1、超塑性
【精品】第6章超塑性及超塑变形机理
第6章超塑性及超塑变形机理6.1超塑性的概念6．1．1超塑性及其宏观变形特征关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。
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颈与断裂现象。
当伸长率δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材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。
超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力。
在上述内在条件满足一定要求的情况下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。
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 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。
3)无缩颈一般具有一定塑性变形能力的材料在拉伸变形过程中，当出现早期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续发展，导致提前断裂。
超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度敏感，有所谓“应变速率硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。
超塑性
第十二章 超塑性
12.4 应变速率敏感性指数和激活能 12.4.1 应变速率敏感性指数
& 许多合金系统的实验结果都证实了 log σ − log ε 以曲线在整个 实验范围内呈S形，而超塑性区只存在于曲线的中间位置。 高m值是超塑性的最重要特征。 确定m的方法有两种:
一种是单试样法。在恒变形 速率拉伸试验中使变形速率 由V1突变到V2，测量突变前 后的载荷P1和P2。若变形速 率的变化是瞬时完成的，则 可用下式计算m值。
12.2 超塑性维象学
Hart判据 Hart判据 Hart提出，如果变形中随试样横截面积的减小，横截面积的减 小速度变小，则变形是稳定的。 Hart判据可写作：
& δ log A ≥0 δ log A
∂ log σ m=( )ε & ∂ log ε
1 ∂σ )ε& γ =( σ ∂ε
& δ log A γ + m − 1 = ≥0 δ log A m
σ =ε
m
∂ log σ 式中， m = & ∂ log ε
是应变速度敏感系数。
第十二章 超塑性
12.2 超塑性维象学
Rossard稳定性判据 Rossard稳定性判据 & 塑性变形的流变应力一般可用下式表示: σ = Kε n ε m 变形不稳定性由R的符号所决定。若R<0，变形稳定，不产生 颈缩;若R>0，变形不稳定，产生颈缩。R=0时计算临界应变值。
第十二章 超塑性
12.5 超塑性变形机制
12.5.3 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。
超塑性研究
Al基复合材料超塑性相关研究1概念介绍与总述超塑性：是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状、尺寸和相变等）和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力及异常高的流变性能的现象。
1.1超塑性变形特点超塑性现象从发现到深入研究经历了几十年的时间，自上世纪70 年代以来，世界各工业发达国家包括美、英、法、日以及前苏联等竞相研究金属超塑性技术，掀起了超塑性应用技术及理论研究的热潮，已经发现具有超塑性的金属材料已达200 多种以上，特别是近年来，由于陶瓷及其复合材料超塑性研究取得了突破性的进展，超塑性研究范围从金属材料扩展到了非金属领域[1-4]。
与一般塑性变形不同，超塑性变形具有以下特点：（1）非常大的延伸率，一般200%，最大可达5000%以上。
（2）变形抗力小，无或少加工硬化，易变形。
（3）很强的抗缩颈能力，可发生很大变形而无明显的局部缩颈。
（4）对应变速率非常敏感，m 值一般大于0.3。
（5）对晶粒尺寸、状态敏感，一般要求微细晶粒。
一些超塑性合金及复合材料因变形性能优异，在航空航天、汽车制造等工业部门的应用前景越来越广阔，尤其适宜用于制备形状复杂的构件[5]。
1.2 超塑性变形影响因素超塑性是材料在特定条件下表现出来的一种综合机械性能，其影响因素有很多，下面就其主要的集中因素进行分析1.2.1 应变速率的影响应变速率是影响超塑性的重要因素，应变速率ε对流动应力δ和应变率敏感系数m有显著影响；m 值较小，应力随应变速率变化缓慢，m 值大，应力随应变速率变化剧烈，在此范围内的材料变形具有很高的应变速率敏感性，且超塑性好，是实现超塑性变形的最佳应变速率范围。
1.2.2 变形温度的影响温度对超塑性变形有关参数的影响主要有：（a）随着温度升高，流动应力普遍下降，曲线也向高应变速率方向移动；（b）随着温度升高，m 值增大，曲线峰值向高应变速率方向移动；（c）当应变速率很高时，m 值对温度的敏感性减弱。
超塑性的概念
【塑性成型原理】5塑性成型原理(第七节超塑性)
金属和合金具有超常的均匀变形能力，其延 伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。
2.超塑性变形宏观特征
（1）大延伸：拉伸试验，Zn-22%Al，250 ℃ ，5mm/min，
延伸率3120%（变形稳定性极好）；
（2）小应力：Zn-22%Al—— 2MPa
m
1- 1
Am
dt K
反映了抑制局部出现缩颈的能力
m
越大，
随着
.
增大而急剧增大
2.组织特征
晶粒极细 （1） （0.5-5μm）
等轴晶
均匀变形
（2） 双相
（共析或共晶）
第二相晶粒能阻碍母相 晶粒的长大，而母相也 阻碍第二相的长大。
（3） 热稳定性
变形过程中晶粒长大的速度要慢， 充分的热变形持续时间。
Zn-22%Al合金的延伸率和 m值与变形温度的关系
• 晶粒尺寸和形状的影响
d<10微米
流变应力低 超塑性变形区域宽 m峰值增加
Al-Cu共晶合金520度时晶粒尺寸对 流动应力即m值的影响
• 应变速率的影响
•
=10-4~10-1 min-1
两相组织的影响
两相分布愈均匀，两相的体积比愈接近于1， 热稳定性愈好
控制因素：温度幅度 温度循环率
机制: 靠同素异构转变诱发材料的高塑性，在应力 作用下每次相变将得到一次跳跃式均匀变形，在相 变温度附近的多次热循环即可累积得到大的变形量
3. 其它超塑性
短暂超塑性 相变诱发超塑性 高应变率超塑性 电致超塑性
碳钢和轴承钢的延伸率与温度 循环次数n之间的关系
（试验温度幅度：538-816度
超塑性成形
图1-2 吹塑成形的5083铝合金墙面装饰浮雕
1.1.2 超塑性成形的基本特点
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。 2)金属的变形抗力很小,一般超塑性模锻的总 压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分 之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较 大的制件。 3)加工精度高,超塑性成形加工可获得尺寸精 密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制 件，其力学性能均匀一致，机械加工余量小 ，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑 性成形是实现少或无切削加工和精密成形的 新途径。
图1-13 Zn-Al共析合金( =22%)压缩率 与维氏硬度的关系
1.3.2 超塑性变形机理
图1-14 晶界滑动和扩散蠕变联合机理模型
图1-15 晶粒移动的立体模型 1—xy平面内原有的晶粒 2—从z方向两相邻层移来的晶粒
1.4 超塑性成形工艺与设备 1.4.1 常用超塑性成形的工艺方法 1.薄板气压/真空成形
金属超塑性成形
目录
1.1 金属超塑性概况及成形特点 1.1.1 金属超塑性发展概况 1.1.2 超塑性成形的基本特点 1.2 超塑性的分类及影响超塑性的因素 1.2.1 超塑性的分类 1.2.2 影响微晶组织超塑性的主要因素 1.3 超塑性变形的微观组织机理 1.3.1 超塑性变形时组织对力学性能的影响 1.3.2 超塑性变形机理 1.4 超塑性成形工艺 1.5 超塑性成形展望
1.1.1 金属超塑性发展概况
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。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。
材料超塑性成型
目录一．超塑性的定义 (2)二．超塑性的发展 (2)三．超塑性的分类 (3)四．典型的超塑性材料 (4)五．超塑性的应用 (5)⑴超塑性在压力加工方面的应用 (6)⑵相变超塑性在热处理方面的应用 (6)⑶相变超塑性在焊接方面的应用 (7)⑷相变诱发塑形的应用 (7)一．超塑性的定义是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状尺寸、相变等）和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(如大的延伸率等）.1920年Rsenhain发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180°1934年英国Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉深时可以得到200％的延伸率1945年前苏联Bochvar发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率1964年美国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二．超塑性的发展近年来的发展：①先进材料超塑性的研究,主要指金属基复合材料，金属间化合物,陶瓷材料等超塑性的开发。
一般加工性能较差，所以有必要对其进行深入研究。
②高速超塑性研究,主要是提高超塑变形的速率,目的在于提高超塑成形的生产率。
③研究非理想超塑性材料的超塑性变形规律，以实现降低对超塑性变形材料的苛刻要求，从而提高成形件质量，扩大超塑性使用范围。
三．超塑性的分类早期由于超塑性现象仅限于Bi—Sn和Ai—Cu共晶合金、Zn-Al共析合金等少数低熔点的有色金属，也曾有人认为超塑性现象只是一种特殊现象。
随着更多的金属及合金实现了超塑性，以及与金相组织及结构联系起来研究以后，发现超塑性金属有着本身的一些特殊规律，这些规律带有普遍的性质。
而并不局限于少数金属中。
因此按实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等)一般分为以下几种①恒温超塑性。
一般所说超塑性变形多数属于这类，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。
在一定的温度区间和一定变形速率下呈现超塑性。
1、超塑性
（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 成形过程无硬化，流动性和填充性好，可用多 种方式成形。
②、钛合金 TC4(Ti-6Al-4V)和TC9：供货状态即为细晶组 织。 m:0.85, σ:,δ:1000﹪, ³‾01×0.1: غs‾¹,t:800~1000 ℃. Ti679：在900℃下锻造，800 ℃下退火1h后 空冷。 m:0.43, σ:25MPa,δ:734﹪, ⁴‾01×7.6: غs‾¹,t:800~850 ℃.
的2~4倍。 要求设备：可调速、可保压、有大的封闭高度与足 够的工作台面、有顶出装置、有温控系统。
（2）、超塑性气胀成形设备 要求： 除具有锻造设备的要求外，还有以下要求： 更长时间的保压； 更大的工作台面； 气源及控制系统。 典型设备：
1.4.3、超塑性成形的摩擦与润滑 特点： （1）、模具温度高 原子扩散加剧，提高摩擦系数，脱模困难； （2）、应变速率低 易于接触面咬合，挤出润滑剂，导致摩擦系数增大； （3）、变形时间长 对润滑剂要求： （1）、在整个成形过程中能在模具和坯料之间形成连续的润 滑剂薄膜，并具有较低的摩擦系数； （2）、对坯料表面具有防护作用，防止其氧化或吸收其他气 体； （3）、兼具脱模剂的作用； （4）、不与坯料和模具发生反应； （5）、易于涂覆和去除； （6）、应为无毒、非易燃、非稀缺物。
⑤ 、鎂、铜合金 MB8：供货状态即为细晶组织。 m:0.34σ:25MPa,δ:228﹪, ⁴‾01×8.2 : غs‾¹,t:400 ℃. ⁴ MB15：360℃保温1h，然后空冷。 m:0.51σ:23MPa,δ:574﹪, ⁴ ⁴‾01×0.1 : غs‾¹,t:290 ℃. HPb59-1：300 ℃温轧后，450 ℃保温1h。 m:0.5σ:23MPa,δ:550﹪, ⁴‾01×33.8 : غs‾¹,t:600 ℃. H62：250~300 ℃保温1h,然后空冷。
铝合金的超塑性研究
5083是Al-Mg系防锈铝中的典型合金。5083铝合金具有较高的强度，良好的塑性、 抗腐蚀性及加工性等优点，是广泛应用于超塑成形的铝合金之一，已成为轨道交通工业 超塑成形的热门材料。对5083铝合金的超塑性研究发现，细晶是获得优异超塑性的必需 条件。 热机处理 （TMP） 和等通道转角挤压 （ECAP） 是获得细晶结构的典型途径。 AA5083 的超塑性不仅依赖于合金的晶粒尺寸，而且与晶粒的稳定性密切相关。通过添加 Cr ， Mn，Zr和 Sc等元素可起到稳定晶粒尺寸的作用。 R. Kaibyshev等对添加0.2% Zr和1.6%Mn改良后的 AA5083研究发现，该合金在超塑 成形时晶粒的稳定性有明显提高，并且的最大延伸率达到了1150%。随着超细晶材料制 备技术的发展，AA5083低温高应变速率超塑性的研究也取得了一定的进展。Kyung-Tae Park等通过等通道转角挤压 （ECAP） 技术制备了晶粒尺寸为0.3μm的超细晶5083铝合金， 并添加微量的 Sc元素改良该合金，使该合金实现了高应变速率超塑性，并指出高应变速 率超塑性的现象是动态再结晶和晶粒大小在成形中得到良好保持共同作用的结果。 据报 道，工业用粗晶 AA5083延伸率可达到240%，细晶5083的延伸率可超过 500%。经过特殊 处理的含有Zr、 Mn元素的 AA5083，其延伸率甚至可高达1000%。
铝合金的超塑性研究
一、超塑性概述
塑性是金属的重要属性之一，它指的是金属在外力作用下，无损而永久地改变形状 的能力。金属材料的塑性是随着本身组织状态和变形条件的变化而变化的，在特定的组 织结构和变形条件下，金属和合金可以呈现出异乎寻常的大变形能力，延伸率可达到百 分之几百甚至百分之一千或几千以上，这种现象被称为超塑性。自上世纪20年代发现超 塑性现象的半个多世纪以来，科学研究者们在材料的超塑性机理、冶金学、力学特性等 方面开展了广泛的研究，已经发现了超过200种超塑性金属及合金。有些合金，特别是 铝合金，在通常的供应状态就具有一定的超塑性。 关于超塑性的定义目前尚未有一个严格确切的描述， 通常认为超塑性是指材料在拉 伸条件下， 表现出异常高的延伸率而不发生缩颈与断裂的现象， 当延伸率超过 100%时， 即可称为超塑性。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，材料即表现出超塑性。
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。
1-超塑合金
超高碳钢的超塑性变形（变形量 超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%） ）
5、超塑性钛合金：以Ti-6Al-4V为代表，其伸长率可 、超塑性钛合金： 为代表， 为代表 达2000%。 。
6、陶瓷、复合材料和纳米材料：这些材料的超塑性 、陶瓷、复合材料和纳米材料： 是近年来研究的热点。 是近年来研究的热点。 • Y-TZP的超 的超 塑性变形
Pb-Sn共晶合金经 共晶合金经SPF后刻痕的位移 共晶合金经 后刻痕的位移
晶界滑动与转动示意图
刻痕
• 晶界的滑动和晶粒的转动可通过下图所示 阿西比 来完成。 的过程,可以 （Ashby）机制来完成。经过由 到(c)的过程 可以 ）机制来完成 经过由(a)到 的过程 完成ε 的真应变。 完成ε=0.55的真应变。 的真应变
块状非晶合金的高温变形
过冷态下模具成型的Zr基金属玻璃 过冷态下模具成型的 基金属玻璃
流变应力σ和变形速度 ε·关系示意图
• 晶粒尺寸的影响：在变形温度及变形速度不变的条 晶粒尺寸的影响： 件下，随晶粒尺寸减少，变形抗力下降， 件下，随晶粒尺寸减少，变形抗力下降，伸长率增 加，变形速率敏感指数 增大。 变形速率敏感指数m增大 率敏感指数 增大。
晶粒尺寸对NiAl塑性的影响 塑性的影响 晶粒尺寸对
四、实用超塑性合金
1、锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难 锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低， 于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料 于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料. 成板材 用于一般不需切 削的简单零件。 削的简单零件。 如 Zn-22Al 的成 型温度为 250 270℃，压力为 ℃ 0.39-1.37 MPa。 。
第一章超塑性合金
铝合金的超塑性研究
一、超塑性概述
塑性是金属的重要属性之一，它指的是金属在外力作用下，无损而永久地改变形状 的能力。金属材料的塑性是随着本身组织状态和变形条件的变化而变化的，在特定的组 织结构和变形条件下，金属和合金可以呈现出异乎寻常的大变形能力，延伸率可达到百 分之几百甚至百分之一千或几千以上，这种现象被称为超塑性。自上世纪20年代发现超 塑性现象的半个多世纪以来，科学研究者们在材料的超塑性机理、冶金学、力学特性等 方面开展了广泛的研究，已经发现了超过200种超塑性金属及合金。有些合金，特别是 铝合金，在通常的供应状态就具有一定的超塑性。 关于超塑性的定义目前尚未有一个严格确切的描述， 通常认为超塑性是指材料在拉 伸条件下， 表现出异常高的延伸率而不发生缩颈与断裂的现象， 当延伸率超过 100%时， 即可称为超塑性。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，材料即表现出超塑性。
5083是Al-Mg系防锈铝中的典型合金。5083铝合金具有较高的强度，良好的塑性、 抗腐蚀性及加工性等优点，是广泛应用于超塑成形的铝合金之一，已成为轨道交通工业 超塑成形的热门材料。对5083铝合金的超塑性研究发现，细晶是获得优异超塑性的必需 条件。 热机处理 （TMP） 和等通道转角挤压 （ECAP） 是获得细晶结构的典型途径。 AA5083 的超塑性不仅依赖于合金的晶粒尺寸，而且与晶粒的稳定性密切相关。通过添加 Cr ， Mn，Zr和 Sc等元素可起到稳定晶粒尺寸的作用。 R. Kaibyshev等对添加0.2% Zr和1.6%Mn改良后的 AA5083研究发现，该合金在超塑 成形时晶粒的稳定性有明显提高，并且的最大延伸率达到了1150%。随着超细晶材料制 备技术的发展，AA5083低温高应变速率超塑性的研究也取得了一定的进展。Kyung-Tae Park等通过等通道转角挤压 （ECAP） 技术制备了晶粒尺寸为0.3μm的超细晶5083铝合金， 并添加微量的 Sc元素改良该合金，使该合金实现了高应变速率超塑性，并指出高应变速 率超塑性的现象是动态再结晶和晶粒大小在成形中得到良好保持共同作用的结果。 据报 道，工业用粗晶 AA5083延伸率可达到240%，细晶5083的延伸率可超过 500%。经过特殊 处理的含有Zr、 Mn元素的 AA5083，其延伸率甚至可高达1000%。
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。
陶瓷材料的超塑性
陶瓷材料的超塑性刘文娣齐鲁工业大学材料科学与工程学院材工10-2班山东济南 250353摘要：虽然陶瓷材料在本质上是一种脆性材料；然而研究已表明细晶陶瓷材料具有超塑性，在高温下能产生很大的拉伸形变。
陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。
通过对超塑性晶界滑移微观机理的解释，了解超塑性产生的原因，进而分析一下陶瓷材料的形变特征参数，最后简单介绍纳米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的发展前景。
关键词：陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相变超塑性；陶瓷应用引言：陶瓷材料由于具有优良的性能,如高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨、比重小等,因而得到越来越广泛的应用,尤其适合用于在高温、摩擦和腐蚀介质的场合取代金属部件。
陶瓷很容易获得细晶结构，而且结构比较稳定，即使在较高的温度时晶粒长大也不是很明显，这显示了陶瓷具有超塑性变形的潜力，但陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性变形，实现超塑性形变要比金属材料困难得多。
陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。
陶瓷的超塑性要求1.试验温度应达到材料熔化温度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常应小于<1μm；3.能稳定保持细晶结构，没有或只有轻微的晶粒生长;4晶粒具有等轴粒状，以利于晶界滑移的发生；5.能抑制空洞的产生和连接以及晶界分离。
一．陶瓷材料超塑性介绍1.1 超塑性的分类细晶超塑性：晶粒尺寸通常小于10微米；变形温度T>0.5Tm,并在变形过程中保持恒定应变速率较低。
相变超塑性：并不要求具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率。
1.2 陶瓷材料超塑性变形的结构特征晶界滑动是人们普遍接受的变形机制，从晶界的组织结构出发，可以将晶界滑动分为三种类型：第一，界面结构使晶界上的原子比在晶格内的扩散快得多，这种类型的界面一般来说是大角度晶界；第二种类型，晶界间存在少量液相，如果晶相在液相中有一点溶解度，就可以增强晶间的扩散作用；第三种类型，主要是小角度晶界，推测是晶间位错而产生的超塑性，它具有最大的变形速率，在工艺技术上最有意义。
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1.4.3、超塑性成形的摩擦与润滑 特点： （1）、模具温度高 原子扩散加剧，提高摩擦系数，脱模困难； （2）、应变速率低 易于接触面咬合，挤出润滑剂，导致摩擦系数增大； （3）、变形时间长 对润滑剂要求： （1）、在整个成形过程中能在模具和坯料之间形成连续的润 滑剂薄膜，并具有较低的摩擦系数； （2）、对坯料表面具有防护作用，防止其氧化或吸收其他气 体； （3）、兼具脱模剂的作用； （4）、不与坯料和模具发生反应； （5）、易于涂覆和去除； （6）、应为无毒、非易燃、非稀缺物。
②、钛合金
TC4(Ti-6Al-4V)和TC9：供货状态即为细晶组 织。 m:0.85, σ :,δ :1000﹪, ³‾01×0.1: غs‾¹,t:800~1000 ℃. Ti679：在900℃下锻造，800 ℃下退火1h后 空冷。 m:0.43, σ :25MPa,δ :734﹪, ⁴‾01×7.6: غs‾¹,t:800~850 ℃.
1.5、超塑性成形展望 1、成形大型金属结构及相关成形设备 主要指超塑性气压胀形与扩散连接复合工艺 2、陶瓷材料与复合材料的超塑性 3、Al-Li合金的研究 4、工艺过程的数值模拟
pA F 1000 F 变形力（kN）； p 单位面积上的变形力Mpa)； ( A 锻件在锻造方向上的投 影面积（m m2） . 其中，单位面积上的变形力 p 是流动应力
的2~4倍。 要求设备：可调速、可保压、有大的封闭高度与足 够的工作台面、有顶出装置、有温控系统。
（2）、超塑性气胀成形设备 要求： 除具有锻造设备的要求外，还有以下要求： 更长时间的保压； 更大的工作台面； 气源及控制系统。 典型设备：
2）、应变速率的影响
细晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的变化对流动应力 10 和m值的影响很显著，只有控制在＝ 4 ～101 min 1 范围内， 才能获得超塑性。 3）、温度的影响
不同材料只有较窄的温度区间适合超塑性成形
1.3、 超塑性变形机理 目前仍处于探讨阶段，尚无统一的认识。 几种主流的观点：
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
晶界滑移的观点；
扩散蠕变机理的作用；
动态回复和动态再结晶。
一般地认为，超塑性变形机理比常规塑性变形机理 更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕 变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，是几 个机理的综合作用。
由Ashby和Verrall
提出的晶界滑动和扩
散蠕变联合机理，简 称A-V机理。
并在外加载荷作用下，在相变温度上下循环加热
与冷却，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出超塑性。 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，故使用上受到限制。
3）、其他超塑性
近年来发现，普通非超塑性材料在一定条件下快速
变形时，也能显示出超塑性。 有些材料在消除应力退火过程中，在应力作 用下也可以得到超塑性，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。
④、钢
45钢：830~850 ℃淬火，反复4次。 m: σ:δ:240﹪, ⁴‾01×0.2: غs‾¹ ,t:680 ℃. T8钢：760 ℃水淬，后加热到537 ℃空冷。 m:σ:35MPa,δ:305﹪, ⁴‾01×)5.9~4.2( : غs‾¹ ,t:680~710 ℃. GCr15：退火料830 ℃调质1~4次。 3Cr2W8V：950 ℃循环淬火。 m:σ:49MPa,δ:156﹪, , ³‾01×0.2: غt:800~850 ℃. s‾¹ 1Cr13、2Cr13:950~990 ℃加热，600 ℃回火，两次 调质。 钢的细晶化，基本上是采用热处理。
1.2、超塑性的分类及影响超塑性的因素 （1）、现象 超塑性是材料特定条件下呈现的特质：极 低的流动应力、极高的伸长率、良好的流动 性与复制性，晶间变形的比率提高。像熔融 塑料那样的金属，因此可成形大变形量、高 精度、复杂件，并可进行良好的复制。 力学特征：贝可芬方程
K
. m
普通金属，m=0.02~0.2；超塑性材料， m=0.3~1
①、锌合金
Zn-22％Al：550~590℃精炼后浇铸铸锭。355~375 ℃8h以 上固溶后空冷。加热到290~360 ℃保温2小时，制成板 材或棒材后，加热至310~360 ℃保温1h以上，在低于18 ℃的水中淬火，保持1h.再加热至250~260℃保温0.5h. m:0.6, σ :2MPa,δ :1000~2000﹪, ³‾01×6.1: غs‾¹,t:200~300 ℃ Zn-4％Al与Zn-5％Al ：精炼后浇铸铸锭，在320 ℃退火 3h，在300 ℃ （Zn-4％Al ）和260 ℃ （Zn-5％Al ） 下轧制。 m:0.5,σ :2MPa,δ :2000﹪, ³‾01×6.1: غs‾¹,t:350 ℃
⑤ 、鎂、铜合金
MB8：供货状态即为细晶组织。 m:0.34σ :25MPa,δ :228﹪, ⁴‾01×8.2 : غs‾¹,t:400 ℃. MB15：360℃保温1h，然后空冷。 m:0.51σ :23MPa,δ :574﹪, ⁴‾01×0.1 : غs‾¹,t:290 ℃. HPb59-1：300 ℃温轧后，450 ℃保温1h。 m:0.5σ :23MPa,δ :550﹪, ⁴‾01×33.8 : غs‾¹,t:600 ℃. H62：250~300 ℃保温1h,然后空冷。
高温变形时，这种再结晶过程是一个动态的、
连续的恢复过程，即一方面产生应变硬化，一 面产生再结晶恢复（软化）。如果这种过程在
变形中能继续下去，好象变形的同时又有退火，
就会促使物质的超塑性。
1.4、超塑性成形工艺与设备 1.4.1、常用超塑性成形工艺方法
1.4.2、超塑性成形பைடு நூலகம்备选择 （1）、锻造设备
特种塑性成形
1、发展省力成形工艺
F K s A
K 应力状态系数，异号时<1，同号时>1
s
流动应力，与材料成分、组织、变形温度、 变形速度、变形程度有关。
A 接触面积在主作用力方向上的投影
2、提高成形的柔度 3、提高成型的精度，如粉末锻造等
超塑性成形
1、金属超塑性概况及特点 1.1、发展概况 1920年，德国科学家发现一些脆性材料在 某些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。
此外，国外正在研究的还有升温超塑性，异向超
塑性等。 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。
（3）、影响超塑性的因素 1）、获得细晶的途径及晶粒度的影响 ①冶金学方法 成核初期加微量元素，快速冷凝法； ②压力加工法 冷、热、温轧制或锻造 ③热处理方法 反复淬火、形变热处理、球化退火等 要求处理后的组织细晶、等轴、稳定 晶粒越小，流动应力越低，m值越大。
③、铝合金
Al-6Cu-0.5Zr：用冷模浇铸铸锭，采用热轧及冷轧， 变形量大于90％，最后进行时效热处理。 m:0.50, σ :10~12MPa,δ :1000﹪, ³‾01×3.1: غs‾¹, t:430 ℃. 7475铝合金：供货板材固溶处理后，400 ℃过时效 8h；200 ℃轧制，轧制变形量为85％，482 ℃保 温5min。 Al-Li合金： Al-Li二元合金强度较低，加入铜、鎂、 锆、錳等合金元素，可使其强度与塑性有所改善。
起 始 状 态
σ І
该理论认为，在
晶界滑移的同时伴随 有扩散蠕变，对晶界 滑移起调节作用的不 是晶内位错的运动， 终
了 阶 而是原子的扩散迁移。 段
σ
中 间 状 态
ІІ
动态再结晶理论 晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，
这种再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变
的晶粒，从而消除其预先存在的应变硬化。在
（2）、分类 1）、细微晶粒超塑性（恒温超塑性） 晶粒尺寸通常小于10 m
变形温度T>0.5 Tm ,并在变形过程中保持恒定
m
应变速率较低，通常
10
4
~ 10
1
s
2）、相变超塑性（动态超塑性）
相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织，而 是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相 变或同素异构转变而获得大延伸率。产生相变超 塑性的必要条件，是材料应具有固态相变的特性，
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 成形过程无硬化，流动性和填充性好，可用多 种方式成形。