材料加工原理

= aVDLσ / kTd ε
2
（7.2）
式 中， a 为晶粒 形 状常 数 (a=5-15) ； V 为 原 子 体 积 ； DL 为晶 格 内 扩 散 系数； k 为 波 耳兹曼 常数；T为温度；d为晶粒尺寸。
这种机理的特征是： 1) 流 动 应 力 和 应 变 速 率 呈 线 性 变 化 ， 即m等于1。 2) 应变速率与晶粒尺寸的平方成反比。 3) 变形过程的激活能是自扩散的。 4) 变形中晶粒拉长。 此 理 论 可以 解释 一 些 材料的 蠕 变变 形，但不能充分解释超塑性变形，如在蠕 变变形中，m值可为1，并且晶粒沿外力方 向 拉 长 ； 而在 超塑性 变 形中， m 值 一般不 大于0.8，变形后晶粒仍保持等轴状。
2．超塑性成形的种类
超塑性实际上是材料在特定条件下的一 种特殊状态。超塑性通常按变形特性和状态 分为三类，即微细晶粒超塑性(又称恒温超塑 性或第—类超塑性)、相变超塑性(又称变态超 塑性、转变超塑性或第二类超塑性)以及其他 超塑性(又称第三类超塑性)。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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7.1.3 超塑性变形机理
1. 溶解—沉淀理论 1945 年 ， 为 解释 超塑性 现象 ， 苏联 学 者 包 赤伐尔提 出所 谓 “ 溶解 — 沉淀 ” 理 论。 根据 这 种 理 论 ，超塑性 主 要 发生 在 两 相 合金中。 当 合金 中 一相在 另 一相 中的 极限溶解 度 随 温度变化 时， 由 于在变 形 过 程中可 能产生 局部 温度 波 动 ， 使 一 些 相 界 上 发生 溶解 过 程， 而在 另 一 些 相 界 上 发生 沉淀 过 程。 这 种特 定 的 物 质迁移 扩 散 过 程 引起 晶粒相 互移 动 ， 在 合 适 的高 温下 ， 变 形速 度 小则 产生 超塑性。 这一 理 论 对 于 大 量 晶间 滑移 、 晶粒转动 及 单 相 合金的超塑性 现象 还无法解释。
σ = Kε
m
应变速率敏感性指数m值是表征超塑性的一个重要 指标。其物理意义说明如下：在m值大的情况下。随 着 应 变 速率 增 大， 流动 应力 迅 速 增 大。 因此 ， 如 果 试样 某处 出现缩颈 的 趋势 ， 此 处 的应 变 速率 就增 大， 使此 处 继续 变 形 所 需 的 流动 应力 随 之 剧 增 ， 于 是变 形只 能 在其 余部 分 继续进行 。 如 果再 出现缩颈 趋势 ， 同 样 由 于缩颈 部位 应 变 速率 增 加而 局部强 化 ， 使 缩颈 传播 到 其他 部位 ， 从 而 可 获得 巨 大的 宏 观均匀变形。以上分析表明，m值反映金属和合金拉 伸时 抗 缩颈 的 能 力， 因 而是 评 定 金 属 和合金 是 否 能 呈 现 超塑性的 重 要 指标 。 根据 研究 结 果 ， 对 于普通 金 属 和合金， m=0.02-0.2 ；对 于 超塑性材料， 一般 m=0.3-0.8，某些情况下接近1。
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4．扩散流动机制--Ashby-Verral模型
Ashby 和 Verral 模 型 由 四 个 六 方 晶粒所组 成 ( 图 7.3) 。 这组晶粒在 垂直 方 向 拉伸应力 作 用 下 ， 通过晶 界 三 角 点 处 原 子 的扩 散 和 晶 界 的 滑 动 ， 使 这组晶粒 由 初始 状 态 ( 图 7.3(a))演 变成中间状态(图7.3(b))。
7.1.4 超塑性成形的应用
1. 微细晶粒超塑性成形 1) 开式模锻 与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但 需要增加与模具为—体的加热和保温装置。同 时，由于应变速率要求在较低范围内，不能采 用锤和热模锻压力机，只能用液压机。在成形 方面，具有充模好、变形力低、组织性能好、 变形道次少、弹复小的特点。用于铝、镁、钛 合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状 复杂零件的模锻。
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3）其他超塑性(短暂超塑性或 第三类超塑性)
非 超塑性材料 在一定条件下 ， 会 出现 短 时 间 的 细而稳定 的等 轴晶粒组织 ， 并 能 显示出超塑性。 在 消除 应力 退火 过 程中， 在 应力 作 用 下可以得到超塑性。 球墨铸铁 和 灰铸铁 经 特 殊 处 理 也 可以 得到超塑性。
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2) 闭式模锻 与 上 述 开 式 模 锻 比较 ， 在 模 具 结构 上 主 要 区 别 是 闭 式 模 锻 模 不 设飞 边 槽 。 因 而 ，锻造 时，模腔内的压力也就是静水压力，远高于开 式模锻。这样，模腔更容易充满，而且，锻件 无飞边，可基本上作到无屑加工，成形件的精 度也更高。这种模锻的脱模稍困难一些，它可 用于难成形材料形状复杂零件的成形，如钛合 金涡轮盘锻造。 3) 反挤压 超塑性 反 挤 压的成形精 度 高， 表 面 质 量 好。主要用于成形筒体、壳体件与锌基合金和 合金钢的模具型腔。与冷挤压相比，可大幅度 降低成形载荷。
7.1.2 微细晶粒超塑性的力学特性
金 属 试样超塑性拉伸试验时， 在 载 荷 达 到最 大 值 以 后 ， 随着 应 变 量 的 增 加 。 载 荷 缓 慢 下 降 。 在 拉伸 过 程中，金 属 的 流动 非 常稳 定 ，几 乎看 不 到 缩颈现象 。 流动 应力 与真 实 应 变 之 间 的 关系与 理 想弹 塑性体的 相类 似 。 流动 应力 与 应 变 速率之 间 的 关系 具有 牛顿粘 性体的特 征 ， 即流动 应力 随 应 变 速率的 增 加 而上 升 。 从 力学特性 上 讲 ，超塑性 最主 要 的 特性就是材料流动应力对应变速率的敏感 性。
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7.1 超塑性成形
7.1.1 超塑性成形的基本特点和种类 1．超塑性成形的基本特点 1）拉伸试验延伸率可达百分之几百，甚至百 分之几千。 2）拉伸试验时，试样均匀变形，在宏观上不 出现缩颈现象。 3）拉伸试验时，流动应力很低。 4）成形过程中基本上没有加工硬化现象，所 以超塑性合金的 流动 性和 填充 性 好 ， 容易 成 形。
4) 气压成形 金属在常温状态下的液压胀 形，由于受材 料塑性的 限 制， 较 难 用 于 成形 复 杂 的 壳 体 零 件。超塑性胀形工艺用气体作为加压介质，利 用超塑性材料低的流动应力和高达百分之数百 的伸长率及良好的复制性，可以成形钛合金、 铝合金、锌合金的形状复杂的壳体零件，已应 用于航空航天器制造业、机电工业、工艺美术 品加工业等许多领域。这种工艺通常只需要一 个凹模或凸模，与普通冲压成形相比可以减少 成形工序和工装套数。
5. 位错蠕变机制
Ball 和 Hutchison 提 出 以 位 错运 动 调节 晶 界 滑移的超塑性流变模型(图7.4)。假定两群晶粒 在沿晶界滑移过程中，遇到障碍晶粒，使滑移 被迫停止，同时在障碍晶粒内引起内应力以及 位错的产生和运动。其结果是，位错塞积在接 触的晶界上，当障碍晶粒内应力达到一定程度 时，塞积前端和位借沿晶界攀移而消失，使内 应力得到松弛，晶界滑移恢复。
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空 位 的 这 种 移 动 ， 引起 原 子向 相 反方 向 的 移 动 ， 其 结 果 是 ， 使 晶粒 沿 拉伸 轴 方 向 伸 长 ， 垂直 拉伸 轴 方 向 缩 短 。 在 应力 作 用 下 ，原 子 通过晶 格 按 箭头 方 向 扩 散 ， 晶粒 发生 变 形。 变形速率与应力的关系可由下式表示
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图 7.1a 为在 对数 坐 标 中 MgA1共晶合金的流动应力与应变 速率之间的关系曲线，呈S 形。曲线 可分为 I区， II区 和III 区。在I区内，流动应力随应变 速率 变化很 大，超塑性发生 在 此 应 变 速率 敏感 区 。 将 式 (7.1) 两边取对数后求导可得 m=d(1gσ)/d(1g)，因此，m值是 1gσ-1g曲线上各点的斜率。 图 7.1(b) 就 是 根据 Mg-A1 共 晶 合金的 S 曲线 求 得 的 m-1g 关系 曲线 。 从 图 可以 看 出 ， 在区 域 II 内 m≥0.3，所以这区域是超塑性变形区。
1）微细晶粒超塑性(恒温超塑性或 第—类超塑性)
微细晶粒超塑性具有三个条件： ① 材料 具有 等轴稳定的 细晶组织 (通常要求晶 粒尺寸在 0.5-5µm 之 间 ) 。 — 般而言 ． 晶粒越 细，越有利于出现超塑性。 ② 成形 温度 T≥0.5Tm(Tm 为 材料 熔点 的 热 力学 温度 )且 大 多低于普通热 锻温度， 并要求温度 恒定。 ③应变速率在10-4-10-2s-1的区间内。
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最后 ， 在 以 上 介绍的几种超塑性 变 形 机理的理论和模型的基础上，对超塑性变 形机理作一简要的归纳。 超塑性 变 形 主 要是一 种 晶 界行 为 ， 是 多 种 机 制 综 合 作 用的 结 果 。 如 果根据 S 曲 线(图7.1)来讨 论 问题， 那么 在最 佳应变速 率 范围 (II 区 ) 内 ， 变 形以 晶 界滑移 为 主； 随着 应 变 速率 降 低 到 I 区 ，扩 散 蠕 变 机 制 的作用增大；当应变速率增加到III区时， 位错蠕变机制的作用增大[79]。
2）相变超塑性(变态超塑性、转变超塑 性或第二类超塑性)
这类超塑性并不要求材料具有超细晶粒， 而是在一定 的 温度 和 负荷条件下 ， 经过多次 循环相变或同素异构转变获得的。 相变超塑性的第一个必要条件是材料具备 固态 结构 转变 能 力， 如某些 金 属 和合金 ； 第 二 个 必 要条件是 应力 作 用和 在相变温度区内 循环加热 和 冷却 ， 诱发反复 的 结构 变化而 产 生超塑性。
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2. 亚稳态理论
帕烈斯涅哥夫 等 认 为 ， “ 溶解 — 沉淀 ” 理 论 并不 能 解释 超塑性， 因 为有 些 合金中 两 相 的 极 限溶解 度并不 随 温度变化 ， 而且在恒温变 形 过 程中不可能有很大的局部温度波动。通过对ZnA1等合金超塑性的研究，提出超塑性与合金的 特 殊组织状 态 -- 亚 稳 态 组织有 关 。 认 为 金 属 超 塑性 变 形 是组织 从 亚 稳 态 转变 到 稳 态的 过 程， 把亚 稳 态 相 看作 一 种 物 质 的 新 态， 具有 无 定 型 的准液态粘性流动特性，变形时产生“准液态的 扩散塑性”。这一理论可以解释共晶和共折合金 的超塑性、 冷 加 工 后 再 结 晶或有 序 到 无序 转变 引起 的超塑性。 但 不 能 解释 晶间 滑移 、 单 相 合 金及一些无需淬火的材料超塑性。
3．扩散蠕变机制
N-H （ NabarroHerring）型扩散蠕变理论认 为，在拉应力作用下，空位 的化学势能产生局部的变 化，垂直拉伸轴的晶界处于 高位能状态，平行拉伸轴的 晶界处于低位能状态。因 此，在拉伸应力作用下，必 然会引起空位从高位能区向 低位能区移动(见图7.2, 实线 为原晶粒，虚线表示扩散蠕 变示意)。
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贝可芬(Backofen)方程 描述 这 种特性 最简单也最 常 用的 是 著名 的 贝可芬(Backofen)方程
(7.1) 式 中， σ为 超塑性 流动 应力 ； 为 应 变 速率 ； m 为流动 应力的应 变 速率 敏感 性 指数 ， 称为 m 值；K为与材料成分、结构和试验温度等有关 的常数。
材料加工原理
第二篇 材料固态成形原理
材料学院 轻合金精密成型国家工程研究中心 吴国华 Tel: 62932164 ghwu@
第七章 特种固态成形
特种固态成形包括超塑性成形、爆炸成 形、低压爆炸成形、高速锻造成形、粉末锻 造成形、粉末轧制成形、电磁力成形和液体 中放电成形等。本章只介绍超塑性成形、粉 末锻造成形和粉末轧制成形的原理及应用， 以扩大固态成形的知识面。