材料超塑性及应用
金属材料超塑性研究
金属材料超塑性研究超塑性是指材料在高温、高应变率下能够较大程度地延展形变而不出现断裂现象的能力，具有重要的工程应用价值。
在金属材料中，很多合金具有超塑性，它们广泛应用于航空、航天、汽车及电子等领域。
第一章：超塑性研究的背景与意义随着现代工业的发展，人们对高强度、轻量化、高耐腐蚀性等性能的要求越来越高。
金属材料的超塑性研究不仅可以满足这些要求，而且具有很大的经济价值。
如在飞机飞行中，减轻重量是提高燃油效率和载重能力的根本途径之一，这就需要材料具有高强度和最低的密度；在汽车工业中，超塑性材料的应用可以减轻车重、提高安全性和降低燃油消耗。
第二章：金属材料超塑性机理超塑性材料的主要机理包括晶界滑移和晶界扩散。
晶界滑移是指晶体中的位错在晶界处滑移，有助于形成不规则的晶界结构，从而增加晶界的形变容量。
晶界扩散是指晶间扩散方程中的晶界扩散系数随应变速率下降，形成整个材料中的晶粒以及晶界扩散，从而实现材料的超塑性。
第三章：金属材料超塑性实验方法超塑性实验方法包括拉伸实验和压缩实验，其中拉伸实验可以分为单轴拉伸和双轴拉伸两种。
双轴拉伸实验是材料超塑性研究中最常用的方法之一，它可以模拟真实应力状态，而单轴拉伸实验则便于测试材料的机械性能。
而压缩实验又分为等温压缩和热加工压缩两种方法。
第四章：超塑性材料制备技术超塑性材料制备技术包括热轧、热挤压、等轴化处理、稀土等工艺。
稀土元素的添加可以改善合金的晶界结构，使其具有更好的超塑性。
等轴化处理是制备超塑性材料的重要方法，它可以精确控制晶界数量和晶粒尺寸。
这些制备技术可以提高材料的晶界活性，促进材料的晶界滑移和扩散，实现材料的超塑性。
第五章：金属材料超塑性的应用以镁合金为例，因其具有低密度、高比强度和良好的抗腐蚀性等性能，已经成为航空、汽车和电子等领域的重要材料。
镁合金的超塑性很好，因此在高温、高应变率下具有更好的成形性能。
将超塑性材料应用于产品制造中，可以细化材料的组织结构，提高材料的抗氧化性能，更好地适应不同工业领域的需求。
超塑性成形的原理和应用
超塑性成形的原理和应用1. 超塑性成形的概念超塑性成形是一种可以在极高温度下并且应力条件下进行的金属塑性变形技术。
它的特点是在高温下，金属材料具有极高的塑性，可以在较小的应力下实现大变形。
超塑性成形主要应用于高温合金的成形加工，如航空航天零部件、发动机叶片和复杂形状的零件等。
2. 超塑性成形的原理超塑性成形的原理是通过改变金属材料的晶体结构和形变机制来实现。
在高温下，金属材料的晶体结构会发生变化，从原来的多晶结构转变为细小的晶粒。
这种细小晶粒的结构使得金属材料在高温下具有较高的塑性。
超塑性成形的变形机制主要有固溶变形机制和晶界滑移机制。
固溶变形机制是指在晶体内部出现位错和断裂，通过位错运动和撤消来实现变形。
晶界滑移机制是指晶界变形的滑移和滑动机制，在晶界上形成高密度的位错和滑移。
3. 超塑性成形的应用超塑性成形的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 航空航天领域在航空航天领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的零部件，如发动机叶片、涡轮盘等。
超塑性成形能够在一次成形过程中实现复杂形状的制造，不仅可以减少后续加工工序，还能够提高零件的质量和性能。
3.2 汽车制造领域在汽车制造领域，超塑性成形可以用于制造汽车车身和车身零部件。
通过超塑性成形，可以使得汽车的轻量化设计成为可能，提高汽车的燃油效率和性能。
3.3 铁路交通领域超塑性成形在铁路交通领域的应用主要集中在制造高速列车的车体和车轮等零部件。
通过超塑性成形，可以使得高速列车具有更好的抗风阻能力和稳定性，提高列车的运行速度和安全性。
3.4 石油化工领域在石油化工领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的化工设备，如反应器、换热器等。
超塑性成形能够使得化工设备具有更好的耐腐蚀性和耐压性，提高设备的使用寿命和效率。
3.5 其他领域此外，超塑性成形还可以应用于船舶制造、电子设备制造、科学研究等其他领域。
通过超塑性成形，可以制造出更加复杂和精密的零部件，提高产品的质量和性能。
超塑性的概念
超塑性定义和性质
相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利 的，但要求变形温度反复变化，给实际生产带来 困难，故使用上受到加工条件下产生较大弯曲、拉伸等变 形，二次大战后由前苏联科学家通过锌铝 合金拉伸试验提出超塑性的概念。
超塑性成形实例
Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象 （δ＝1950％），左为拉伸前的试样。
我国已成功开发应用了以铝合金、钛合金、 铜合金为代表的结构合金超塑性材料。 （1）、研究获得超塑性的途径； （2）、探索成型工艺规范； （3）、解决成型工艺关键
1.2、超塑性成形的基本特点 金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸率
而不产生缩颈与断裂现象，把延伸率能超过100% 的材料统称为“超塑性材料”，相应地把延伸率 超过100%的现象叫做“超塑性”。
但实际的变形程度要更大。也可用应变速率敏感性 指数m来定义超塑性。 宏观上，可用大变形、无缩颈、小应力、
易成形来描述超塑性特点。
（1）、大变形 金属材料的最高伸长率铝青铜可达8000﹪,
材料成型性能好，可成形复杂程度高、变形 量大的成型件。 （2）、无缩颈
超塑性成形类似于粘性物质的流动，对 应变速率较敏感，既有应变速率硬化效应。 （3）、小应力
超塑性成形的流动应力是常规成型的十 几到几十分之一，设备吨位小。 （4）、易成形
m:0.6, σ:2MPa,δ:1000~2000﹪, غ:1.6×10‾³s‾¹,t:200~300 ℃
超塑性
5.接触表面：即材料焊接表面要求清洁，应清除氧化物， 可以填充抗氧化剂。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
谢谢！
School of Materials Science and Engineering / WHUT
超塑性的应用
超塑性焊接所需控制的工艺条件：
1.加热温度：根据相变点而定，上限一般超过相变点50— 100oC，下限超过A1即可。 2.加热速度：为防止在加热过程中发生蠕变变形，应尽量 采用快速加热，一般为50—100oC/s。 3.循环周期：一般为4—5次。 4.施加压力：很小，（1/10~1/30）бb。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
超塑性的力学特征
在超塑性材料中，流动应力特别 敏感于应变速率。如图所示，用对 数坐标表示的流动应力与应变速率 的关系曲线呈“S”形。
K m
应变速度敏感性系数：
m d ln d ln
School of Materials Science and Engineering / WHUT
超塑性的机理
三、晶界位错滑移协调模型
一个晶粒可以分成心部(晶内)和壳 层(晶界附近)两部分。两个区域的 大小不是固定不变的，不同的变形 条件下具有不同的相对大小。 ●晶界滑动靠晶界位错的运动来实现。 晶界位错的运动在三叉晶界受阻而 塞积起来，在塞积应力作用下晶界 位错分解成晶格位错，然后在相邻 晶界壳层(mantle)中滑移和攀移并 最终与反号位错相遇而湮没或重新 结合成晶界位错。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
超塑性成形的原理及应用
超塑性成形的原理及应用1. 超塑性成形的定义超塑性成形是一种金属加工方法，通过在高温下施加压力使金属材料具有超塑性，从而实现复杂形状的制造。
2. 超塑性成形的原理超塑性成形的原理主要涉及金属材料的微观结构和形变机制。
2.1 微观结构超塑性材料具有特殊的微观结构，通常是由细小的晶粒和高温下的晶界扩散组成。
这种微观结构使得金属材料在高温下容易发生塑性变形。
2.2 形变机制超塑性成形主要通过两种形变机制实现：•滑移机制：材料的晶粒沿着晶界滑移，形成细长的晶粒。
这种滑移机制使得材料在高温下能够发生较大的塑性变形。
•胀裂机制：在高温下，材料变形时会在晶界产生小裂纹，然后通过扩散修复这些裂纹，完成塑性变形。
3. 超塑性成形的应用超塑性成形在许多工业领域都有广泛的应用，下面列举其中几个典型的应用。
3.1 航空航天工业超塑性成形在航空航天工业中被广泛应用于制造复杂形状的航空零部件，如发动机叶片、导向器等。
超塑性成形技术能够实现复杂曲率的制造，提高零部件的性能和寿命。
3.2 汽车工业超塑性成形在汽车工业中被应用于制造汽车外壳和车身构件。
由于超塑性成形能够实现复杂曲面的成形，可以有效减少焊接接头和减轻车身重量，从而提高汽车的燃油效率和安全性能。
3.3 石油化工工业超塑性成形在石油化工工业中常用于制造反应器、换热器和塔器等设备。
超塑性成形技术能够制造出更大尺寸的设备，降低焊接接头的数量和风险，提高设备的可靠性和安全性。
3.4 电子工业超塑性成形在电子工业中被应用于制造微型零部件，如手机外壳、导电网格等。
超塑性成形技术能够制造出更细小、复杂的零部件，满足电子产品越来越小型化、轻量化和高性能化的需求。
4. 超塑性成形的优点和挑战超塑性成形具有以下优点： - 可以制造出复杂形状的零部件，减少后续加工工序； - 可以提高材料的力学性能和耐腐蚀性能； - 可以减少材料的残余应力。
然而，超塑性成形也面临一些挑战： - 高温下的材料处理复杂，需要精确控制温度和应力； - 高温下的工艺条件对设备要求较高； - 需要选择合适的超塑性材料。
对超塑性成型的认识
对超塑性成型的认识一.超塑性的简介及发展历史超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件啊（如晶粒尺寸及形状、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(如大的延伸率)的现象。
超塑性的特点有大延伸率，无缩颈（小缩颈），小应力，易成形。
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。
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。
金属材料的超塑性成形技术研究
金属材料的超塑性成形技术研究随着社会工业化的发展，金属材料的应用领域越来越广泛。
从摩托车的外壳到飞机的机体，从机床的主轴到电子设备的散热片，金属材料都扮演着至关重要的角色。
然而在应用的同时，也需要考虑到材料的可塑性。
而在金属材料的可塑性中，超塑性成形技术无疑是一项极为重要的技术。
在此文章中，我们将会重点介绍超塑性成形技术的相关知识及其研究进展。
一、被动式超塑性成形技术被动式超塑性成形技术是指通过改变几何形状来利用超塑性。
在此过程中，金属材料并没有经过特殊处理。
被动式超塑性成形技术中，最常见的方法是利用均匀伸长薄板（U-shaped）和滚筒拉杆（DRX）。
1. 均匀伸长薄板（U-shaped）在均匀伸长薄板（U-shaped）过程中，通过几何上的拉伸和膨胀，将名称中心的料方向变为冲压中心方向。
一般来说，超塑性变形需要逐渐进行，以便材料的形变可以逐渐适应变形条件。
通过使用均匀伸长薄板（U-shaped），可以实现沿着一个方向加深材料，使其在形状变化过程中逐渐的接受力的影响，从而达到减小破坏的概率并增加变形的效率。
2. 滚筒拉杆（DRX）滚筒拉杆（DRX）是一种加强变形和减轻现场设备的超塑性成形技术。
它利用滚子存储变形能量，然后变形工件与滚子之间的摩擦力，通过滚子将变形能量传递到金属材料中。
它的优点是可以加速金属材料的流变微观结构的生长，从而获得更为均匀的超塑性成型结果。
这种技术在工业中的应用有所提高。
二、主动式超塑性成形技术与被动式超塑性成形技术不同，主动式超塑性成形技术需要通过在材料中注入气体或者激光、电子束来达到一定的形变效果。
在此过程中，金属材料经过特殊的处理以便让其达到超塑性状态，从而可将其塑成需要的形状。
主动式超塑性成形技术可以分为两种类型：“气体超塑性成形”和“激光、电子束超塑性成形”。
1. 气体超塑性成形气体超塑性成形是利用气体将金属材料加热至其T220-T260范围内，并在此状态下进行变形。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料超塑性及应用
课程编号：
课程名称：材料超塑性及应用
英文名称：Superplasticty and its Application for Materials
学分：2
先修课程基础：《晶体结构与缺陷》，《工程力学》与《材料力学》二者之一。
教材：自编
一、课程简介
本课程的目的在于使学生对于材料超塑性的力学、微观机理、应用等方面具有比较深入的理解，初步掌握超塑性的研究路线及方法。
对超塑性力学行为与显微组织及其变化的关系的物理本质具有比较清晰的认识，对超塑性的发展及其应用领域具有比较明确的分析，对超塑性的试验研究手段具有一定的了解，对于超塑性的应用及超塑性成形工艺具有一定的初步知识。
通过本课程的学习，使研究生对超塑性实验、理论、应用，及其与常规塑性变形的关系具有比较明确的认识，为其在今后研究和工作中的应用打下基础。
二、基本要求
基础知识：超塑性力学特征，材料超塑性宏观行为与微观结构的关系，几种典型超塑性材料及其成形应用。
实验及技能：超塑性力学性能实验应力、应变、应变速率、ｍ植等的热力模拟试验，数据分析、实验报告；超塑性材料显微组织及其在超塑性变形
中的变化。
三、内容概要
第一章材料超塑性概述（２学时）
１.１、超塑性研究及应用的历史
１.２、超塑性的分类
１.３、对超塑性变形机理的认识和争论
１.４、几位对超塑性学术发展具有重要影响人物研究工作介绍
第二章超塑性力学特征（４学时）
２.１、超塑性本构关系
２.２、超塑性应力—应变关系、应力—应变速率关系
２.２、超塑性力学实验方法
第三章超塑性变形微观机理（６学时）
３.１、常规塑性变形、蠕变、绝热剪切等变形的微观机理
３.２、对超塑性变形微观机理的认识及争论
第四章几种材料超塑性（５学时）
４.１、低熔点合金超塑性
４.２、锌铝合金超塑性
４.３、钛合金超塑性
４.４、黑色金属、高温合金等材料的超塑性
４.５、先进材料（金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷等）的超塑性第五章几种超塑性成形的典型方法及典型零件（３学时）
５.１、超塑性气压成形方法及典型零件
５.２、超塑性体积成形方法及典型零件
５.３、超塑性成形／扩散连接复合工艺
四、实验（３学时）
利用Gleeble1500热力模拟实验机测定材料的ｍ值；
观察超塑性变形前后材料的显微组织变化
五、参考书
１、刘勤，金属超塑性，上海，上海交通大学出版社，１９８９
２、O.A.Kaibyshev, Superplasticity of Alloys, Intermetallides and Ceramics, Berlin, Spring-Verlag Heidelberg New York, 1992。