第八章超塑性合金

(3)低应力。 (3)低应力。 低应力 超塑性材料变形过程中的流变抗力很低， 超塑性材料变形过程中的流变抗力很低， 只有非超塑性状态下的几分之一或十几分之一， 只有非超塑性状态下的几分之一或十几分之一， 甚至几十分之一。 甚至几十分之一。 (4)易成形。 (4)易成形。 易成形 超塑性变形过程中，基本没有或只有微弱 超塑性变形过程中， 的加工硬化现象。超塑性金属材料的流动性、 的加工硬化现象。超塑性金属材料的流动性、 填充性均极佳，易于进行多种形式的塑性成形， 填充性均极佳，易于进行多种形式的塑性成形， 例如，体积成形、板材和管材的气压成形、 例如，体积成形、板材和管材的气压成形、无 模拉丝、无模成形等等， 模拉丝、无模成形等等，这为金属塑性成形技 术开辟了一条新途径 。
在微观组织结构上， 在微观组织结构上，超塑性变形与一般塑性 变形也有很大差别。如从表象上看， 变形也有很大差别。如从表象上看，超塑性金 属变形后，试样表面平滑、无起皱、凹陷、 属变形后，试样表面平滑、无起皱、凹陷、微 裂及滑移痕迹等。金相组织上， 裂及滑移痕迹等。金相组织上，变形前的等轴 细晶粒超塑性变形后，仍然为等轴晶粒， 细晶粒超塑性变形后，仍然为等轴晶粒，看不 到晶粒被拉长。 到晶粒被拉长。变形前的柱状晶粒经超塑性变 形后变成等轴晶粒， 形后变成等轴晶粒，原来具有的带状组织也能 在变形后得到减弱甚至消失 。
60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、 60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、 年代以后 铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和 铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、 西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。 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， 别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合 普通的锻造和轧制等工艺很难成形， 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， 70年代 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。 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， 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 的铝、 合金均有10～15个牌号， 10 个牌号 的延伸率在200 2000％之间。 200～ 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％， ％，铝铜共晶合金为1150％，纯铝高达6000 1000％，铝铜共晶合金为1150％，纯铝高达6000％， 碳和不锈钢在150 800％之间，钛合金在之间，钛合金在450～1000 之间。 ％之间。
第八章 超塑性合金
出现背景 高强度材料可以满足一些耐受性要求较 高的部件制造，但加工难度相应也增大了。 高的部件制造，但加工难度相应也增大了。 长期以来， 长期以来，人们一直希望能够很容易地对高 强度材料进行塑性加工成型，成型以后， 强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又 能像钢铁一样坚固耐用。 能像钢铁一样坚固耐用。随着超塑性合金的 出现，这种想象成为了现实。 出现，这种想象成为了现实。
(2)无缩颈。 (2)无缩颈。 无缩颈 超塑性材料的无缩颈是指断口部位的断面 收缩率ψ 几乎可达100% 100%。 收缩率ψ 几乎可达100%。这说明缩颈部位存 在应变速率硬化效应， 在应变速率硬化效应，即缩颈部位由于应变速 率高而出现了强化， 率高而出现了强化，其余未强化的部位继续变 形，而使缩颈向外传播，因之可获得特别大的 而使缩颈向外传播， 宏观均匀变形。 宏观均匀变形。
超塑性压力加工方面的应用
超塑性压力加工，属于粘性和不完全粘性加工，对于形状 超塑性压力加工，属于粘性和不完全粘性加工， 复杂或变形量很大的零件， 都可以一次直接成形。 复杂或变形量很大的零件， 都可以一次直接成形。成形的方 式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、 式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、 无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好， 无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好，需要设 备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。 备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。相应 的困难是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、 的困难是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、 材料保护等都有一定的特殊要求。 材料保护等都有一定的特殊要求。
(2)动态超塑性。 (2)动态超塑性。 动态超塑性 这类超塑性不要求金属具有超细晶粒， 这类超塑性不要求金属具有超细晶粒，但 要求金属具有相变或同素异形转变； 要求金属具有相变或同素异形转变；在载荷作 用下， 用下，将金属在相变或同素异形转变温度附近 反复加热冷却，经过一定次数循环后，即可获 反复加热冷却，经过一定次数循环后， 得很高的延伸率， 得很高的延伸率，因此也称为相变超塑性或环 境超塑性。 境超塑性。
超塑性的应用
由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力， 由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力， 极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用， 极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加 热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。 工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。
超塑性的铅合金已经商品化， 超塑性的铅合金已经商品化，如英国的 100（ 6Cu—0.4Zr Supral 100（A—6Cu 0.4Zr）和加拿大的 6Cu 0.4Zr） Alcan 08050（AL—5Ca 5Zn）。铝板可在 08050（AL 5Ca—5Zn）。铝板可在 5Ca 5Zn）。 300～600℃时利用超塑性成型为复杂形状，所 300～600℃时利用超塑性成型为复杂形状， 时利用超塑性成型为复杂形状 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、 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。 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、 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， 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、 碳钢、 塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高 温合金等 。
结构超塑性的特点： 结构超塑性的特点： 结构超塑性的变形力学特点可归纳为大延 无缩颈、低应力和易成形。 伸、无缩颈、低应力和易成形。
(1)大延伸 (1)大延伸 超塑性金属的特点之一是宏观均匀变形能 力极好，抗局部变形能力极大，或者说对缩颈 力极好，抗局部变形能力极大， 的传播能力很强。 的传播能力很强。拉伸试验的断面收缩率接近 100%，延伸率可达百分之几百， 100%，延伸率可达百分之几百，甚至达百分之 二干。 二干。
实现超塑性的主要条件 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， 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 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， 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， 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。 近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。
在通常情况下，金属的延伸率不超过９０ 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 而超塑性材料的最大延伸率可高达１００ ％，而超塑性材料的最大延伸率可高达１００ ％～２ ０００％，个别的达到６０００ ％，个别的达到６０００％。 ０％～２ ０００％，个别的达到６０００％。 金属只有在特定条件下才显示出超塑性。 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。产生超塑性的合金， 超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细 晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。 晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。有些金属 受热达到某个温度区域时， 受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的 变化， 变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温 度范围上下波动，同时又对金属施力， 度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使 金属呈现相变超塑性。 金属呈现相变超塑性。
超塑性合金的定义
超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。 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。 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 10倍 20倍甚至上百倍 既不出现缩颈， 倍甚至上百倍， 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， 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： 1982年发现的 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（ 金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一 变得像软糖一样柔软，而应变速度10 10毫米秒时产 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。 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， 最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡 铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5 19.5倍 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， 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。 并没有引起人们的重视。
超塑加工具的实用价值
超塑加工具有很大的实用价值， 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， 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， 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、 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。 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， 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。 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， 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， 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， 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。 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， 缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分 钟。