對超塑性成型的認識

1、對超塑性成型的認識一. 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叽缂靶螤睢⑾嘧兊?和外部(環(huán)境)條件下(如溫度、應變速率等)，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。超塑性的特點有大延伸率，無縮頸（小縮頸），小應力， 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?shù)臏囟认拢ù蠹s相當于金屬熔點溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應變速度10毫

2、米秒時產(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，然而這些材料的強度太低，不能制造機器零件，所以并沒有引起人們的重視。 60年代以后，研究者發(fā)現(xiàn)許多有實用價值的鋅、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。 現(xiàn)在超塑性合金已有一個長長的清單，最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有1015個牌號，它們

3、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6000，碳和不銹鋼在150800之間，鈦合金在4501000之間。 實現(xiàn)超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變速率，這時合金本身還要具有極為細小的等軸晶粒（直徑五微米以下），這種超塑性稱為超細晶粒超塑性。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用價值，只要很小的壓力就能獲得形狀非常復雜的制作。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

4、難變形的合金。而這時所需的壓力很小，只相當于正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一，從而節(jié)省了能源和設備。使用超塑性加工制造零件的另一優(yōu)點是可以一次成型，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節(jié)約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時，只需要具備一種陰?；蜿柲＜纯?，節(jié)省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長，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（Al6Cu0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（Al5Ca5Zn）。鋁板可在300600時利用超塑性成型為復雜形狀，所用模具費用降低至普通壓力加工模具費用的十分之一，因此它具有和薄鋼板、鋁

5、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. 先進材料超塑性的研究，這主要是指金屬基復合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性的開發(fā)，因為這些材料具有若干優(yōu)異的性能，在高技術領域具有廣泛的應用前景。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用具有重要意義； 2. 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

6、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，目的在于擴大超塑性技術的應用范圍，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)低熔點的有色金屬，也曾有人認為超塑性現(xiàn)象只是一種特殊現(xiàn)象。隨著更多的金屬及合金實現(xiàn)了超塑性，以及與金相組織及結(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。因此按照實現(xiàn)超塑性的條件（組織、溫度、應力狀態(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)特點也稱之為微細晶粒超塑性。 1.一般所指超塑

7、性多屬這類超塑性，其特點是材料具有微細的等軸晶粒組織。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溫度的絕對溫度）和一定的變形速度條件下（應變速率在10-410-1/S之間）呈現(xiàn)超塑性。這里指的微細晶粒尺寸，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）晶粒尺寸達幾十微米時仍有很好的超塑性能。還應當指出，由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進行的，因此即使初始組織具有微細晶粒尺寸，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

8、類超塑性，并不要求材料有超細晶粒，而是在一定的溫度和負荷條件下，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，加以一定的負荷，同時于A1,3溫度上下施以反復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等鋼種試驗表明，延伸率可達到500%以上，這樣變形的特點是，初期時每一次循環(huán)的變形量（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，可以累積為大延伸。 有相變的金屬材料，不但在擴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

9、無擴散的脆性轉(zhuǎn)變過程（a）中，也具有相當程度的塑性。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（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。這種過程稱為"轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性"。即所謂"TRIP"現(xiàn)象。Fe-Ni合金，F(xiàn)e-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）：在消除應力退火過程中在應力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%

10、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，在具有異向性熱膨脹的材料如U，Zr等，加熱時可有超塑性，稱為異向超塑性。有人把a-U在有負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。1.1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。但至今還沒有從物理本質(zhì)上的確切定義。有的以拉伸試驗的延伸率來定義，認為d>200%即為超塑性；有的以應變速率敏感性指數(shù)m來定義，認為m>0.3，即為超塑性；還有的認為抗頸縮能力大，即為超塑性。 1.2超塑性的分類 根據(jù)目前世界

11、上各國學者研究的成果，按照實現(xiàn)超塑性的條件（組織，溫度，應力狀態(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。當材料是微細的等軸晶粒組織，間距為0.5一5m，溫度大于該材料熔點溫度的一半，應變速度為10-4一10-1/s之間時，材料拉伸斷裂將呈現(xiàn)超塑性變形的能力。 2.相變超塑性（變溫超塑性或動態(tài)超塑性） 將材料在相變溫度附近進行熱循環(huán)，利用相變過程，每一次熱循環(huán)貢獻一小 的應變，從而在多次熱循環(huán)過程中獲得大的延伸率。 3.內(nèi)應力超塑性 和相變超塑性一樣進行熱

12、循環(huán)，利用材料的熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生內(nèi)應力， 內(nèi)應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 金屬塑性成形時宏觀變形有幾個特點:大延伸、無縮頸、小應力、易成形。 （1）大變形：超塑性材料在單向時延伸率極高，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?。?#160;變硬化效應，但對應變速率敏感，當變形速度增大，材料會強化。因此， 超塑性材料變形時初期有緊縮形成，但由于緊縮部位變形速度增大而發(fā) 生局部強化，而其余未強化部分繼續(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）小應力：超塑性材料在變形過