第二讲：超塑性成形

金属材料塑性精确成形工艺及理论魏青松副教授博士生导师联系电话：87558155Email:[e-mail]金属超塑性定义：材料在一定的内部条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的变形抗力、超常高的流变性能（如大的延伸率）的现象。超塑性的历史1920年，Rosenhain等最早发现Zn-4Cu-7Al合金系在低速弯曲时，可以弯曲近180˚。1934年，英国的Pearson发现Pb-Sn(铅、锡)共晶合金在室温低速拉伸时，可以得到2000%的延伸率。1945年，前苏联的Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率，并提出“超塑性”的概念。1964年，美国的Backofen对Zn-Al合金进行了系统研究，提出了应变速率敏感系数，为超塑性研究奠定了基础。20世纪60年代后期及70年代，形成了超塑性研究的高潮。近几十年来，金属超塑性获得广泛应用。近年来，先进超塑性材料、高速超塑性、非理性超塑性成为研究热点。超塑性成形的基本特点和种类（1）超塑性成形的基本特点拉伸试验延伸率可达百分之几百，甚至百分之几千。拉伸试验时，试样均匀变形，在宏观上不出现缩颈现象。拉伸试验时，流动应力很低。成形过程中基本上没有加工硬化现象，所以超塑性合金的流动性和填充性好，容易成形。（2）超塑性成形的种类微细晶粒超塑性(又称恒温超塑性或第一类超塑性)相变超塑性(又称变态超塑性、转变超塑性或第二类超塑性)其他超塑性(又称第三类超塑性)。相变超塑性：1.在一定的温度和负荷条件下，经过多次循环相变或同素异构转变获得的。2.第一个必要条件：材料具备固态结构转变能力，如某些金属和合金。3.第二个必要条件：应力作用和在相变温度区内循环加热和冷却，诱发反复的结构变化而产生超塑性。其他超塑性：1.非超塑性材料在一定条件下，会出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织，并能显示出超塑性。2.在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超塑性。3.球墨铸铁和灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。微细晶粒超塑性：•材料具有等轴稳定的细晶组织(通常要求晶粒尺寸在0.5-5m之间)。—般而言．晶粒越细，越有利于出现超塑性•成形温度T0.5Tm(Tm为材料熔点的热力学温度)且大多低于普通热锻温度，并要求温度恒定。•应变速率在10-4-10-2s-1的区间内。金属试样超塑性拉伸试验时，金属的流动非常稳定，几乎看不到缩颈现象。流动应力与真实应变之间的关系与理想弹塑性体的相类似。流动应力与应变速率之间的关系具有牛顿粘性体的特征，即流动应力随应变速率的增加而上升，这种对应变速率的敏感性体现了超塑性最主要的力学特性。微细晶粒超塑性的力学特性mKes.=贝可芬(Backofen)方程。m为流动应力的应变速率敏感性指数，称为m值；K为与材料成分、结构和试验温度等有关的常数。应变速率敏感性指数m的物理意义：在m值大的情况下，随着应变速率增大，流动应力迅速增大。因此，如果试样某处出现缩颈的趋势，此处的应变速率就增大，使此处继续变形所需的流动应力随之剧增，于是变形只能在其余部分继续进行。如果再出现缩颈趋势，同样由于缩颈部位应变速率增加而局部强化，使缩颈传播到其他部位，从而可获得巨大的宏观均匀变形。以上分析表明，m值反映金属和合金拉伸时抗缩颈的能力。普通金属和合金，m=0.02-0.2；超塑性材料，m=0.3-0.8，甚至接近1。溶解—沉淀理论亚稳态理论扩散蠕变机制扩散流动机制--Ashby-Verral模型位错蠕变机制超塑性变形机理超塑性成形的应用利用气压胀形／扩散连接复合工艺（SPF/DB）工艺制造的发动机整流叶片形军用飞机采用的超塑成形零件超塑性成形的应用铝合金超塑成形构件的市场分布超塑性成形的应用SPF构件用料情况超塑性成形的应用开式模锻：与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需增加加热和保温装置。同时，由于应变速率要求在较低范围内，不能采用锤和热模锻压力机，只能用液压机。具有充模好、变形力低、组织性能好、变形道次少、弹复小的特点。用于铝、镁、钛合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状复杂零件的模锻。闭式模锻：与上述开式模锻比较，在模具结构上主要区别是闭式模锻模不设飞边槽。因而，锻造时，模腔内的压力也就是静水压力，远高于开式模锻。这样，模腔更容易充满，而且，锻件无飞边，可基本上作到无屑加工，成形件的精度也更高。这种模锻的脱模稍困难一些，它可用于难成形材料形状复杂零件的成形，如钛合金涡轮盘锻造。超塑性在压力加工方面的应用热处理方面的应用：例如，钢材的形变热处理、渗碳、渗氮、渗金属等；有效细化晶粒，改善材料性能在焊接方面的应用：将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，施加很小的负荷和加热、冷却循环即可使接触面完全粘合，得到牢固的焊接，称之为相变超塑性焊接。该工艺无热影响区，也没有高压焊接的大变形区，无需后处理。相变超塑性的应用（1）超塑性现象与超塑性指标：通常有色金属最大伸长率高于200%，可锻造的黑色金属最大伸长率高于100%，即可认为是实现了超塑性。在较理想的状态下，某些有色金属的伸长率高达2000%以上，某些黑色金属的伸长率高达500%以上。对于脆性材料，采用压缩实验，在其呈现出明显的塑性时，即可认为是实现了超塑性。（2）实现超塑性的条件微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、适当的温度和低应变速率三个基本条件。冶金方法：主要是添加一些能够促使早期形核，使组织弥散，并在变形过程中稳定晶粒的微量元素。此外，还可采取快速凝固方法。压力加工方法：采用冷、温、热三种不同温度下的轧制或锻造。热处理方法：包括反复淬火、形变热处理、球化退火等方法。为获得超塑性，处理后的组织要求具有晶粒微细、等轴、稳定的特点，晶粒大小应在10m以下。晶粒尺寸对流动应力、m值、伸长率均有很大影响，下面几图分别表示了这些影响。晶粒度的影响晶粒大小对流动应力的影响晶粒大小对应变速率敏感指数的影响变形温度对延伸率的影响应变速率与流动应力及延伸率的变化曲线