超塑性成形

金属超塑性成形目录1.1金属超塑性概况及成形特点1.1.1金属超塑性发展概况1.1.2超塑性成形的基本特点1.2超塑性的分类及影响超塑性的因素1.2.1超塑性的分类1.2.2影响微晶组织超塑性的主要因素1.3超塑性变形的微观组织机理1.3.1超塑性变形时组织对力学性能的影响1.3.2超塑性变形机理1.4超塑性成形工艺1.5超塑性成形展望1.1金属超塑性概况及成形特点“超塑性”就是超出一般塑性指标的金属特性。在常规成形条件下，一些较难成形的金属材料，如钛合金、铝合金、镁合金、镍合金、合金钢等，成形温度范围比较狭窄，流动性比较差。例如作为衡量塑性优劣的一个重要指标——伸长率δ，一般情况下，黑色金属不大于40％，有色金属也不超过60％(软铝约为50％，而金、银一般也只有80％)，即使在高温下，也难以达到100％。1.1.1金属超塑性发展概况图1-1Sn-37Pb、Bi-44Sn共晶合金拉伸后现象金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。图1-2吹塑成形的5083铝合金墙面装饰浮雕1.1.2超塑性成形的基本特点图1-3吹塑成形的Ti-6Al-4V球形卫星燃料箱1)金属塑性大为提高,过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。2)金属的变形抗力很小,一般超塑性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较大的制件。3)加工精度高,超塑性成形加工可获得尺寸精密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制件，其力学性能均匀一致，机械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。1.2.2超塑性的分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性)其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10μm，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T＞0.5Tm，并且在变形时保持恒定温度；第三个条件是应变速率比较低，一般=10-4~10-1/s。目前已发现共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在许多的二相合金中相当一部分呈现超塑性。一般说来，晶粒越细越有利于超塑性变形，但对有些材料来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。2.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性)图1-7碳钢和轴承钢的伸长率δ与温度循环次数n之间的关系(试验温度幅度：538~816℃；定负荷：σ=17.6MPa)3.其他超塑性图1-8Al-Cu共晶合金520℃拉伸时晶粒尺寸对流动应力及m值的影响1.2.3影响微晶组织超塑性的主要因素1.获得细晶粒的途径及晶粒度的影响(1)冶金学方法(2)压力加工方法(3)热处理方法2.应变速率的影响图1-9Mg-Al共晶合金的σ—曲线与m—曲线(变形温度：350℃，晶粒直径：10.6μm)3.温度的影响图1-10Zn-Al合金(=22％)的伸长率和m值与变形温度的关系—临界温度v—拉伸速度1.3超塑性变形的微观组织机理1)超塑性变形后由于合金仍保持均匀细小的等轴晶组织，不存在织构，所以不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀性能。2)超塑性成形时，由于变形温度稳定、变形速度缓慢，所以零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力。3)对超塑性变形后的Zn-Al共析合金，在图1-13中所示的条件下进行压缩试验，发现其硬度随压缩率的增加而降低，即存在所谓加工软化现象，而这是一般材料的压缩试验所没有的。4)高铬高镍超塑性不锈钢经超塑性成形后，形成微细的双相混合组织，显示出很高的抗疲劳强度。。图1-13Zn-Al共析合金(=22%)压缩率与维氏硬度的关系1.3.2超塑性变形机理图1-14晶界滑动和扩散蠕变联合机理模型图1-15晶粒移动的立体模型1—xy平面内原有的晶粒2—从z方向两相邻层移来的晶粒1.4.1常用超塑性成形的工艺方法1.薄板气压/真空成形1.4超塑性成形工艺与设备(1)气压成形金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。图1-16薄板气压成形工装示意图图1-17薄板气压/真空成形工艺过程(2)真空成形这是一种利用抽真空使处于超塑性状态下的坯料吸附到模具上的工艺方法，如图1-18所示。1)凸模真空成形。2)凹模真空成形。图1-19薄板气压/真空成形零件示例1(2)真空成形图1-18真空成形a)凸模真空成形b)凹模真空成形2.拉深成形(1)径向辅助压力拉深对凸缘上坯料法兰周边施加径向辅助压力，把材料推向中心，这时凸模的作用主要是引导材料流入凹模，拉深筒壁不全部承担成形力，故不易破裂。(2)差温拉深采用温度场控制，使凸缘上坯料部分处于超塑性温度而发生超塑性变形；而与凸模接触部分的工件材料则由于冷却而强化，不发生变形。图1-21径向辅助压力拉深原理示意图3.超塑性模锻成形(1)开式模锻与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为一体的加热和保温装置。(2)闭式模锻闭式模锻在模具结构上不设飞边槽。4.超塑性挤压成形一般冷挤压加工时，坯料变形抗力很高，最高可达35MPa以上，所需挤压设备吨位大，要求模具材料强度、耐磨性均很高，对形状复杂的零件，由于应变硬化，还必须多次挤压及中间退火，故冷挤压加工受到限制。超塑性挤压成形是将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形，故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形，省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。6.超塑性无模拉拔成形超塑性无模拉拔成形是利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。这项加工技术不但设备简单，而且可以加工成形出用常规塑性加工技术难以成形的零件，如果把计算机程序控制应用于这一方面，发展前景非常广阔。1.5超塑性成形展望1）.成形大型金属结构及相关成形设备2）.陶瓷材料与复合材料的超塑性3）.Al-Li合金的研究