材料加工与成型5.pptx

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黄光胜材料加工与成型53.4超塑性及其成形3.4.1超塑性的概念“超塑性”，就是超出一般塑性指标的金属特性。

作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率，一般金属均不超过百分之几十，如黑色金属不大于40，有色金属也不超过60（软铝约为50，而金、银一般也只80），即使在高温下，也难以达到100。

为了提高金属的塑性，人们企图从材料的提纯、冶炼、锻造和热处理中设法改善金属的塑性，但都未能大幅度地提高塑性。

据统计从1928年到1969年，四十年间工业用金属材料平均延伸率的提高不超过10%，常规的冶金学对塑性的提高并未取得明显的变化。

半个多世纪来，在金属变形的研究中，有人发现某些金属在一定条件下具有大大超过一般塑性的特异性能，这些具有超塑性的金属，其延伸率可超过百分之百，甚至百分之几千也不会产生缩颈现象，同时变形抗力很小。

关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。

通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的延伸率而不产生缩颈与断裂现象。

当延伸率大于100%时，即可称为超塑性。

也有人用应变速率敏感指数m值来定义超塑性，当材料的m值大于0.3时，材料即具有超塑性。

m值的物理意义:

在试样拉伸变形区某一局部产生颈缩时，其应变速率增加;当材料m值较大时，为使颈缩扩展，就需要更大的应力，从而使变形向其他地方转移，因而拉伸试样呈现近似均匀的伸长变形。

m值是材料参数，它还与材料显微组织的变化如拉伸中晶粒粗化的程度和m值对晶粒度的敏感程度等有关。

超塑性的特点超塑性的特点根据超塑性的宏观变形特性，超塑性具有以下特点：

大变形无缩颈小应力易成形模具寿命长零件尺寸稳定（无回弹）超塑性分超塑性分类类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，它是目前国内外研究得最多的一种。

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10微米，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T0.5Tm（Tm为材料熔点温度，以绝对温度表示），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d10-410-1/s，要比普通金属拉伸试验时应变速率至少低一个数量级。

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。

t/%商业态AZ31B镁合金拉伸断裂延伸率这类超塑性不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过反复的循环相交或同素异形转变而获得很大的延伸率。

其必要条件是应具有固态相变的特性，并在外载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，这样就能诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现超塑性。

例如碳素钢和低合金钢，加一定的负荷，同时于A1温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生的两次转变，可以得到二次跳跃式的均匀延伸，这样多次的循环即可得到累积的大延伸。

相变超塑性不要求微细等轴晶粒，但是要求变形温度频繁变化，给实际应用带来困难，故实用上受到限制。

2相变超塑性（即变温超塑性或动态超塑性）33其它超塑性其它超塑性某些材料在一定条件下快速变形时，也能显示超塑性。

例如标距25mm的热轧低碳钢棒快速加热到两相区，保温510s并快速拉伸，其伸长率可达到100%300%。

这种在短暂时间内产生的超塑性称为短暂超塑性或临时超塑性。

短暂超塑性是在再结晶及组织转变时的极不稳定的显微组织状态下生成等轴超细晶粒。

从本质上来说，短暂性超塑性是微细晶粒超塑性的一种，控制微细的等轴晶粒出现的时机是实现短暂性超塑性的关键。

某些材料在相变过程中伴随着相变可以产生较大的塑性，这种现象称为相变诱发超塑性。

如进行拉伸，使准稳定奥氏体向马氏体转变，伸长率高达110。

电致超塑性是材料在电场或电流作用下所表现出的超塑性现象。

3.4.2超塑性变形的组织特征晶粒的粗化组织超塑性要求材料具有微细的等轴晶粒，但在超塑变形中会发生粗化，等轴晶粒在超塑变形后期发生晶粒严重粗化时，因变形机制改变也会使等轴性受到破坏，晶粒沿拉伸轴方向伸长。

不同类型材料的晶粒粗化速度是不同的。

动态再结晶动态再结晶是合金在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（轧制态或挤压态）的合金在拉伸变形中容易通过再结晶使纤维组织变为等轴细晶组织。

晶粒的滑动和转动晶粒的滑动和转动在超塑性变形时是经常发生的，通过这些运动可以使拉伸试样得到极大的延伸。

晶粒在滑动和转动过程中其尺寸和形状会有所变化，但仍会保持接近1的等轴比。

晶粒的滑动和转动并非刚性运动，因为超塑性变形类似物质的粘滞性流动。

在超塑性变形条件下晶界强度低于晶内强度，所以变形主要表现为晶界滑动行为，实质是晶界位错运动。

一般认为，晶粒转动是无规则的，主要是适应变形需要而产生的，晶粒转动也是晶界滑动作用的表现形式。

孔洞和断裂孔洞是合金超塑性拉伸变形中很重要的组织特征，虽然不能说所有合金超塑性拉伸断裂都是由孔洞造成的，但可以说大多数合金拉断是孔洞的连接引起的。

孔洞住住产生于晶界、三角晶界、或第二相粒子处，后者是因为高温下合金中的第二相有比基体高得多的强度（硬度），当晶界滑动时界面上的粒子不会发生协调变形而产生孔洞。

超塑材料的典型特点之一是其对孔洞产生和孔洞连接的高阻力。

孔洞形态明显依赖于应变速率。

3.4.3超塑性变形机理扩散蠕变机理晶界滑动机理动态再结晶机理复合机制和变形理论这些复合机制的变形理论虽然也有某些实验事实的支持，但也都各有其局限性。

就超塑性变形理论的现状而言，通过几十年特别是最近二十年的探索，至少对下面两个问题的看法基本上趋于一致：

1）超塑性变形主要是一种包括晶界滑动和晶界迁移在内的晶界行为，是多种机制综合作用的结果。

2）在S形曲线的II区，变形以晶界滑动为主，这种晶界滑动既受空位扩散机制的调节，又受位错运动的调节；随着应变速率的降低（在I、II区之间的过渡带和I区），空位扩散机制的作用增强；随着应变速率的提高（在III、II区的过波带和Ill区），位错运动机制的作用增强。

ExperimentalmaterialExperimentalmaterialThematerialusedinthepresentstudywasacommercialMg-Al-Znalloy（AZ31）.Thealloywasreceivedintheformofarolledsheetwithathicknessof1.5mm.Atypicalmicrostructureoftheas-receivedmaterialisshowninFig.Thegrainswerealmostequiaxed.Theaveragegrainsizewas130m.Initialmicrostructureoftheas-receivedAZ31:

（a）rollingplane;（b）longitudinalplane;（c）transverseplane.ResultResult3.4.4超塑性在塑性加工工程中的应用1超塑性挤压成形挤压是将材料毛坯放入模具模腔内，在较大压力和一定速度下，迫使金属产生塑性流动，充满模腔或从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。

超塑性状态下，材料的变形抗力极低，塑性极好，可以成形非常复杂的制件。

超塑性成形除要求坯料处于超细晶粒组织状态外，还要求较低的变形速度和一定的成形温度，故超塑性挤压属于等温挤压成形。

超塑成形出的尾翼尺寸符合设什要求，无表面缺陷，且成形后尾翼因晶粒细化使其综合力学性能高于坯料的性能，材料利用率从原工艺的10提高到66，单件加工工时从5.7h减少为1.9h。

图为超塑挤压成形的自带铆钉式保持架，结构比较简单，过梁的头部带有铆接头。

挤压成形时，先挤出柱型过梁，然后通过车内、外台阶形成异型铆接头，或在过梁上直接成形出铆接头。

压盖铆接孔的形状可由挤压压头的头部形状来成形。

这样就可以使本体和压盖直接铆接，省掉铆钉，并省去了在过梁上加工铆钉孔，使加工工序大为简化。

模锻是利用模具使坯料产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的锻造方法。

在成形过程中使坯料处于超塑性状态的模锻称为超塑性模锻。

超塑性模锻是近年来发展起来的一种少无切削和精密的锻造新工艺，它利用材料的超塑性得到形状复杂及尺寸较精确的锻件。

超塑性模锻目前主要用于钛合金和高温合金的成形，因为这类合金流变抗力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起力学性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本高昂。

高温合金和钛合金超塑性模锻工艺过程如下：

首先将合金在接近再结晶温度下进行热变形（挤压、轧制或锻造等）以获得超细的晶粒组织；然后在超塑温度下，在预热的模具中模锻成所需的形状；最后对锻件进行热处理，以恢复合金的高强度状态。

2超塑性模锻成形严格来讲，超塑性模锻与超塑性挤压本质上没有区别，工艺要求也基本一致，只是超塑性模锻时坯料的塑性流动方式与常规模锻工艺相似，模具结构与锻模亦比较接近。

3超塑性气胀成形超塑性气胀成形是超塑性在板材成形加工中的典型应用。

材料在超塑状态下的变形抗力很低，塑性很好，热塑性塑料的一些加工方法可用于金属。

超塑性气胀成形类似于塑料的吹塑成形和真空吸塑成形，其基本原理是，将被加热至超塑温度的金属板材夹紧在模具，并在其一侧形成一个封闭的空间，在气体压力下使板材产生超塑性变形，并逐步贴合在模具型腔表面，形成与模具型面相同的零件。

由图可知，超塑性气胀成形只需要一个凸模或一个凹模，因此可分为超塑凸模气胀成形和超塑凹模气胀成形，两种方法在模具结构上略有不同，其成形方法没有区别。

若将图中下部密封并形成真空，利用大气的压力使其成形，可称为超塑性真空吸塑成形。

3.5塑性加工复合技术3.5.1复合材料与复合方法复合材料是采用物理或化学的方法，使两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。

复合材料的种类按分类方法的不同而异。

按照其用途，可将复合材料分为结构材料和功能材料两大类。

若按组成复合材料的各成分在复合材料中的集散（分布）情况来分，可分为分散（掺和）强化型复合材料、层状复合材料（或称接合型复合材料）、梯度复合材料（或称梯度功能材料）等。

复合方法复合方法对于金属基复合材料，其主要的复合方法有如下：

（1）颗粒强化金属基复合材料主要有粉末冶金法、铸造法、喷射共沉积法、预制件渗浸法等；

（2）晶须强化金属基复合材料主要有粉末治金法、铸造法、预制件渗浸法等；（3）纤维强化金属基复合材料主要有粉末治金法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等；（4）层状复合材料一般分为机械结合法与冶金结合法两大类。

其中典型的机械接合法主要有镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管（胀形）、冷拉拔等方法；而典型的治金接合法主要包括：

（a）焊炸成形，或爆炸成形后进行轧制；（b）扩散热处理；（C）轧制成形，包括热轧，冷轧扩散热处理，液态轧制复合；（d）挤压成形，包括复合坯料热挤压、温静液挤压、热挤压包覆等；（e）粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结；（f）摩擦焊接；（g）复合铸造，包括包覆铸造、反向凝固、双流铸造、双结晶器铸造。

3.5.2轧制复合轧制复合法主要用于双金属板以及减振钢板、铝塑复合板的成形。

轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合、冷轧复合和温轧复合三种。

此外还有一种利用爆炸成形进行接合（焊接），然后进行轧制成形的方法。

双金属板的轧制复合成形原理如图所示，不同的金属在一定的温度、压力作用下通过变形接合（焊合）成一体。

可用于轧制成形的复合板的种类很多，如表所示的一些金属和合金的组合。

1热轧复合先将金属板的接合面仔细清洗干净。

为了提高界面的接合强度，还可对接合面进行打磨，提高其粗度。

轧制坯的制备主要有如图所示的两种方式，其中（a）为单一复合坯的情形，适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形；图（b）为组合型复合坯的情形，适合于复合层