裂紋、彈性回復(fù)和加工硬化成形后材料仍能保持等軸細(xì)晶組織、無(wú)各向異性二、超塑性成型的特點(diǎn)2.超塑性的分類(lèi)及微觀組織機(jī)理目錄超塑性的分類(lèi)1超塑性微觀組織機(jī)理2超塑性的分類(lèi)及微觀組織機(jī)理組織超塑性超塑性的分類(lèi)相變超塑性其他超塑性組織超塑性熱穩(wěn)定性好條件一：材料具有均勻的微細(xì)等軸晶粒，晶粒尺寸通常小于10微米,并且在超塑性溫度下晶粒不易長(zhǎng)大條件二：變形溫度T>0.5Tm并且在變形時(shí)保持恒定溫度條件三：應(yīng)變速率比較低一、超塑性的分類(lèi)鈦合金晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有良好的超塑性能組織超塑性優(yōu)點(diǎn)微晶組織超塑性恒溫下易于操作，故大量用于超塑性成形缺點(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)到一、超塑性的分類(lèi)相變超塑性經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)的相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變而獲得很大的伸長(zhǎng)率這類(lèi)超塑性不要求材料有超細(xì)晶粒，但要求具有固態(tài)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變溫超塑性動(dòng)態(tài)超塑性加熱冷卻相變超塑性的主要控制因素是溫度幅度△t和溫度循環(huán)率(即加熱→冷卻速度)一、超塑性的分類(lèi)相變超塑性優(yōu)點(diǎn)：不要求材料進(jìn)行晶粒的細(xì)化、等軸化和穩(wěn)定化的預(yù)先熱處理缺點(diǎn)：必須給予動(dòng)態(tài)熱循環(huán)作用，生產(chǎn)困難，較難應(yīng)用于超塑性成形加工簡(jiǎn)單變形熱處理焊接切削加工一、超塑性的分類(lèi)其他超塑性25mm熱軋低碳鋼棒快速加熱到α+γ（阿爾法+伽馬）兩相區(qū)，保溫5～10s,快速拉伸，伸長(zhǎng)率可達(dá)到100%～300%短暫超塑性在再結(jié)晶及組織轉(zhuǎn)變時(shí)極不穩(wěn)定的顯微組織狀態(tài)下生成等軸超細(xì)晶粒，并在此短暫時(shí)間內(nèi)快速施加外力才能顯示出超塑性一、超塑性的分類(lèi)變形程度變形溫度為250℃、晶粒的原始直徑為0.5μm晶粒度的變化晶粒長(zhǎng)大等軸度基本不變應(yīng)變速率變形溫度圖2-2-1晶粒的大小隨應(yīng)變速率的降低而增大，但在最佳超塑性應(yīng)變速率范圍內(nèi)晶粒隨速率的降低而增大并不明顯變形程度越大，晶粒長(zhǎng)大也越顯著二、超塑性變形的微觀組織機(jī)理顯微組織的變化不形成亞結(jié)構(gòu)，亦未發(fā)現(xiàn)有晶內(nèi)位錯(cuò)或僅有個(gè)別位錯(cuò)，在試樣拋光表面上不出現(xiàn)滑移線，說(shuō)明沒(méi)有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)應(yīng)變速率范圍內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量增加，如果應(yīng)變速率更高，則亦會(huì)形成亞結(jié)構(gòu)提高應(yīng)變速率二、超塑性變形的微觀組織機(jī)理空洞的生成許多合金在超塑性拉伸變形時(shí)會(huì)伴生空洞變形程度應(yīng)變速率變形溫度晶粒尺寸相的性質(zhì)空洞隨應(yīng)變速率的升高而增多空洞沿拉伸變形方向被拉長(zhǎng)二、超塑性變形的微觀組織機(jī)理小結(jié)在超塑性變形時(shí)，晶粒雖有不同程度的長(zhǎng)大，但基本上保持等軸狀1變形后的微觀組織中幾乎看不到位錯(cuò)，也沒(méi)有晶內(nèi)滑移的痕跡，不形成亞結(jié)構(gòu)2有顯著的晶界滑移痕跡，在許多情況下晶界或相界處形成空洞等3超塑性的分類(lèi)及微觀組織機(jī)理3.超塑性成型的應(yīng)用目錄超塑性成形的原理1鈦合金超塑性成形2鎂合金超塑性成形3超塑性成型的應(yīng)用20世紀(jì)70年代鋅合金鈦合金鋁合金銅合金黑色金屬優(yōu)異的變形性能材質(zhì)均勻金屬材料超塑性成形技術(shù)的應(yīng)用范圍復(fù)合材料陶瓷材料高分子材料金屬間化合物步驟一：板料壓緊在模具上超塑性氣脹成形超塑性拉伸步驟二：板料產(chǎn)生超塑性變形步驟三：逐步貼合在模具型腔表面，形成與模具型面相同形狀的零件圖2-3-1超塑成型示意圖一、超塑性成型的原理導(dǎo)彈外殼整流罩球形氣瓶波紋板發(fā)動(dòng)機(jī)部件圖2-3-2鈦合金超塑性成形產(chǎn)品圖a：ISAS衛(wèi)星的球形燃料罐圖b：鈦合金風(fēng)扇及中空葉片圖c：鈦合金波紋管圖d：鈦合金多層板結(jié)構(gòu)圖e：鈦合金再造鼻子二、鈦合金超塑性成形圖2-3-3

F-15型飛機(jī)機(jī)身背部?jī)蓧K大型壁板長(zhǎng)度3048mm寬度1143mm總重量減輕38.4%總成本降低53.4%國(guó)外鈦合金超塑性成形技術(shù)應(yīng)用不斷拓寬，已經(jīng)廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)中軍用轉(zhuǎn)民用速度加快，用在民用飛機(jī)上的超塑性成形鈦合金結(jié)構(gòu)件日益增多二、鈦合金超塑性成形鈦合金渦輪盤(pán)鈦合金高壓球罐生產(chǎn)率提高幾十倍到200倍成本原成本的1/8～1/10工藝技術(shù)水平不高工藝裝備比較落后輔助手段不配套成形后處理和檢測(cè)手段不完善與國(guó)外產(chǎn)品差距二、鈦合金超塑性成形鎂合金板材在國(guó)防、民用工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛密排六方結(jié)構(gòu)難成形性鎂合金需進(jìn)行晶粒細(xì)化處理才具有超塑性經(jīng)過(guò)細(xì)化處理的鎂合金顯微組織由于基體內(nèi)彌散分布大量第二相粒子，在超塑變形時(shí)能夠獲得穩(wěn)定、等軸的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，因而超塑性效應(yīng)十分顯著三、鎂合金超塑性成形在此伸長(zhǎng)率下，鎂合金材料將可以更容易填充模腔，制造出復(fù)雜形狀的工件塑性加工各向異性超塑性特性各向同性伸長(zhǎng)率通常都能達(dá)到300%圖2-3-4超塑性成形的鎂合金工件三、鎂合金超塑性成形小結(jié)超塑性成形的原理1鈦合金超塑性成形2鎂合金超塑性成形3超塑性成型的應(yīng)用4.超塑性成型的發(fā)展趨勢(shì)目錄超塑性成型在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用1新型超塑性材料的開(kāi)發(fā)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還有生命力超塑性理論研究如何深入超塑性的應(yīng)用前景如何汽車(chē)工業(yè)日本和瑞士等國(guó)的汽車(chē)公司用超塑性成形方法生產(chǎn)了大型鋁合金覆蓋件無(wú)彈復(fù)能耗大單側(cè)模具單工序設(shè)備載荷低成本高效率偏低坯料預(yù)熱熱開(kāi)模機(jī)械手取件多工作臺(tái)交替成本為普通板材的10倍左右一、超塑性成型在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用原因一：鋁合金細(xì)晶板材制備成本較高原因二：超塑性材料的應(yīng)用面較窄圖2-4-1汽車(chē)工業(yè)中超塑性成形零件一、超塑性成型在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用鎂合金金屬間化合物金屬基復(fù)合材料陶瓷開(kāi)發(fā)大塊納米級(jí)超塑材料研究它們的超塑變形行為其中在