超塑性合金.docx

超塑性合金.docx

《超塑性合金.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超塑性合金.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超塑性合金

超塑性合金

超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸，相变等）和外部（环境）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（例如大的延伸率）的现象。

超塑性现象最早的报道是在1920年，ROSENHAIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180º。

最初发现的超塑性合金是锌与２２％铝的合金。

１９２８年英国物理学家森金斯下了一个定义：

凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒１０毫米时产生３００％以上的延伸率，均属超塑性现象。

１９４５年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。

超塑性是一种奇特的现象。

具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。

在通常情况下，金属的延伸率不超过９０％，而超塑性材料的最大延伸率可高达１０００％～２０００％，个别的达到６０００％。

金属只有在特定条件下才显示出超塑性。

在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。

１９２０年，德国人罗森汉在锌－铝－铜三元共晶合金的研究中，发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。

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，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现１７０多种合金材料具有超塑性。

　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。

下表列出了已获得实用的几个典型超塑性合金的成

分和主要用途。

。

近年来，超塑性主要的研究前沿是“先进材料的超塑性开发”，所谓先进材料是指金属基复合材料、金属属化合物、陶瓷等，由于它们具有某些优异的性能（例如强度、高温性能等），得到很大发展。

然而这些材料却有其共同的不足之处――难于加工成形，开发这些材料的超塑性具有重要意义。

近年来其中一些材料的超塑性已经达到很高的指标，然而这些材料超塑性的应用尚有一定的距离

超塑性既是一门科学，又是一种工艺技术。

利用它可以在小吨位设备上实现形状复杂、其他塑性加工工艺难以或不能进行的零件的精密成形。

  在超塑性材料学方面，上述经典的超塑性理论对于“超塑性材料”规定的“均匀、稳定、等轴、细晶”的苛刻条件对超塑性的应用有很大的限制。

人们从为数甚少的“天然”超塑性材料（例如Pb-Sn及Zn-Al合金等）开始，进而研制“专门”的超塑性材料（例如Al-Cu-Zr合金等），其应用范围很小。

70年代起人们注意开发工业牌号合金的超塑性、基于上述组织条件，在超塑性变形或成形前要对材料进行细化晶粒的预处理，包括热处理和形变热处理，有些处理工艺相当繁杂，消耗了能源、人力和材料。

在研究中发现。

许多工业合金在供货状态下虽然不能完全满足均匀等轴细晶的组织条件，但是也具有良好的超塑性（Ti-6Al-4V就是其中的一个典型）。

这样不用或少用细化处理工艺，可以大大提高起塑性技术的经济性。

然而，供货态工业合金往往不能完全满足超塑性材料的组织条件，或是晶粒较粗大，或是不等轴、或是分布不均匀，因此其在超塑性变形中会产生一系列的问题（例如变形不均匀、各向异性等）。

这样，研究非理想超塑性材料的超塑性变形特征，掌握缺陷形成的机理并通过控制变形参数抑制缺陷的产生，用低成本的材料超塑性成形出高质量的零件，形成了一个重要的研究方向。

这方面的研究是符合中国国情的。

此外，从社会生产的角度出发，以往材料生产厂、零件成形制造厂、机械装配厂、设备使用厂彼此脱节的现象比较严重。

应该形成一个完整的体系－从材料冶炼制造起就统筹考虑到零件的成形、装配和使用，各个环节之间彼此呼应相互调节。

这样对于提高整个生产的社会经济效益会产生难以估量的效果。

在超塑性技术的应用中，已经有了这样一些先例，超塑性状态已成为某些工业合金的若干种供货状态之一，这对于超塑性技术的推广应用，对于成形零件的质量保证，对于生产的规模化程序化起到重要的推动作用。

金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：

①细晶超塑性（又称组织超塑性或恒温超塑性），其内在条件是具有稳定的等轴细晶组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形；②相变超塑性（又称环境超塑性），是指在材料相变点上下进行温度循环的同时对试样加载，多次循环中试样得到累积的大变形。

目前研究和应用最广的超塑性现象属于前者（细晶超塑性）

超塑性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。

超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类：

  超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美术浮雕等。

气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。

Female成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。

Male成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。

美国Superform公司在超塑性气胀成形及其应用方面达到了较高水平，常年批量生产超塑性气胀成形的壳型零件，其整个生产过程都实现了计算机控制，成形的零件在航空、航天、火车、汽车、建筑等行业都得到应用。

  超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，对航空工业的发展起到重要作用。

  超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。

一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。

俄罗斯超塑性研究所首创的回转等温超塑性成形的工艺和设备在成形某些轴对称零件时具有其他工艺不可比拟的优越性。

这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。

他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

超塑性成形虽然具有上面所述的一些优点，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，其目标是实现超塑性技术在汽车工业等重要工业领域中得到应用。

实现高速率超塑性的途径只有一个，这就是细化晶粒。

研究报道表明：

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。

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。

现在，各种超塑性合金已经进入大量使用阶段，“超塑性加工”已经发展成为国际上一种相当流行的新工艺。

相信在不久的将来，超塑性合金一定能以其优越的性能取代其他的同类产品，成为最为广泛使用的合金！

为人类文明的进步做出巨大的贡献！

SUPERPLASTICITY&FORMINGOFADVANCEDMATERIALS

Superplasticityisthecapabilitytodeformcrystallinesolidsintensiontounusuallylargeplasticstrains,oftenwellinexcessof1000%.Thisphenomenonresultsfromtheabilityofthematerialtoresistlocalizeddeformationmuchthesameashotglassdoes.Ashighelongationsarepossible,complexcontouredpartscanbeformedinasinglepresscycleofteneliminatingtheneedformultipartfabrications.Thisenablesthedesignertocaptureseveraldetailpartsintoaonepiececomplex,formedstructure.Thusmaterialswithsuperplasticpropertiescanbeusedtoformcomplexcomponentsinshapesthatareverynearthefinaldimension.Superplasticformingalsoenhancesdesignfreedom,minimizestheamountofscrapproduced,andreducestheneedformachining.Inaddition,itreducestheamountofmaterialused,therebyloweringoverallmaterialcosts.

超塑性所指的就是固体晶体在在拉力作用下能够产生超乎寻常的塑性变形的特性，而这种变形通常会是原先的1000%。

超塑性现象是由材料抵抗局部变形的能力所造成，就如热玻璃被拉长一样。

当大幅度的伸长变为可能时，各种形状复杂的部件仅通过一次加工循环即可以达到要求的标准，免去了以往的种种繁杂过程，这就让设计者能够更容易地使各个部件结合起来而同时具有复杂和结实的构造。

因此，具有超塑性特性的材料就能被用于成型成各种形状复杂的构件，并且成品与最终形状已十分接近，超塑性加工还能是工艺设计变得更加简单自由，减少加工中废料的产生，以及简化加工的环节。

另外，由于超塑性合金加工方便，加工成本也得以大大降低

（i）SuperplasticFormingof“commercialpurity”Aluminium

Presentstudyindicatesthatusingoptimumpressurecycle（strainrates）itispossibleto

superplasticallyforminexpensivecommercialpurityaluminum（AA1100）tothesameextentassomeofthecommerciallyavailablesuperplasticaluminumalloys（AA7475）inadiewith

relativelysimpleconfiguration.

.

Figure1.ThicknessProfilesoftheFormedCones（AA1100vsAA7475）

（ii）HighStrainRateSuperplasticityinMetal-MatrixComposites

P/M6061AlandcompositeswithdifferentSiCpvolumefractionwerestudiedinthiswork.

Tensiletestswereconductedat653K~871Kand0.1s-1.HighStrainRateSuperplasticity（HSRS）ispossibleandtheaccompanyingmechanismsareidentified.TheSiCpreinforcementhasasofteningeffectonP/M6061AlandcompositesduringHSRSdeformation.MechanicalanalysesshowthatthedecreaseinthestrengthduringHSRSdeformationisassociatedwiththefinegrainsizeofthe6061Almatrix.Fromthemicrostructuralaspect,thedecreaseinthestrengthisduetotheoccurrenceofliquidphase.TheformationofliquidphaseresultsfromthesegregationofMgatgrainboundariesandSiCp/Almatrixinterfaces.TheoccurrenceofliquidphaseandcompositesreducesthestrengthofP/M6061AlandcompositesduringHSRSdeformation,andenhancestheirabilitytoachievelargeelongation-to-failure.However,thegrainsizeoftheAlmatrixappearstoplayamoreimportantroleinHSRSthanthereinforcementcontent.

（a）（b）

（c）（d）

Fig2TEMmicrostructureofas-extrudedspecimensof6061Alandcomposites.

（a）.Al6061（unreinforced,20）;（b）.MMC1（10vol%SiCp,20）;

（c）.MMC2（18vol%SiCp,20）;（d）.MMC3（10vol%SiCp,47）;

（iii）2-StageDeformationofMagnesiumAlloy

RecognizingthecapabilityofMg-3Al-1Zntodynamicallyrecrystallize,the‘Two-Stage

DeformationMethod’wasproposedtofurtherenhancesuperplasticity.Inthismethod,thefirststage（StageI）ofdeformationisaimedatrefiningthecoarsemicrostructurethroughDRXutilizingtheoptimumDRXconditions;whilethesecondstage（StageII）iscarriedoutattheoptimumconditionsthathavebeenearlieridentifiedforsuperplasticdeformationofcoarsegrainedMg-3Al-1Zn,i.e.1×10-4s-1at400°Cand2×10-4s-1at450°C.Table1liststheresultsoftheelevatedtemperaturetestsperformedusingsingleandtwo-stagemethods

Table1.Experimentalconditionsandelongation-to-failureforsamplestestedusingsingleandtwo-stagedeformations.Allsamplesweretestedatconstantstrainrates.

（iv）GrainBoundaryCharacterDistribution（GBCD）onCavitationBehaviourof

SuperplasticAluminium

TheslidingcapabilityofgrainboundariesisinhomogeneousduetotheanisotropicGBCD.

CavitiesarenucleatedatsiteswherehighstressconcentrationshavebeeninducedbyGBSandwherethelocalstressexceedsthebondingstrengthoftheparticletotheboundary,orthe

boundarytotheboundary.ThereareinteractionsbetweentheDFZformationandthecavity

nucleation.TheDFZformationorthecavitynucleationmaydependonthelocalstressconditionandthegrainboundarybondingstrength.TheformationofcavitynucleiatthegrainboundarieswilllowerthepotentialofDFZformationintheirvicinity,andviceversa.

TheGBCD,especiallythegrainboundarybondingstrengthattesttemperature,isthekeyfactorcontrollingtheformationofcavitystringers.Thepresenceofliquidphaseonthegrainboundariessignificantlyreducesthebondingstrength.TheformationofpreferentialcavitystringeriscloselyrelatedtotheGBCD,GBSandgrainboundarydebonding.Basedonthis,amodelofcavitystringerformationwasproposed.

Fig.4Surfacemorphologiesofthesamplesaftersuperplasticdeformationat516°C,10-3s-1.

（a）theT-samplestrainedtofracture,（b）theL-sampleafterfracture,（c）schematicillustration

oftheconfigurationvariationofthegrainsshowninfigure（b）.Thelongcontinuousfilament

ADandCEshowedthattheoriginallycontiguousGrainsAandD,CandEwerefar

separated,whiletheoriginallycontiguousgrainsBandCwereconnectedviaarelatively

shortfilamentBC.Stressedhorizontally

（v）3-DModellingofSuperplasticFormingProcess

Finiteelementsimulationsfor3DSPFprocessespresented.Thecommercialcode

ABAQUS/Standardwasusedascomputationaltool.Forverificationofthenumericalresults,theexperimentofconicalbulgingwascarriedoutandthegoodagreementofthicknessdistributionbetweenthenumericalresultsandtheexperimentalresultswasobtained.Ingeneralthematerialflowisconstrainedbyabeadataconstantdistancefromthedieprofileinthepracticalformingprocess.Sothedrawineffectshouldbeconsideredinfiniteelementsimulationinordertogetmoreaccurateresults.

Theinfluenceoffrictiondependsonthebulgingtype.Inconicalbulging,smallfrictional

coefficientcanimprovetheinhomogeneityofthethicknessdistribution.Fortherectanglebox

bulging,asthefrictiondecreases,thefillingabilityofthesheettowardstothediec