超塑性材料

现代材料学（报告）学生姓名：孙志伟学号：S15030390专业班级：动力工程及工程热物理化研15-2编号题目1材料的超塑性23前言材料是工程科学的重要基础，一切科学研究都以材料为载体。现如今材料学已经成为热门学科。材料学也是一门复杂的课程，其覆盖面很广。现代材料学以传统材料学为基础，重点介绍了代表材料科学研究和应用前沿的各种新材料，阐述了材料科学的基本概念、研究方法以及各种新材料的发展和应用等。通过课堂老师的讲解，我对现代材料也有了深入的认识。感谢老师在课堂上的精心讲解。材料的超塑性是我的研究方向，因此本文主要讲述了材料的超塑性及其应用。目录一、超塑性的发展...........................................................................................................................1二、超塑性分类...............................................................................................................................2三、超塑性变形的组织结构变化...................................................................................................2四、超塑性变形机理.......................................................................................................................3五、超塑成形优缺点.......................................................................................................................6六、超塑性在塑性加工工程中的应用...........................................................................................7七、铝合金超塑性应用概述...........................................................................................................81一、超塑性的发展超塑性是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。通常，当延伸率δ100%或应变速率敏感性指数m0.3时，即认为材料具有超塑性。上个世纪20、30年代，人们在对金属变形的研究中，发现某些金属在一定的条件下具有大大超过一般塑性的特异性能,引起人们广泛的兴趣和重视。最早发现金属超塑性的是德国W.Rosenhain等人在研究Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度仍未出现裂纹。将其进行拉伸，也发现材料的塑性与加载速度密切相关的类似现象。此后在1924年，Sauveur发现在接近相变温度区域内的扭曲量特别大。在1934年英国人C.E.Pearson进行慢速拉伸，试棒的长度几乎可达到原始长度的20倍，引起人们的强烈反响，但可能由于第二次世界大战原因被搁置下来，这个时期也是超塑性发展的萌芽时期。直到1945年，前苏联的A.A.Bochvar和Z.A.Ssviderskaia又对该异常现象进行系统研究，并首次提出“超塑性”这一术语。1962年美国的E.E.underwood从冶金学的角度分析实现超塑性的可能性、条件和基本原理，对各国学者在超塑性方面的研究成果做了全面的介绍。1964年美国麻省理工学院W.A.Backofen等人对超塑性进行分析和研究，引入了与变形应力有关的应变速率敏感性指数m，提出了应力σ与应变速率ε的关系。从1948年到1967年这一阶段是对超塑性机理的研究的兴盛时期。晶界滑移机理、晶内滑移机理、扩散蠕变机理、及再结晶机理等都是这一阶段提出来的。这阶段也是超塑性发展的奠基时期。从60年代末到70年代初，超塑性研究进入了发展时期，1968年，英国Leyland汽车公司生产了工业用Zn-22%Al共析合金，利用超塑性成形制成了小轿车上盖和汽车车门内板，开创了超塑性应用先例。1970年美国的T.H.Thomsen等使用Zn-22%Al共析合金管吹制成具有鼓胀凸肚及精细花纹的花瓶，说明超塑性合金适于制造形状复杂的精密零件。由此将超塑性成形技术引入精密零件成形领域。70年代初，美国的C.H.Hamilton等人将超塑成形工艺与扩散连接工艺相结合，制造出了形状复杂的钛合金整体结构件，从而带来了钛合金制造工艺上的技术性革命。这个时期，世界各国都在寻求超塑性金属材料，目前超塑性金属和合金已经发展到200种以上。美国航空与航天工业的几个发展计划表明，超塑性成形与扩散连接工艺相结合，能制造复杂的钛合金零件。这些计划还表明与采用普通钛合金结构相比交，节约成本50％，减轻重量30％。在英国，也应用了铝锂合金、钛合金在飞机构件上。日本对超塑性的研究开始较晚是60年代中期开始的，比美国少晚，但发展速度很快，在应用方面做了大量的工作，后来居上，2大有超过西方国家之趋势。我国对超塑性的研究开始较晚，60年代中期才开始有学者收集资料并进行研究分析，在超塑性的研究和应用方面有了较大的进展，基本与国际同步。目前超塑性材料研究范围更是广泛，已经从金属间化合物、金属复合材料、陶瓷材料等金属材料的范畴到非金属材料。这些新型超塑性材料具有特殊的优越性能和应用价值，这些材料为今后的工业应用提供了一条方便、经济、有效的途径。高应变速率的超塑性，是目前超塑性研究的热点和未来研究的重要方向之一。国外的研究表明，通过机械合金化、非结晶粉墨固化和物理雾化沉淀等方法减少晶粒尺寸，可获得高应变速率条件下的超塑性，这方面的研究日本处于领先水平。二、超塑性分类对超塑性的分类，目前，按照材料变形特点和所处状态，可以分为组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性三类。1)组织超塑性又称细晶超塑性或恒温超塑性。需要满足三个条件：晶粒度细小、变形温度恒定、应变速率缓慢。一般超塑性多属这一类。晶粒细小指的是材料具有微细等轴晶粒，并且在超塑性变形温度下晶粒不易长大，即所谓的热稳定性好。变形温度恒定指塑性变形是在恒定温度下产生的，没有相变等组织结构的转变。应变速率缓慢要求超塑性变形时，应变速率要缓慢因为原子扩散蠕变成形需要足够的时间。一般ε=10-4—10-3S-1，与普通金属拉伸实验时应变速率相比至少低一个数量级。2)相变超塑性即变温超塑性或动态超塑性，要求材料在变动频繁的温度环境下受应力作用时，经多次循环相变或同素异形转变而得到的很大变形。同样也需要满足三个条件：a.金属及合金具有固态结构转变能力；b.应力作用；c.相变温度上下循环加热和冷却，诱发它产生反复的结构变化，使金属原子发生剧烈运动而出现超塑性。相变超塑性在温控技术方面比组织超塑性要困难的多。3)其它超塑性包括短暂超塑性和相变诱发超塑性等。a.短暂超塑性又称临时超塑性，指金属材料在一定的条件下出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织并显示出的超塑性，在此短暂的时间内进行快速的施加外力，才能显示出来，就是短暂超塑性变形，可以在热加工期间产生，也可以在冷变形后的再结晶退火过程中产生。b.相变诱发超塑性指在相转变温度点以上的一定温度区间加工变形，在转变的过程中可以得到异常高的延伸率的现象。三、超塑性变形的组织结构变化超塑性材料变形时产生组织结构变化，研究超塑性材料变形时的组织结构变化，可以预估超塑性变形后材料力学性能可能产生的变化，这为进一步阐明变形3规律以及各种因素的影响提供依据。不但为变形机理的研究提供实验数据，并且为制备超塑合金和合金的超塑成形提供依据。在超塑性变形时，材料内部产生了下面一些变化：（1）晶粒的粗化与等轴化在超塑变形时，晶粒会随着变形程度的增加而不断长大，在不大的变形量下会发生等轴化。在密排六方晶格的超塑性材料发生超塑变形时，发生晶粒长大的同时，还顺着拉伸方向拉长，存在着晶内滑移现象。（2）晶粒相互位置的变化超塑变形时，晶粒不仅沿晶界产生滑动，而且晶粒也产生了转动。人们还发现，超塑性变形时晶粒还发生换位，其中包括挟开（两个原来相邻的晶粒被两旁的另外两个晶粒挟开，）和转出（从下层转出一个晶粒挤在原来的几个相邻晶粒之间）。（3）位错密度的变化金属晶体内部可动位错密度比未变形时高出许多。但是在最佳应变速率拉伸时，一般不产生由位错所构成的亚晶界。（4）动态再结晶动态再结晶是合金超塑性变形中比较普遍存在的组织效应。具有原始纤维组织的合金在拉伸变形中容易通过再结晶使显微组织变为等轴细晶组织。（5）孔洞超塑变形过程中一般都会产生孔洞，孔洞通常产生于晶界和相界处，并且随变形的进行而发展。四、超塑性变形机理材料的超塑性变形之所以会出现与常规超塑性有明显不同的变形特征，是因为其变形机理与常规塑性变形不同所致。在变形机制上看，一般金属变形主要发生在晶粒的内部，如滑移和孪晶等，其原子的相对位移量不易超过两个原子的间距，因而延伸率不大。对于超塑性变形来说，晶界行为起了主要作用，如晶粒转动、晶界滑移、晶粒换位等，因而延伸率比较大。了解超塑性现象的本质，能够达到控制超塑性的目的。超塑性变形机理指超塑性流变期间材料内部原子或原子群的运动过程和方式。关于超塑性机理的文献很多，有很多理论、模型和假说，但由于所具有的材料不同，实验条件上的差异，往往得出不同的机理。目前尚未建立一种统一的完整的理论。下面介绍一些有代表性的超塑性变形机理。超塑扩散机理、晶界滑动机理、动态再结晶机理。扩散蠕变理论认为，高温应变下位错密度很小，能动性也差，因而位错运动不可能成为超塑性变形的主要形式，材料内部存在大量的过饱和空位，因而连续变形可以由空位在外加应力场中做定向的运动来实现。而空位运动导致原子向相反方向的扩散迁移。扩散蠕变又分为晶内扩散和晶界扩散两种。晶内扩散Nabarro-Herring提出的模型，该模型认为，在拉应力场作用下，在横向晶界上形成空位比在侧向晶界上形成空位更有利，因而这两类晶界上产生4的空位浓度不同，这种浓度差会导致横向晶界的空位不断流向纵向晶界，而原子则向相反的方向流动，结果晶粒被拉长，变窄。晶界运动一般分为滑动和移动两种。滑动为晶粒沿晶界滑动，移动为相邻晶粒间相互侵噬而产生的晶界迁移。实际变形是这两者交替进行的。下面主要介绍有扩散蠕变调节的晶界位错运动调节滑动理论。扩散调节理论认为，当进行扩散蠕变时，晶界滑动可以看作是调节过程，反之，晶界滑动时，扩散蠕变起调节作用。超塑性成形的主要形式是晶界滑动，同时晶内、晶界滑动发生或协调进行。晶界扩散Coble型：该模型认为，在晶粒附近形成空位的自由能和空位在该处运动的激活能明显地比晶粒内部低，空位沿晶界的扩散，原子沿相反的的方向运动。1扩散蠕变调节的晶界滑动理论。晶界不是平滑的，存在大大小小的坎，当外力作用时，这些坎分为两种类型：一为压缩型坎简称压坎；一为张开型坎简称张坎，如图1.2,这个模型可帮助直观地了解晶界滑动扩散蠕变控制晶界滑移的一种具体的物理机制。在压坎附近，由于受压，空位浓度大大减少，在张坎附近，空位浓度增加。张坎和压坎附近的这种空位浓度差，就迫使空位从张坎沿着晶界向压坎扩散。与此同时发生的等效过程是原子从压坎沿晶界向张坎扩散流动，以充填或弥合由晶界滑动在张坎造成的空隙，并在压坎上让出空间使晶界滑动得以继续进行。图1晶粒在有坎的晶界上滑动的示意图2.晶内—晶界扩散共同调节的晶界滑动模型图2Ashby-Verrall模型由一组二维的四个六方晶