超塑性现象
超塑性成形资料
1.1超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。
但至今还没有从物理本质上确实切定义。
有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为 >200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。
1.2超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件〔组织，温度，应力状态等〕可将超塑性分为三类：1.微晶组织超塑性〔即恒温超塑性或构造超塑性〕一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。
当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。
2.相变超塑性〔变温超塑性或动态超塑性〕将材料在相变温度附近进展热循环，利用相变过程，每一次热循环奉献一小的应变，从而在屡次热循环过程中获得大的延伸率。
3.内应力超塑性和相变超塑性一样进展热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。
1.3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。
〔1〕大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%说明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。
这样使材料的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。
〔2〕无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有〔或很小〕应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。
因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化局部继续变形，这样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。
超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并非真的没有紧缩。
〔3〕小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。
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。
2特种塑性成形-超塑性
结论： （1）提高宏观变形均匀性，可通过提高n和m值 实现； （2）超塑性变形的进行主要依赖m值，均匀变 形主要在准稳定阶段。 （3）一般塑性材料m值较小，均匀变形主要在 稳定阶段,依赖n值。
为什么超塑性定义中，可以用m>0.3？ 为什么m物理意义可以表示材料抗缩颈的能力？
影响超塑性和应变速率敏感性指数的各种因素
两相组织的影响 两相晶粒可以互相阻碍在变形过程中的长 大。两项分布越均匀，两相的体积比越接近1 时，热稳定性越好，对超塑性变形越有利。 否则，第二相晶粒很少，同相晶粒聚合机 会大大增加。
§2.3 超塑性变形机理
超塑性变形过程中金属组织变化的特点 （1）晶粒长大、趋于（保持）等轴化； （2）晶粒的滑动、转动和换位； （3）由于晶界滑移，将在晶界附近产生大量 位错，为保证变形进行，位错以攀移和相消 方式松弛应力； （4）材料内部出现空洞。
4、超塑性流动应力本构方程、m的物理意义
5、组织超塑性变形机制
作业
请同学自己查找一种超塑性材料，下节课请1—2位同学采用 PPT形式向大家分享这种材料的超塑性变形机制、实现超塑性的 条件等。
特定的内部和外部条件
超塑性是指：材料在特定内部和外部条件 下具有异常高的塑性指标，这种现象称为超塑 性。
超 塑 性 分 类
组织超塑性 相变超塑性 其它超塑性
组织（细晶）超塑性：
（1）变形前及变形中等轴细小晶粒（一般<10μm）； （2）变形温度恒定高温（0.5-0.7）Tm； （3）应变速率小
为什么有以上要求？ 普遍认为超塑性的发生主要依靠晶界滑移变形机制， 晶界滑移本质上是晶界上原子扩散和位错运动的结果。
拉伸过程的三个阶段： （1）稳定阶段，第一个细颈点出现以前； （2）准稳定阶段，细颈扩散、转移，直到某 一部位的细颈极度发展而转移不出去为止。 此阶段的变形从细观上看不够均匀，但是 由于细颈部分的应变强化和应变速率敏感 性的作用，使不均匀性受到某种程度的抑 制，以致变形有一种在不均匀中求均匀的 趋势，以致宏观上大致是均匀变形。 （3）失稳阶段
第二章-超塑合金
• 1934年，英国C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低
速拉伸时可以得到2000％的延伸率。
• 1945年前苏联的 A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有 异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。
• 1964年，美国的 W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统
第二章超塑性合金
（Superplastic Alloys）
一、超塑性现象
• 超塑性现象最早的报道是在1920年，德国人罗森汉等发现 Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180º 。 • 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。
0.5 0.6 0.85 0.5 0.5 0.5
0.5 1800~2000 0.43 1310
100 1550
390～500 500
530 550
Al-4.2Zn-1.55Mg 0.9 Al-10.72Zn0.9 0.93Mg-0.42Zr Al-8Zn-1Mg-0.5Zr Al-33Cu-7Mg 0.72 Al-Zn-Ca Cu基合金 Cu-9.5Al-4Fe 0.64
1/ m
（3）
dA 与A和m的关系曲线 dt
设时间为t，根据应变速度定义：
1 dA A dt
m 1 m
（4） 当m1时, A越小, dA/dt越大，即当某局部 产生一个较小断面时，此处更容易变细，即 容易发生颈缩。 当m接近于1时，A的变化对dA/dt影响很 小, 不容易因颈缩而产生断裂, 因而变大.
在温度和变形速度合适时,利用超塑性合金的极大 延伸率，可完成通常压力加工方法难以完成或用多道
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 ℃
对超塑性成型的认识
对超塑性成型的认识超塑性的简介及发展历史一.（如晶粒尺寸及形状、条件啊超塑性是指材料在一定的内部（组织），呈现出异常低如温度、应变速率等)环境)条件下()相变等和外部(超塑性的特)的现象。
异常高的流变性能(如大的延伸率的流变抗力、易成形。
点有大延伸率，无缩颈（小缩颈），小应力，超塑性是一种奇特超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。
倍甚至上百2010倍、的现象。
具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
金属的超塑性现象，是英国物理学年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适1982家森金斯在变得像软糖一样柔软，当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超而应变速度10 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。
一倍，然而这些材料的强度太低，不19.5根铋锡棒可以拉伸到原长的能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。
年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中 60美国和西欧一些国家对超塑性理论和加于是前苏联、也具有超塑性，面对极难变形的钛合金和高温合工发生了兴趣。
特别在航空航天上，而利用超塑性加工却获得了金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，1 / 8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。
超塑性合金
相变超塑性
2、相变超塑性
有些金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异 常的变化，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，就会使金属呈现 相变超塑性。 相变超塑性：相变超塑性不要求金属有超细晶粒 组织，但要求金属有固态相变特点，在一定外力条件 作用下，使金属或合金在一定相变温度附近循环加热 和冷却，经过一定的循环次数以后，就可能诱发产生 反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈 现超塑性，从宏观上获得很大的伸长率。
• 从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因
而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑 性温度Ts。
最大伸长率达 8000%
铝合金超塑性变形
产生超塑性的方法
使原材料产生超细化晶粒、 适宜的变形温度和速率。 晶粒的超细化、等轴化以及稳定化 可通过合金化，控制凝固过程、 热处理、形变热处理、粉末冶金、 机械加工等方法来实现。
4、超塑性钢。含碳1.25%的碳钢在650-700℃的加工温度下，取得了 400%的断后伸长率
5、钛基合金。钛合金变形抗压大，回弹严重，加工困难，难于获得高 精度零件。利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制 出形状复杂的精密零件
超塑性合金的应用
真空成型或气压成型
高 变 形 能 力 的 应 用
超塑性合金种类
锌基合金
铝基合金
镍合金
超塑性钢
钛基合金
几种具有超塑性质的工业用铝合金
１、锌基超塑合金。 具有巨大的无颈缩延伸率，但其蠕变强度低，冲压 加工性能差，不宜做结构材料，用于一般不需切削的简单零件。 ２、铝基超塑性合金。综合力学性能差，室温脆性大，限制了在工业上 的应用。 ３、镍基超塑性合金。高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精 密锻造，压力小 ，节约材料和加工费，制品均匀性好。
第15讲 超塑性现象【金属塑性变形理论】
第十五讲
第七章 金属的塑性
主要内容
Main Content
• 塑性的概念及塑性指标 • 影响塑性的主要因素 • 超塑性现象(自学)
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Lesson Fifteen 2
7.3 超塑性现象
• 纳米铜的室温超塑性
Lesson Fifteen
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3
Lesson Fifteen
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17
Lesson Fifteen
• 近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如 下三个方面：
• 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、 金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材 料具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用 前景。然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料 的超塑性对于其应用具有重要意义 ；
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Lesson Fifteen
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11
Lesson Fifteen
超塑性的分类
• 组织超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之 为微细晶粒超塑性。
• 特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。
• 温度：Ts≥0.5Tm（Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度 的绝对温度）
Lesson Fifteen
m
延伸率δ(%)
变形温度（℃）
0.5
>1500
200~300
0.48～0.5
300
200～360
Al-33Cu Al-Si Cu-Ag
Mg-33Al Sn-38Pb Bi-44Sn Pb-Cd
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0.9
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第15讲 超塑性现象
7.3 超塑性现象
纳米铜的室温超塑性
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在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250℃时延伸 率 1083 % )
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Bi-44Sn挤压材料在慢 速拉伸下出现异常大的 延伸率（ 1950 % ）
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流动应力对温度十分敏感。提高变形温度将发生如图所示的 变化
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随着温度的升高： 流动应力的水平将普遍下降，但在高应变速率时的 变化不如低应变时显著 m的最大峰值升高，并移向高应变速率区 在最大应变速率和最小应变速率这两端， m值对温 度的敏感性较差，即在接近蠕变变形区及普通热加 工区，m值对温度的敏感性较差 Ⅰ/Ⅱ区和Ⅲ/Ⅱ区之间的过渡向高应变速率方向移 动
K
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m
Mg-Al共晶合金的应变速率与 (a)流动应力 (b)敏感系数m的关系
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Lesson Fifteen
应变速度敏感性系数：
m d ln d ln
应变速率与流动应力曲线可划分为三个区域，即低应变速 率区Ⅰ、高应变速率区Ⅱ和超塑性区Ⅲ，在Ⅰ区和Ⅲ区中 m<0.3，在Ⅱ区中m>0.3。
超塑性的概念 超塑性的力学特征 超塑性的组织特征 超塑性的机理 超塑性的应用
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Lesson Fifteen
超塑性的概念
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。 一般说来，如果材料的延伸率超过 100 ％，就可称 为超塑性。凡具有能超过 100 ％延伸率的材料，则 称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸 率最大可超过1000％，有的甚至可达2000％
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。
超塑性
金属超塑性成形工艺及其发展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。
1934年，C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000％的延伸率。
但是由于第二次世界大战，这方面的研究设有进行下去。
1945年A.A.BOCHV AR等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。
1964年，W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。
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，事次循环中试样得到累积的大变形。
目前研究和应用最事的超塑性现象属于前者。
从60年代起，各国学者在超塑性材料学、力学、机理、成形学等方面进行了大量的研究并初步形成了比较完整的理论体系。
超塑性既是一门科学，一又是一种工艺技术。
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。
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。
超塑性合金(1)
• 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。
• 超塑性合金 ——这种具有象拉面般柔 软的金属叫超塑性合金。
• 这种合金在一定温度下，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，目前已经有近百种金属具有 这种超塑性能。
超塑性合金
一、塑性、超塑性以及超塑性合金的定义 二、超塑性合金的发现 三、超塑性现象的定义 四、超塑性的分类 五、超塑性成形工艺的分类 六、超塑性合金的优缺点 七、超塑性合金的应用
定义
• 塑性——指当材料或物体在外力作用下产 生永久变形而不致引起破坏的性能。 • 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，塑性越高表示材料的 杂质愈少，纯度愈高，使用起来也就愈安 全。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。
3. 其它超塑性（或第三类超塑性）：在消除应力退 火过程中在应力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si 及Al-4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热 可以得到超塑性，根据Johnson试验，在具有异 向性热膨胀的材料如U，Zr等，加热时可有超塑 性，称为异向超塑性。有人把a-U在有负荷及照射 下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特 殊处理也可以得到超塑性。 也有人把上述的第二及第三类超塑性称为动态超 塑性或环境超塑性。
2. 相变超塑性或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态超塑 性。 这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温 度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获 得大延伸。 有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很大的塑 性，并且淬火过程中奥氏体向马氏体转变，即无扩散的脆 性转变过程（γ→a）中，也具有相当程度的塑性。同样， 在淬火后有大量残余奥氏体的组织状态下，回火过程，残 余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以获得异常高的塑 性。另外，如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定 温度区间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变， 在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小与转变 量的多少，变形温度及变形速度有关。这种过程称为"转 变诱发塑性"。Fe-Ni合金，Fe-Mn-C等合金都具有这种特 性。
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。
焊接材料的超塑性行为分析与优化
焊接材料的超塑性行为分析与优化引言：焊接是一种常见的金属加工方法，它通过熔化金属材料并使其冷却形成连接，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。
然而，焊接过程中产生的应力和变形问题一直是制约焊接质量和可靠性的重要因素。
为了解决这一问题，研究人员开始关注焊接材料的超塑性行为，并通过分析和优化来提高焊接质量。
一、焊接材料的超塑性行为分析焊接材料的超塑性行为是指在高温下，金属材料具有较高的塑性变形能力。
这种超塑性行为可以通过应变速率敏感性系数（m值）来描述，m值越大，材料的超塑性能力越好。
研究人员通过实验和模拟方法来分析焊接材料的超塑性行为。
实验方面，研究人员可以通过拉伸实验、压缩实验等方法来测量焊接材料的塑性变形能力。
通过改变实验条件，如温度、应变速率等，研究人员可以得到焊接材料的应变速率敏感性系数。
此外，还可以通过显微组织观察和力学性能测试来分析焊接材料的超塑性行为。
模拟方面，研究人员可以利用有限元方法来模拟焊接材料的超塑性行为。
通过建立材料的本构模型和应变硬化模型，研究人员可以预测焊接过程中的应力和变形情况。
此外，还可以通过模拟不同焊接参数对焊接材料超塑性行为的影响，进一步优化焊接工艺。
二、焊接材料超塑性行为的优化为了提高焊接材料的超塑性行为，研究人员可以通过以下几个方面进行优化。
1. 材料选择：选择具有良好超塑性行为的焊接材料是提高焊接质量的关键。
研究人员可以通过实验和模拟方法来评估不同材料的超塑性能力，并选择最合适的材料进行焊接。
2. 焊接参数优化：焊接参数对焊接材料的超塑性行为有着重要影响。
研究人员可以通过实验和模拟方法来优化焊接参数，如温度、应变速率等，以提高焊接材料的超塑性能力。
3. 焊接工艺改进：改进焊接工艺也是提高焊接材料超塑性行为的重要手段。
研究人员可以通过改变焊接方式、预热温度等来减少焊接过程中的应力和变形，从而提高焊接质量。
结论：焊接材料的超塑性行为分析与优化是提高焊接质量和可靠性的重要研究方向。
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。
过量塑性变形的名词解释
过量塑性变形的名词解释过量塑性变形是一种材料学中的术语，指的是在单轴加载条件下，超过了材料的弹性限度，进而引起塑性变形的现象。
它是一种常见的材料失效机制，广泛应用于工程设计、材料科学等领域。
过量塑性变形是由于材料在外力的作用下，经历了长时间的塑性变形而导致的。
在过量塑性变形中，材料内部的原子、分子或晶体发生了定向的移动，从而改变了材料的形状和结构。
这种变形不可逆，并且会使材料的机械性能发生显著的改变。
过量塑性变形的过程中，材料会出现强烈的变形和破坏，导致材料出现塑性断裂等失效现象。
为了更好地理解过量塑性变形，我们可以从以下几个方面进行解释。
1. 塑性变形和弹性限度：塑性变形是金属材料在外力作用下，产生的形变不伴随着应力的完全恢复和变形后的状态。
而弹性限度则是指材料能够承受的最大弹性变形。
当外力作用超过了材料的弹性限度，塑性变形就会发生。
2. 过量塑性变形的特点：过量塑性变形的特点之一是材料在塑性变形过程中没有明显的变形硬化现象。
变形硬化是指材料在塑性变形过程中，随着塑性变形的进行，材料的屈服强度和硬度会逐渐增加。
但是，在过量塑性变形中，塑性变形过程较为均匀，没有明显的变形硬化。
另一个特点是过量塑性变形会使材料的本构关系发生变化。
本构关系是指材料应力和应变之间的关系。
在过量塑性变形过程中，材料会经历应力和应变曲线的不同阶段，从而导致本构关系的变化。
3. 影响过量塑性变形的因素：过量塑性变形受到多个因素的影响，其中包括材料的结构、温度、加载速率等。
材料的晶体结构、晶界及位错等缺陷对过量塑性变形具有重要影响。
温度对材料的塑性变形也有显著影响，通常低温下材料的变形能力较弱，而高温下变形性能较好。
此外，加载速率也是影响过量塑性变形的因素之一。
快速加载会导致材料发生动态塑性变形，而缓慢加载则会使材料产生静态塑性变形。
总结：过量塑性变形是材料学中一个重要的概念。
通过理解过量塑性变形的定义、特点和影响因素，我们可以更好地认识材料变形失效的机制。
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第七章 金属的塑性
主要内容
Main Content 塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素
超塑性现象
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7.3 超塑性现象
纳米铜的室温超塑性
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在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250℃时延伸 率 1083 % )
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超塑性的概念 超塑性的力学特征 超塑性的组织特征 超塑性的机理 超塑性的应用
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超塑性的概念
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Bi-44Sn挤压材料在慢 速拉伸下出现异常大的 延伸率（ 1950 % ）
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高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件
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双相不锈钢超塑性成形的航天器件
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相变超塑性或变态超塑性 这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度 和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大 延伸。 如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A1、3温度上 下施以 反 复 的 一 定范围的加热和冷却，每一次循环发生 （ ag ） 的 两 次 转 变 ， 可 以 得 到 两 次 均 匀 延 伸 。 D.Oelschlä gel 等用 AISI1018 、 1045 、 1095 、 52100 等钢种试 验表明，延伸率可达到500%以上。 变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，而在一定 次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到逐步加大 的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。
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特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领 域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的 Zn 合金、 Al 合 金、 Ti 合金、 Cu 合金以及黑色金属等正以它们优异的变形 性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、 工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中 起到了不可替代的作用。
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。 一般说来，如果材料的延伸率超过 100 ％，就可称 为超塑性。凡具有能超过 100 ％延伸率的材料，则 称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸 率最大可超过1000％，有的甚至可达2000％
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超塑性的分类
组织超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之 为微细晶粒超塑性。 特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。 温度：Ts≥0.5Tm（Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度 的绝对温度） 变形速度：10-4~10-1/s。 微细晶粒尺寸其范围在0.5～5μm之间。一般来说，晶粒越细 越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如Ti合金）晶 粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。 由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始 组织具有微细晶粒尺寸，如果热稳定性差，在变形过程中晶 粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。 2018/11/14 11
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其它超塑性 在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超 塑性。 Al-5%Si 及 Al-4%Cu 合金在溶解度曲线上下 施以循环加热可以得到超塑性，根据 Johnson 试验， 在具有异向性热膨胀的材料如 U， Zr 等，加热时可 有超塑性，称为异向超塑性。有人把 a-U 在有负荷 及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁 经特殊处理也可以得到超塑性。
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超塑性的历史及发展
超 塑 性 现 象 最 早 的 报 道 是 在 1920 年 ， 德 国 人 罗 申 汉 （ N.Rosenhaim ）等发现 Zn-4Cu-7Al 合金在低速弯曲时， 可以弯曲近 180 度。 1934 年，英国的 C.P.Pearson 发现 PbSn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。 1945年前苏联的 A.A.Bochvar等发现 Zn-Al共析合金具有异 常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。 1964 年，美国 的 W.A.Backofen 对 Zn-Al 合金进行了系统的研究，并提出 了应变速率敏感性指数－m值这个新概念，为超塑性研究奠 定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代，世界上形成了 超塑性研究的高潮。
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有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很 大的塑性，淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火 过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以 获得异常高的塑性。 如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定温度区 间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变， 在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小 与转变量的多少，变形温度及变形速度有关。这种 过程称为 " 转变诱发塑性 " 。即所谓 "TRIP" 现象。 Fe-Ni合金，Fe-Mn-C等合金都具有这teen
近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三 个方面： 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金属 间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具有若 干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。然而这 些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性对于其应 用具有重要意义 ； 高速超塑性的研究，提高超塑变形的速率，目的在于提高超 塑成形的生产率 ； 研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金）的超塑性变形 规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提高成形件 的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更 大的效益。