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1论超塑性成形的应用及发展摘要：金属材料的超塑性是指金属在特定条件下，具有更大的塑性。本文主要介绍了超塑性成形的主要发展概况，超塑性成形的成形原理、主要特点及应用，对超塑性成形技术的未来发展做出了展望。关键词：超塑性成形、金属材料、发展状况一、金属超塑性发展概况金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化、极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时延伸率只有30~40%，塑性好的有色金属也只有60~70%，但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在100~200%范围内，塑性好的金属延伸率在500~2000%范围内。早在1920年，德国W.Rosenhain等人将冷轧后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的铝板慢速弯曲的时候，发现这种脆性材料被弯成180°而未出现裂纹，它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象，可能是由于加工产生了非晶质。1934年，英国C.E.pearson初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson将其缓慢拉伸，得到了伸长率为2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金属，在落地实验中呈脆性断裂，这是一个更大的发现，在当时虽然引起了一部分人的强烈反响，但在第二次世界大战的却被搁置了。第二次世界大战后，前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究，用Zn-Al共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率，并应用于“超塑性”这个词汇。1962年，美国E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章，从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。目前，在我国的超塑性研究领域中，已形成了开发、应用以铝合金、钛合金、铜合金为代表的结构合金超塑性材料的热潮，主要进行了三方面的工作：①研究结构合金获得超塑性的途径；②探索结构合金超塑性成形工艺规范；③解决成形工艺关键，并进入工艺实用，其中很大部分曾在航空航天、仪表、电子、轻工、机械、铁路等各个领域内得到了有效的应用。2二、超塑性成形特点根据超塑性成形的宏观变形特性，可用大变形、无缩颈、小应力、易成形来描述超塑性成形特点。1、大变形超塑性材料在单向拉伸时延伸率极高。很多超塑性材料在单向拉伸条件想伸长率可以达到1000%以上，铝青铜的伸长率最高可达8000%以上，代表了金属材料的最高伸长率。2、无缩颈超塑性材料在单向拉伸条件下不像常规塑性材料那样表现出明显的缩颈行为，却类似于粘性物质的流动，变形在整个试样上均匀地产生，没有（或很小）应变硬化效应，这也是能够实现大延伸的原因所在。3、小应力超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。变形抗力可以低到10MPa的量级，便于实现甚至像吹塑这样的低压力成形，而且基本上没有加工硬化行为。4、易成形由于超塑性具有以上特点，而且变形过程基本上没或只有很小的应变硬化现象，所以超塑合金易于压力加工，流动性和填充性极好，可用多种方式进行成形，而且产品质量可大大提高。三、超塑性变形机理关于超塑性变形机理目前尚无统一的认识。有人认为在超塑性变形过程中，起支配作用的变形机理是晶界滑移；也有人认为，扩散蠕变机理的作用很大；还有人认为，在超塑性变形过程中，伴随有动态回复和动态再结晶。由于超塑性变形过程中，晶粒的大小和形状都没有显著的变化，大量的变形来自晶间滑移，但同时，晶间滑移不可能作为独立的变形机理，还必须有其他的变形机理来相互协调配合。扩散蠕变机理是在应力场的作用下原子（或空位）发生定向转移，引起物质的迁移和晶体的塑性变形；但若此过程单独地进行，必然会引起晶粒沿外力方向伸长，而这与超塑性变形中晶粒仍基本保持等轴状也是相矛盾的。动态再结晶虽然能解释超塑性变形中等轴晶粒的形成，但是，在通常的热塑性变形过程3中亦有发生再结晶，却不能获得像超塑性变形那样的大伸长率、低流动应力和表现出对应变速率的高敏感性。所有这些都说明，没有哪一个理论能过完满地解释各种金属材料中所发生的超塑性变形现象。事实上，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，不可能是单一的变形机理，而是几个机理是综合作用；而且，在不同情况下，可能有不同的机理起着主导作用。四、超塑性成形的应用由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件，都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式，如板料成形，管材成形，无模拉丝，吹塑成形和各种挤压，模锻等。利用这种异常的塑性，有些原来很多零件拼合成的部件，现在可以用超塑性成形一次加工出来，减轻了零件的重量，节约大量加工工时。如形状复杂的电子仪器的底座、盖板及其他复杂零件，各种汽车外壳、箱板等，以及形状复杂的工艺制品、家用电器制件。具体应用介绍如下:1、气压成形这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于Zn-22%A1,A1-6%Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状，把板料和模具加热到预定的温度，用压缩空气的压力，使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上，以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为0.4~4毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹，选用凹模内或凸模上成形。2.拉深成形锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。3.挤压和模锻近年来高温合金和钛合金的应用不断增加，尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高，可塑性极低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异4性的敏感性，难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，而机械加工的性能是很差的，所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。五、超塑性成形展望超塑性成形的历史尚短，仍属于一个新兴工艺，对各种材料的各种成形工艺过程，还在不断试验、比较、淘汰、选择、发展和完善。从目前的发展趋势看，有下述几点值得注意。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4、工艺过程的数值模拟超塑性成形虽然具有很多优点，但是超塑性成形一般生产率较低，又需要较高的温度，这是该工艺没有得到较大推广的重要原因。提高超塑性变形速率是近几年国际上超塑性学者探讨的重要方向。研究表明：当晶粒细化至纳米数量级时，超塑性变形速率可以提高3~4个数量级。但由于提高速率的主要目的在于超塑性技术的开发应用，所以这方面的研究要特别注意综合效益，不能因为细化晶粒投资过高而使超塑性技术失去应用价值。