金属材料的超塑性
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。
13.5金属的超塑性
金属超塑性: 是指在一些特定条件下,如一定的化学成分, 特定的显微组织,特定的变形温度和应变速率等, 金属会表现出异乎寻常的高塑性状态,即所谓超 常的塑性变形行为,具有均匀变形能力,其伸长 率可以达到百分之几百,甚至几千,这就是金属 的超塑性.
一,超塑性变形的特点 1,大伸长率
(二)对力学性能的影响
(1)超塑性变形后合金仍保持均匀细小的等轴晶组织,不 存在织构,所以不产生各向异性,且具有较高的抗应力腐蚀 能力. (2)超塑性成形时,由于变形温度稳定,变形速度缓慢, 所以零件内部不存在弹性畸变能,变形后没有残余应力. (3)对某些超塑性合金,存在加工软化现象,即硬度随压 缩率的增加而降低. (4)高铬高镍不锈钢经超塑性变形后,形成细微的双相混 合组织,具有很高的抗疲劳强度.
3,对应变速率的敏感性,易成形
超塑性变形对应变速率很敏感,只有在一定的速度范围内才表现出超塑性. 超塑性变形过程中基本上没有或者只发生很小的应变硬化现象,流动性和 充填性极好,因而极易成形. 由于超塑性成形是宏观均匀变形,所以变形后的制品表面光滑,没有起皱, 微裂和滑移痕迹等现象. 在金相组织上,当原始材料是等轴细晶组织时,变形后几乎仍是等轴细晶 组织,看不到晶粒被拉长. 从变形机制上,超塑性变形的晶界行为起了主要作用,如晶粒转动,晶界 滑动,晶粒换位等,与一般的滑移,孪晶等塑性变形行为是有明显区别的.
三,超塑性变形对组织的变化和对力学性能的 影响
(一)对合金组织的变化
1.晶粒的变化 晶粒长大时,等轴度基本不变. 晶粒长大与变形程度,应变速率和变形温度有密切关系.
图13-32 250℃拉伸时,应变速率对Zn-Al 淬火合金晶粒尺寸的影响1—δ=100%,2—δ=200%,3—δ=600%
金属材料的超塑性行为分析
金属材料的超塑性行为分析金属材料是一种重要的工程材料，广泛应用于制造业。
在某些条件下，金属材料表现出了超塑性行为，即在高温和大应变速率下具有显著的塑性变形能力。
超塑性行为不仅使金属材料能够制备出高精度的零部件，还能提高材料的工艺性能和延展性。
本文将对金属材料的超塑性行为进行分析和探讨。
一、超塑性的定义和特征超塑性是指某些材料在高温和高应变速率下能够实现显著的塑性变形。
与常规塑性变形不同，超塑性变形是在材料达到高应力状态下才开始发生的。
其特征包括晶粒滑移、晶界滑动和晶粒形变。
超塑性材料通常具有细小的晶粒尺寸和特殊的晶界结构，这使得它们能够实现高应变速率下的变形。
二、超塑性行为的机理超塑性行为的机理主要包括晶界滑移和晶界扩散。
晶界滑移是超塑性行为的重要因素之一。
在高温下，晶界处的位错运动能够促进材料的塑性变形。
此外，晶界扩散也是实现超塑性的关键因素。
高温下的晶界扩散能够提供塑性形变所需的能量，从而使材料变得更加柔软和延展。
三、超塑性行为的影响因素超塑性行为受多种因素的影响，包括温度、应变速率、晶粒尺寸和合金成分等。
通常情况下，超塑性材料需要在高温下进行加工。
随着温度的升高，金属材料的塑性增加，更容易发生超塑性变形。
而应变速率的增大也会促进超塑性行为的发生，但过大的应变速率可能导致材料的破坏。
此外，具有细小晶粒尺寸的材料更容易发生超塑性变形，并且合金成分对超塑性行为也有较大的影响。
四、超塑性行为的应用超塑性材料因其优异的塑性变形能力，在航空航天、汽车制造和电子设备等行业得到了广泛的应用。
在航空航天领域，超塑性材料制备的零部件具有更高的精度和可靠性，能够提高飞机的性能和安全性。
在汽车制造领域，超塑性材料的应用能够减轻车身质量，提高燃油效率和环保性。
在电子设备领域，超塑性材料具有良好的导电性和热导性，能够满足高性能电子产品的需求。
总结通过对金属材料的超塑性行为进行分析，我们了解到超塑性是一种重要的材料塑性变形方式，拥有广泛的应用前景。
金属的超塑性变形PPT课件
目 录
• 引言 • 金属的超塑性变形概述 • 金属的超塑性变形机理 • 超塑性变形工艺 • 超塑性变形的影响因素 • 超塑性变形的应用实例 • 未来展望与研究方向
引言
01
主题简介
金属的超塑性变形是一种特殊的 材料行为，指金属在特定条件下
展现出极高的塑性变形能力。
这种能力使得金属在变形过程中 不会引发断裂或过多的能量耗散。
超塑性变形在金属加工、制造和 材料科学等领域具有广泛的应用
前景。
目的和意义
了解超塑性变形的原理和机制，有助于更好地应用这种材料行为，优化金属制品的 性能。
研究超塑性变形有助于推动材料科学的发展，为新材料的研发和应用提供理论支持。
通过深入探讨超塑性变形的机理，可以揭示金属材料的内在特性，为金属加工和制 造提供新的思路和方法。
织结构和性能。
应用
广泛应用于钛合金、铝合金、镁 合金等轻质合金的加工和性能优
化。
超塑性变形的影响因
05
素
材料成分与组织
材料成分
超塑性变形的性能与金属材料的成分密切相关。例如，某些合金元素可以提高超 塑性变形的稳定性和延伸率。
组织结构
材料的微观组织结构对超塑性变形行为具有显著影响。细晶、孪晶、相变等结构 特征可以增强超塑性变形能力。
应力状态的影响
超塑性变形通常在较低的应力状态下进行，这有助于材料在变形过程中保持较 好的延展性。
温度的影响
超塑性变形的温度范围通常较高，这有助于原子扩散和晶界滑移等过程，从而 促进材料的塑性变形。
超塑性变形工艺
04
热超塑性变形
定义
热超塑性变形是一种在高温下进行的塑性变形过程，金属 在特定的温度范围内表现出良好的延展性和低流变应力， 从而能够实现大塑性变形而不破裂。
金属超塑性及应用
金属超塑性及应用金属超塑性是指金属在高温条件下具有极高的塑性，能够在较小的应变下发生较大的变形。
这是由于金属在高温下形成的晶界滑移机制、晶界扩散和晶体再结晶等因素的协同作用。
金属超塑性不仅体现为金属材料的加工性能，也被广泛应用于工业制造和材料科学研究中。
金属超塑性的应用可以分为两个方面，一是制造领域中的改性成形技术，包括超塑性成形和热挤压成形；二是材料科学研究中的超塑性研究，探索金属材料的超塑性机制和条件。
在金属超塑性成形方面，最典型的应用是超塑性成形。
超塑性成形技术是一种基于金属超塑性原理的成形方法，通过控制高温和应力条件，使金属材料能够在较小的应变速率下实现较大的变形。
这项技术可以精确地控制金属的形状和尺寸，制造出高精度、复杂形状的零件。
超塑性成形主要有两种方法，一种是拉伸超塑性，另一种是气压超塑性。
拉伸超塑性是将金属材料加热到其熔点以上，然后通过外力使其发生形变。
气压超塑性则是在金属材料上加压气体，使其产生变形。
这两种方法应用广泛，能够制造出各种金属材料的零件，如航空发动机叶片、涡轮叶片等高要求的零件。
另一个金属超塑性的应用是热挤压成形。
热挤压成形是将金属块加热到其塑性温度，然后通过挤压使其变形成所需形状的零件。
这种方法广泛应用于制造高强度、耐高温的材料，如航空航天领域的发动机和推进器件。
除了在制造领域中的应用，金属超塑性也被广泛应用于材料科学研究。
科学家们通过研究金属超塑性机制和条件，可以探索新的金属材料及其合金，在材料设计和加工过程中提供重要参考。
通过改变金属材料的晶粒结构、控制晶界滑移等因素，可以提高金属材料的超塑性。
总之，金属超塑性是一项重要的材料工程技术，在高温条件下能够实现金属材料的高度塑性和精密成形。
通过超塑性成形和热挤压成形等技术，可以制造出各种复杂形状和高要求的零件。
同时，金属超塑性的研究也为材料科学提供了重要的理论基础和实验依据，促进了材料科学的发展。
金属材料成型_3.6超塑性成型
5）超塑性无模拉拔成形
利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工 的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载 荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化 的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。
TWO
2
超塑性成型工艺特点
1)金属塑性大为提高,过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形 的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。
图3-36 飞机上采用的部分SPF、SPF/DB构件
FOUR
4
超塑性成型重点企业
Luxfer 的集团公司 Superform USA 及其附属公司 Superform Aluminium 是全球最大的铝、镁和钛超塑成型零件供 应商，主要为航空航天、汽车、卡车、铁路、医疗系统和建筑行 业提供零件。Airstair 是一种内置于小型飞机门内的四级楼梯，需 要制造有23 个焊接部件的铝组件。但 Superform USA 使用 PA M - S TA M P 对 该 组 件 进 行 了 整 体 设 计 ， 实 现 了 更 轻 量 、 刚 性 和 低成本的解决方案。
图3-35 径向辅助压力拉深原理示意
4）超塑性挤压成形
将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒 温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工 艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形， 故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形， 省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。
近年来，我国新机研制及改进机型中，前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和 腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对型号对金属防热结构的 需求，航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究，成功 制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。
2-4 金属的超塑性变形
常用于超塑性成形的材料
金属塑性成形原理
金属塑性成形原理
（二）超塑性的分类
按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等）可将超塑性分为： 细晶超塑性（恒温超塑性或结构超塑性）。 相变超塑性（动态超塑性）。
1.细晶超塑性
细晶超塑性是在一定的恒温条件下，应变速率和晶粒度都满足要求的条 件下所呈现出的超塑性。
Bi-Sn挤压材料在慢速拉伸下可获得 很大的延伸率（δ＝1950%）
金属塑性成形原理
金属塑性成形原理
金属超塑性的特点： 大延伸率:单向拉伸时δ值非常高，材料成形性能得到大大改善，使形状复杂或难以成
形的材料变得容易成形。 无缩颈、流动应力小：超塑性变形时断面均匀缩小，断面收缩率可接近100%，几乎 无缩颈发生。并且具有非常低的流动应力，对设备吨位的要求很低。 易成形：超塑性变形过程中基本上没有或者只发生很小的应变硬化现象，流动性和充 填性极好，因而极易成形。 变形后晶粒仍为等轴晶粒：当原始材料是等轴细晶组织时，变形后几乎仍是等轴细晶 组织，看不到晶粒被拉长。 对应变速率很敏感：只有在一定的速度范围内才表现出超塑性。 制品表面光滑：由于超塑性成形是宏观均匀变形，所以变形后的制品表面光滑，没有 起皱、微裂和滑移痕迹等现象。 晶界滑移、移动及晶粒回转：从变形机制上，超塑性变形的晶界行为起了主要作用， 如晶粒转动、晶界滑动、晶粒换位等，与一般的滑移、孪晶等塑性变形行为是有明显区 别的，但并不产生脆性的晶界断裂。
部（环境）条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力 和异常高的流变性能（如超大的延伸率）的现象称为超塑性。
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”。
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。
材料的超塑性及其变形机理
材料的超塑性及其变形机理专业：材料工程学号：2012177姓名：孙宇材料的超塑性及其变形机理1.材料超塑性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1928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。
超塑性材料是指：具有相对细小的晶粒（20微米-30纳米）的金属、陶瓷等，其晶粒分布可以是均匀或不均匀的，且晶粒或相的形状、尺寸或取向具有各向异性或各相同性。
2.超塑性及其宏观变形特征通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材颈与断裂现象。
当伸长率≥料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数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。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
金属超塑性成形技术研究
金属超塑性成形技术研究随着制造业的不断发展，超塑性成形技术在金属制造领域中得到了广泛的应用。
金属超塑性成形技术是在高温和高应变率的条件下，通过应力调控和变形调控使得金属发生塑性变形，从而实现特定形状的成形技术。
金属超塑性成形技术的发展可以极大地提高金属制品的利用率和生产效率，同时也可以改善产品质量，增强产品的功能性。
1. 超塑性成形原理金属超塑性成形技术是基于金属在高温下获得超塑性这一特性而发展起来的。
超塑性是指材料在一定的条件下，能够产生远大于塑性极限的塑性变形，其形变度可以高达1000%以上。
这一特性在高温和小应变率的条件下被大量应用于金属成形技术中。
在塑性变形时，金属中的原子由于热运动而导致材料的形变发生。
在超塑性变形中，原子的形变是由于滑动和扩散的过程导致的。
通过应力或应变的调控，可以使得金属材料在高温下产生超塑性变形，从而实现特定形状的成形。
2. 超塑性成形应用金属超塑性成形技术可以应用于制造各种形状的金属制品。
比如，可以通过冷挤压成形生产车轮和螺母等金属制品。
在高度发展的汽车行业中，利用超塑性成形技术制造轻量、高强度的车身零部件已经成为一种发展趋势。
此外，超塑性成形技术还应用于制造航空和航天行业的制品，如飞机外壳、燃烧室及支架等。
金属超塑性成形技术可以在很大程度上提高生产效率和产品质量。
在制造金属制品时，应用超塑性成形技术可以使得材料的利用率提高，一定程度上减少了废品率，降低了制造成本。
同时，超塑性成形技术还可以改善产品的力学性能，提高其功能和耐久性。
3. 超塑性成形方法在金属超塑性成形过程中，最常见且广泛的方法是热拉伸成形。
在此方法中，材料通过加热变得软化，然后进行拉伸，这个过程通常会在1000℃以上的温度下进行，以确保金属发生超塑性变形。
除此之外，还有一些特殊的超塑性成形方法，如超塑性折弯和超塑性成形力的方法。
超塑性折弯是指通过应力和形状控制来实现金属材料的成形。
超塑性成形力则是在制造金属制品时，通过加压和变形来实现金属材料的高度变形塑性。
金属超塑性成形
第一章绪论1.1钛及钛合金英国矿物学家和化学家William Mcgregor在1791年发现了钛元素，他分析了钛铁矿（FeOTiO2），并利用磁铁除去了矿砂中的铁，再用盐酸处理剩余物，得到了不太纯的钛氧化物。
但是由于钛与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下发生反应，从而使金属钛的提取工艺非常复杂和困难。
因此经历了一百多年的摸索和努力，最终卢森堡化学家Wihelm Justin和Ca制取了大量的钛。
后来发明了生产金属钛的钠热Kroll于1932年用TiCl4法、碘化法等方法。
钛合金的突出特点，在于它的高比强度及优良的耐腐蚀性，同时又具有良好的耐热性和低温性能，因而实用性强，应用面广。
只要选材得当，不仅能够大大提高装备的工作效能，同时也可以带来明显的经经济效益。
在耐腐蚀性方面，钛合金在氧化性及中性介质中极为稳定，在海水中的腐蚀速率远远低于不锈钢，可与白金媲美，故适于在航空、航天、石油、化工、电力、冶金、农药、造纸、造船、食品及医疗卫生等部门应用。
1.1.1钛合金分类和组织特点钛合金一般按退火组织分为α型，β型及α+β型三大类。
国产钛合金牌号分别用 TA、TB、TC作为字头，其后标明合金序号，如 TA7，表示第七号钛合金。
α型钛合金（包括纯钛）在常温下不能保留高温的体心立方β相，因此应全部为单相α组织。
但根据热加工和热处理的差异，α相有几种形态：塑性变形后经过完全再结晶退火，α相呈等轴状，但由于杂质元素对β相稳定作用，α基体上可能出现少量（2～3%）的粒状β相；若α相呈片状，且呈规则排列，这种形态称为魏氏组织；如在β相区加热后水淬，将发生马氏体转变，此时α相呈针状或锯齿形；当α型钛合金含有过量氢时，则会出现针状氢化钛。
α+β型钛合金的组织特点：在平衡状态下，合金由α+β两相组成，两相比例取决于合金成分，特别是β稳定化元素的含量。
国产α+β型钛合金中的β相含量大约在 5～20%范围内。
金属材料的超塑性研究课件
图1. 挤压Bi---Sn共晶合金试棒拉伸到 1950%时的情况。图中右边是尚未拉伸的试棒。
金属超塑性的概念
“超塑性”作为一种现象并不像“超导”那样具有明确或确定的物理意义，各种材料的 超塑性变形机理可能不完全一样，有时更是完全不一样。判断超塑性的标准也没有确切的 定义。有的以拉伸试验的伸长率来定义；有的以应变速率敏感性指数m来定义；还有的以 抗缩颈能力来定义。
图5. 晶粒度对超塑性流动曲线的影响
另外，晶粒的形状对m值的影响也很大，片状的共晶和共析组织就不显示 超塑性，m值很小。
超塑性变形机理
金属超塑性具有无缩颈的巨大延伸率的特点，非一般的塑性变形机理所能解 释。随着超塑性合金的发现，引起了许多学者的兴趣，并作了大量研究工作，提 出了各种各样的假说和理论。基本上有：“溶解--沉淀理论”、“亚稳态理论”、 “晶界的滑移”、“晶界的移动”、“晶体的回转”、“扩散蠕变”、“位错的 上升和运动”、变形中再结晶以及晶界非物质移动等。 目前由阿希贝（Ashby）和弗拉尔（Verrall）提出的晶界滑动和扩散蠕变联 合机理（简称A--V机理）被认为能较好地解释超塑性变形过程，该理论认为，在 晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起协调作用的不是晶内位错的运动， 而是原子的扩散迁移。
图3
超塑性材料的拉伸：
超塑性材料进行拉伸变形时，其情况恰好相反： 第一，一般不出现加工硬化现象，并在超塑性变形后也无晶粒破碎、拉长以及亚结构、 位错增加等现象，所以（1-1） 、 （1-2）式中的 n=0 时， = K。应力将在这种应力极限值的 作用下发生超塑性流动，此时 log - log 的关系如图 3 中虚线所示，应力与应变之间不 再存在依赖关系，处于这种状态的材料是理想的塑性材料。 第二，一般试样不出现细颈，在整个拉伸过程中，试样的变形都是均匀而稳定的。
材料的超塑性及其变形机理
材料的超塑性及其变形机理专业：材料工程学号：2012177姓名：孙宇材料的超塑性及其变形机理1.材料超塑性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1928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。
超塑性材料是指：具有相对细小的晶粒（20微米-30纳米）的金属、陶瓷等，其晶粒分布可以是均匀或不均匀的，且晶粒或相的形状、尺寸或取向具有各向异性或各相同性。
2.超塑性及其宏观变形特征通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材颈与断裂现象。
当伸长率≥料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数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。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
金属材料的超塑性变形与加工
金属材料的超塑性变形与加工随着科技的不断进步，各个领域的技术不断更新，超塑性加工技术也日渐成熟。
超塑性加工技术是指在高温高应变速下，金属材料在不断延展滑动的条件下，形状发生变化的加工技术。
这种技术具有很高的应用价值和前景。
因此，超塑性变形加工技术得到了广泛的研究和应用。
一、金属材料超塑性变形的原因超塑性变形的成因主要有两种：一种是位错穿过晶界，另一种是晶界滑动引起。
不论是哪种原因，超塑性变形都是发生在晶内，晶界和多孔区域的塑性变形相对较小。
超塑性变形是因为金属结晶体的两个晶界之间的相对位移被强化所引起的。
相对位移是通过位错密度的增加或位错的单向移动来实现的。
二、金属材料超塑性变形的特点超塑性变形具有以下特点：1. 材料可塑性大：材料在高温下具有很强的塑性，异方性和轻微的杂质是影响超塑性的重要因素。
2. 形变速率低：通常，超塑性的形变速率很低，为10^-4-10^-10/s。
因此，金属在超塑性变形过程中几乎没有损失，从而保证了零件的质量。
3. 形变率大：在超塑性变形时，材料的形变率可以大于1，这可以有效降低工件的应力和容易形成大曲率。
4. 可以分段成型：材料可以分段成型，形状复杂的零件也可以制造。
总之，由于超塑性变形与传统冷态变形不同，该技术可以制造很多传统工艺无法制造的零件。
因此，超塑性变形加工技术越来越受到重视。
三、超塑性变形加工技术的方法超塑性变形微观机制的研究以及利用超塑性变形来加工高性能零件的需求使得超塑性变形加工技术不断发展。
1. 等温拉伸法：与传统拉伸工艺不同，等温拉伸工艺会在高温下进行拉伸。
这样可以有效地降低材料的应力和提高材料的塑性。
该工艺常用于生产高要求的零件，如飞机机翼等。
2. 自由氧气加工法：自由氧气加工法是一种非常有效的超塑性变形加工技术，它可以生产出一些形状复杂的零件，如各种管道、异型薄壁壳体等，特别是大钢板的加工。
3. 液态拉伸法：在铝镁合金材料等超塑性金属材料中，液态拉伸法被广泛应用。
第2[1].3章 金属超塑性变形分析解析
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第三节 金属的超塑性变形
对力学性能的影响主要表现为：
（1）超塑性变形后合金仍保持均匀细小的等轴晶组织，不存 在织构，所以不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀 能力。 （2）超塑性成形时，由于变形温度稳定、变形速度缓慢，所 以零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力。 （3）对某些超塑性合金，存在加工软化现象，即硬度随压缩 率的增加而降低。 （4）高铬高镍不锈钢经超塑性变形后，形成细微的双相混合 组织，具有很高的抗疲劳强度。
第三节 金属的超塑性变形
晶界滑动和扩散蠕变联合机理（A-V机理）示意图
a.四个六边 形等轴晶粒 在应力作用 下，发生晶 粒滑动 c.四个晶粒发 生转动，形 成新的组态， 仍保持等轴 晶粒 晶粒转换机制的二维表示法
b在应力作用 下，发生晶粒 滑动，同时依 靠晶界扩散， 保持联结
d、e.伴随定向扩散的晶界滑动机制，虚线箭头代表体扩散方向
有人把上述的第二类及第三类超塑性统称为动态超 塑性，或环境超塑性。
第三节 金属的超塑性变形
二、超塑性变形机理
目前有这样几种解释： ①晶界滑移的作用；
超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因此晶界运动在超塑性 变形中起着极其重要的作用。晶界运动分为滑动和移动两种，前者为 晶粒沿晶界的滑移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。 在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多晶界滑动的理论模型。
金属塑性成形原理
第二章 金属塑性变形的物理基础
第三节 金属的超塑性变形
主讲：刘华 华侨大学模具技术研究中心
第三节 金属的超塑性变形
一、超塑性概念及种类
概念：在一定条件下进行热变形，材料可得到特别大的 均匀塑性变形，而不发生缩颈，延伸率可达 500~2000%，材料的这种特性称为超塑性 特点： 大伸长率 无缩颈 低流动应力 对应变速率敏感 无加工硬化 易成形
超塑性金属
超塑性金属拉面，很多人都吃过。
一小块面团，随着厨师们双手的甩动，由一根到两根，由十根变成二十根，由小指粗到头发丝细，一气合成，中间不断，真是技术高超。
而细心的科学家们却想，如果有一种金属也能像拉面一样由粗到细，却中间不断裂，那么金属的应用又将会有一个新的空间。
塑性是金属自身具有的一种物理属性。
所谓塑性，是指当材料或物体受到外力作用时，所发生显著的变形而不立即断裂的性质。
塑性的大小，标志着材料变形能力的好坏。
对于同种材料来说，塑性愈高表示材料的杂质愈少，纯度愈高，使用起来也就愈平安。
同时，塑性好的材料，在加工过程中容易成形，可以制造出形状复杂的零件。
这种具有象拉面般柔软的金属叫做超塑性合金。
这种合金在一定的温度下，以适当的速度拉伸，其拉伸长度可以是原来长度的几倍，甚至十几倍，目前已有近百种金属具有这种超塑性能。
那么超塑性合金为什么会比一般的金属或合金的塑性好呢？这让我们先看一看它在结构上与普通金属到底有何不同。
普通金属在电子显微镜下的结构图，图中块状的物质我们称之为晶粒，它是在金属形成过程中，由金属原子组成的。
我们注意到这些晶粒体积庞大，形状千差万别，而且排列极不规那么。
同倍数放大镜下超塑性合金的结构图，超塑性合金的晶粒形状规那么精细，晶粒与晶粒之间的排列整齐有序。
这好比小孩子玩滑沙的游戏，当地面上沙层的沙粒越细，磨擦就越小，我们也就越容易在上面滑动；如果沙粒越大，磨擦力越大，滑动起来自然就非常困难了。
因此金属的晶粒越细，越整齐，它的塑性也就越好，同时也就越容易被拉伸。
我们再做一个试验，看看金属是如何被拉断的。
首先我们将铝棒固定在拉伸试验机上，然后施加拉力，一分钟后，铝棒中的某一部位迅速变细，我们看到此处的拉伸速度明显比其他位置的拉伸速度快，结果铝棒在变细的部位被拉断。
这个由粗变细，拉断的部位像脖颈一样的过程，科学上把它称为颈缩。
通过这个试验，我们了解到，一般金属变形能力很差的原因是宏观均匀变形能力差，容易早期出现颈缩，并由于颈缩导致了早期的断裂。
第八章超塑性合金
结束
超塑加工具的实用价值
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，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。
相变超塑性在热处理方面的应用 相变超塑性在热处理领域可以得到多方面 的应用，例如钢材的形变热处理、渗碳、渗氮、 渗金属等方面都可以应用相变超塑性的原理来 增加处理效应。相变超塑性还可以有效的细化 晶粒，改善材料品质。
相变超塑性在焊接方面的应用
无论是恒温超塑性和相变超塑性都可以利用其流动特性及 高扩散能力进行焊接。 将两块金属材料接触，利用相变超塑 性的原理，即施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完 全粘和，得到牢固的焊接，我们称之为相变超塑性焊接--TSW。 这种焊接由于加热温度低（在固相加热），没有一般熔化焊接 的热影响区，也没有高压焊接的大变形区，焊后可不经热处理 或其它辅助加工，即可应用。 相变超塑性焊接（TSW）所用的 材料，可以是钢材、铸铁、Al合金、Ti合金等。焊接对偶可以 是同种材料，也可以是异种材料。原则上具有相变点的金属或 合金都可以进行超塑性相变焊接。 非金属材料的多形体氧化 物，如有代表性的陶瓷，ZrO2，MgAl04/Al203，MgO/BeO， MgCr04等同素异形转变，共晶反应，固溶体反应的材料等都可 以发生相变超塑性，可以进行固相焊接。