淺談自己對(duì)超塑性認(rèn)識(shí)

淺談自己對(duì)于超塑性的理解這學(xué)期新選修了《特種精密成型工藝》這門課程，當(dāng)時(shí)就很好奇什么是特種成型工藝？這些工藝技術(shù)“特種”在什么地方？相比于其他成型工藝，這些工藝“特種”在什么地方？隨著新學(xué)期的開始，課程也就開始了，也慢慢的解決了自己心中的疑問！首先學(xué)到的就是超塑性成型工藝。對(duì)于超塑性成型工藝，除了上課老師講解的，課下我也從網(wǎng)上和其他書中做了許多了解，對(duì)超塑性這種工藝技術(shù)，有了一個(gè)框架。超塑性成型工藝，使得塑性成形工藝更加省力，更加有效率，經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，它的存在有很重要的意義！一、超塑性技術(shù)的發(fā)展金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細(xì)化、極低的變形速度及等溫變形)下，具有更大的塑性。如低碳鋼拉伸時(shí)延伸率只有30~40%，塑性好的有色金屬也只有60~70%，但超塑性狀態(tài)。一般認(rèn)為塑性差的金屬延伸率在100~200%范圍內(nèi)，塑性好的金屬延伸率在500~2000%范圍內(nèi)。早在1920年，德國W.Rosenhain等人將冷軋后的Zn-Al-Cu三元共晶金的鋁板慢速彎曲的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這種脆性材料被彎成180°而未出現(xiàn)裂紋，它和普通晶體材料大不相同。他們推斷這種負(fù)荷速度有密切依賴關(guān)系的異?，F(xiàn)象，可能是由于加工產(chǎn)生了非晶質(zhì)。1934年，英國C.E.pearson初次對(duì)共晶合金的異常彎曲進(jìn)行了詳細(xì)研究。這種合金的擠壓材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson將其緩慢拉伸，得到了伸長率為2000%的試樣。很奇怪的是這種慢速大延伸的金屬，在落地實(shí)驗(yàn)中呈脆性斷裂，這是一個(gè)更大的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)雖然引起了一部分人的強(qiáng)烈反響，但在第二次世界大戰(zhàn)的卻被擱置了。第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)金屬的異常延伸現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，用Zn-Al共析合金在高溫拉伸試驗(yàn)中得到異常的伸長率，并應(yīng)用于“超塑性”這個(gè)詞匯。1962年，美國E.E.Underwood發(fā)表了一篇評(píng)論解說性文章，從冶金學(xué)的角度分析了實(shí)現(xiàn)超塑性成形的可能性、條件及基本原理。人們?cè)u(píng)價(jià)這篇文章是超塑性研究的總結(jié)。從此超塑性研究引起了人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。目前，在我國的超塑性研究領(lǐng)域中，已形成了開發(fā)、應(yīng)用以鋁合金、鈦合金、銅合金為代表的結(jié)構(gòu)合金超塑性材料的熱潮，主要進(jìn)行了三方面的工作：①研究結(jié)構(gòu)合金獲得超塑性的途徑；②探索結(jié)構(gòu)合金超塑性成形工藝規(guī)范；③解決成形工藝關(guān)鍵，并進(jìn)入工藝實(shí)用，其中很大部分曾在航空航天、儀表、電子、輕工、機(jī)械、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了有效的應(yīng)用。二、超塑性的形成機(jī)理關(guān)于超塑性變形機(jī)理目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為在超塑性變形過程中，起支配作用的變形機(jī)理是晶界滑移；也有人認(rèn)為，擴(kuò)散蠕變機(jī)理的作用很大；還有人認(rèn)為，在超塑性變形過程中，伴隨有動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于超塑性變形過程中，晶粒的大小和形狀都沒有顯著的變化，大量的變形來自晶間滑移，但同時(shí)，晶間滑移不可速率關(guān)系曲線。根據(jù)這些曲線選擇最適宜的應(yīng)變速率，一般的說，ε值大體在10-2S-1——10-4S-1之間，此值要比常規(guī)的變形速度低很多，這是超塑性變形最大的不足之處，它限制了生產(chǎn)率的提高，從而也限制了超塑性合金的應(yīng)用范圍，它只適合于在中小批量生產(chǎn)中使用；如新產(chǎn)品的試制、旅游工藝品生產(chǎn)、某些軍工產(chǎn)品生產(chǎn)等。1908年，英國里蘭德汽車公司生產(chǎn)了工業(yè)用Zn-22%A1共析合金，用該合金薄板在低應(yīng)力作用下超塑性成型汽車門和冰箱門等的內(nèi)襯，轟動(dòng)一時(shí)。1970年湯姆生等人也是用Zn-22%A1合金用不大的氣體壓力（1.98N/MM2）吹脹成具有凸肚和花紋的調(diào)味品瓶子。由于鋅合金在性能上的限制，其后超塑性合金的發(fā)展擴(kuò)展向鋁合金、鈦合金、銅合金及碳鋼、不銹鋼等領(lǐng)域，并在電子、儀表、紡織、機(jī)械、汽車、航空航天及工藝制品等行業(yè)中獲得了應(yīng)用，尤其在航空上用得更多，美國在戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上廣泛使用超塑性成型的鋁合金、鈦合金零件，在B-1B重型轟炸機(jī)上用量達(dá)11，550磅，為其鋁、鈦結(jié)構(gòu)件重量的15%。五、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(diǎn)的有色金屬，也曾有人認(rèn)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(shí)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(shí)現(xiàn)超塑性的條件（組織、溫度、應(yīng)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(diǎn)也稱之為微細(xì)晶粒超塑性。

1.一般所指超塑性多屬這類超塑性，其特點(diǎn)是材料具有微細(xì)的等軸晶粒組織。在一定的溫度區(qū)間（Ts≥0.5Tm，Ts和Tm分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對(duì)溫度）和一定的變形速度條件下（應(yīng)變速率在10-4~10-1/S之間）呈現(xiàn)超塑性。這里指的微細(xì)晶粒尺寸，大都在微米級(jí)，其范圍在0.5～5μ之間。一般來說，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來說（例如Ti合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有很好的超塑性能。還應(yīng)當(dāng)指出，由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，因此即使初始組織具有微細(xì)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。這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)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(fù)荷，同時(shí)于A1,3溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（αγ)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(yàn)表明，延伸率可達(dá)到500%以上，這樣變形的特點(diǎn)是，初期時(shí)每一次循環(huán)的變形量（△ε∕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(shí)，可以累積為大延伸。

有相變的金屬材料，不但在擴(kuò)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，即無擴(kuò)散的脆性轉(zhuǎn)變過程（γ→a）中，也具有相當(dāng)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(diǎn)（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(guān)。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(yīng)力退火過程中在應(yīng)力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%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(yàn)，在具有異向性熱膨脹的材料如U，Zr等，加熱時(shí)可有超塑性，稱為異向超塑性。有人把a(bǔ)-U在有負(fù)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。六、超塑性成型工藝的應(yīng)用由于金屬及合金在超塑性狀態(tài)具有異常好的塑性和極低的流動(dòng)應(yīng)力，對(duì)成形加工極為有利。對(duì)于形狀極為復(fù)雜或變形量很大的零件，都可以一次成形。從已報(bào)導(dǎo)的成形已有多種形式，如板料成形，管材成形，無模拉絲，吹塑成形和各種擠壓，模鍛等。利用這種異常的塑性，有些原來很多零件拼合成的部件，現(xiàn)在可以用超塑性成形一次加工出來，減輕了零件的重量，節(jié)約大量加工工時(shí)。如形狀復(fù)雜的電子儀器的底座、蓋板及其他復(fù)雜零件，各種汽車外殼、箱板等，以及形狀復(fù)雜的工藝制品、家用電器制件。具體應(yīng)用介紹如下:

1、氣壓成形這是在超塑性材料的延伸率高和變形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的啟發(fā)而發(fā)展起來的新工藝。用于Zn-22%A1,

A1-6

%Cu-0.5%Zr和鈦合金的超塑性板料成形。利用凹?；蛲鼓Ｉ系男螤睿寻辶虾湍＞呒訜岬筋A(yù)定的溫度，用壓縮空氣的壓力，使壓緊的板料漲開貼緊在凹?；蛲鼓Ｉ?，以獲得所需形狀的薄板工件。目前能加工的板料厚度為0.4~4毫米。根據(jù)工件要求在它的表面上或在內(nèi)腔內(nèi)有清晰的形狀和花紋，選用凹模內(nèi)或凸模上成形。2.拉深成形鋅鋁合金等超塑性板料，在法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。如果在沖頭下部和拉伸好的筒部采用冷卻裝置，深沖比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分時(shí)深沖系數(shù)不變。超塑性成形件最大特點(diǎn)是沒有各向異性，拉伸的杯形件沒有制耳。

3.擠壓和模鍛

近年來高溫合金和鈦合金的應(yīng)用不斷增加，尤其是國防工業(yè)生產(chǎn)中。這些合金的特點(diǎn)是:流變抗力高，可塑性極低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成本昂高。如采用普通熱變形鍛造時(shí)，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，而機(jī)械加工的性能是很差的，所以往往不能滿足零件所需的機(jī)械性能。但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過去肥頭大耳的落后的鍛造工藝。七、超塑性的發(fā)展方向近年來超塑性在我國和世界上發(fā)展方向主要有如下三個(gè)方面：

1.先進(jìn)材料超塑性的研究，這主要是指金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性的開發(fā)，因?yàn)檫@些材料具有若干優(yōu)異的性能，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(duì)于其應(yīng)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，降低成本；

3.研究非理想超塑材料（例如共貨態(tài)工業(yè)合金）的超塑性變形規(guī)律，探討降低對(duì)超塑變形材料的苛刻要求，而提高成