对超塑性成型的认识Word格式文档下载.docx

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金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982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。

　　60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。

特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。

到了70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。

　　现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200～2000％之间。

如铝锌共晶合金为1000％，铝铜共晶合金为1150％，纯铝高达6000％，碳和不锈钢在150～800％之间，钛合金在450～1000％之间。

　　实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。

还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。

　　超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。

试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。

而这时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。

使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。

在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。

超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。

　　超塑性的铝合金已经商品化，如英国的Supral100（Al—6Cu—0.4Zr）和加拿大的Alcan08050（Al—5Ca—5Zn）。

铝板可在300～600℃时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。

　　据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等

二.超塑性的发展方向

近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三个方面：

　　　1.先进材料超塑性的研究,这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。

然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性对于其应用具有重要意义;

2.高速超塑性的研究：

提高超塑变形的速率,目的在于提高超塑成形的生产率；

ﻫ　3．研究非理想超塑材料（例如共货态工业合金）的超塑性变形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求,而提高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更大的效益。

三.超塑性的分类:

早期由于超塑性现象仅限于Ｂi－Sn和Ａｉ-Cu共晶合金、Zn-Aｌ共析合金等少数低熔点的有色金属，也曾有人认为超塑性现象只是一种特殊现象。

随着更多的金属及合金实现了超塑性,以及与金相组织及结构联系起来研究以后,发现超塑性金属有着本身的一些特殊规律，这些规律带有普遍的性质。

而并不局限于少数金属中。

因此按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般分为以下几种1．恒温超塑性或第一类超塑性。

根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。

　１.一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。

在一定的温度区间（Ts≥0.５Ｔｍ，Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）和一定的变形速度条件下（应变速率

在１0-4~10-1/Ｓ之间）呈现超塑性。

这里指的微细晶粒尺寸,大都在微米级，其范围在0.5~5μ之间。

一般来说，晶粒越细越有利于塑性的发展,但对有些材料来说（例如Ti合金）晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。

还应当指出，由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸,如果热稳定性差，在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。

　ﻫ2.相变超塑性或第二类超塑性,亦称转变超塑性或变态超塑性。

这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。

例如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷,同时于A１，３温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生（α

γ）的两次转变，可以得到二次条约式的均匀延伸。

ﻫ

等用AISＩ1018、1045、1095、5２100等钢种试验表明，延伸率可达到500%以上，这样变形的特点是，初期时每一次循环的变形量（△ε∕N）比较小,而在一定次数之后,例如几十次之后,每一次循环可以得到逐步加大的变形，到断裂时,可以累积为大延伸。

有相变的金属材料,不但在扩散相变过程中具有很大的塑性，并且淬火过程中奥氏体向马氏体转变，即无扩散的脆性转变过程（γ→a）中,也具有相当程度的塑性。

同样，在淬火后有大量残余奥氏体的组织状态下,回火过程,残余奥氏体向马氏体单向转变过程,也可以获得异常高的塑性。

另外,如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定温度区间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变,在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小与转变量的多少，变形温度及变形速度有关。

这种过程称为"

转变诱发塑性"

。

即所谓"

TRIP"

现象。

Ｆe－Ni合金，Fe－Ｍｎ-C等合金都具有这种特性。

　3.　其它超塑性（或第三类超塑性）:

在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。

Aｌ－5%Sｉ及Aｌ-4％Cｕ合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性，根据Johnsoｎ试验,在具有异向性热膨胀的材料如U,Zr等,加热时可有超塑性,称为异向超塑性。

有人把ａ-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。

球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。

１.1超塑性的概念 

超塑性是指材料在特定条件下,表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。

但至今还没有从物理本质上的确切定义。

有的以拉伸试验的延伸率来定义,认为>

200%即为超塑性；

有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为ｍ>

0.3,即为超塑性;

还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。

1.2超塑性的分类 

根据目前世界上各国学者研究的成果,按照实现超塑性的条件（组织，温度,应力状态等）可将超塑性分为三类:

1.微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类,它是国内外研究最多的一种。

当材料是微细的等轴晶粒组织,间距为0.5一5μm,温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一１０-1/s之间时,材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。

2.相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性） 

将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程,每一次热循环贡献一小 

的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。

3.内应力超塑性 

和相变超塑性一样进行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力, 

内应将有助于基体的塑性流动,从而使材料获得超塑性。

1.３超塑性的特点 

金属塑性成形时宏观变形有几个特点:

大延伸、无缩颈、小应力、易成形。

（1）大变形：

超塑性材料在单向时延伸率极高,有的可以到800０%表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。

这样使材料的成形性能 

大大改善，可以使许多形状复杂,一般难以成形的材料变形成为可能。

（2）无紧缩：

超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动,没有（或很小）应 

变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大,材料会强化。

因此, 

超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发 

生局部强化,而其余未强化部分继续变形，这样使紧缩传播出去，结果 

获得巨大的宏观均匀变形。

超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果,并 

非真的没有紧缩。

（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。

通常用流动应力来表示变形抗力的大小。

在最 

佳变形条件下，流动应力要比常规的变形的小到几分之一乃至几十分之 

一。

（4）易成形:

超塑性材料在变形过程中没有或只有很小的应变硬化现象，所 

以超塑性材料易于加工、流动性和填充性好，可以进行多种方式成形， 

而且产品质量可以大大提高。