(金属塑性成形原理课件)第15讲超塑性现象

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Lesson Fifteen
晶粒越细小：
▪ 除Ⅲ区外，在所有应变速率条件下，流动应力都下 降，特别是在低应变速率下更为明显；
▪ Ⅱ区和Ⅲ区的过渡推向高应变速率范围； ▪ m的最大峰值增加，并移向高应变速率区
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应变速率敏感性指数m的物理意义
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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。
▪ 目前已知的超塑性金属及合金已有数百种， 按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、 Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、 共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。 部分典型的超塑性合金见下表
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合金成分（Wt%） 共析合金 Zn-22Al 共晶合金 Zn-5Al
▪ 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
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▪ 晶粒的大小对流动应力及m值也有明显的影响。一般来说， 具 有 良 好 超 塑 性 的 起 始 晶 粒 度 一 般 应 ＜ 10μm ， 最 好 是 ＜ 5μm。
▪ 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。
m
延伸率δ(%)
0.5
>1500
0.48～0.5
300
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变形温度（℃）
200~300
200～360
Al-33Cu Al-Si Cu-Ag
Mg-33Al Sn-38Pb Bi-44Sn Pb-Cd
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0.9
500
440～520
－
120
450
0.53
500
675
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▪ 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 ；
▪ 试验结果还表明，当材料在超塑性变形过程中形成 大面积空洞时，其相互连接将导致材料的最终断裂。
▪ 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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▪ 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。
超塑性的组织特征
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▪ 试验研究结果表明，于超塑性变形时晶粒的等轴性 保持不变，并在变形后通常可以看到晶粒有些长大。 在正常微细晶粒超塑性显微组织中在500％的应变下 晶粒尺寸可能增加50％或100％。有人在Sn－5％Bi 合金上发现，延伸率达1000％时，晶粒仍保持等轴 并发现晶粒长大了好几倍。
▪ 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.Oelschlägel等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试 验表明，延伸率可达到500%以上。
▪ 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。
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0.5
1000
950
0.5
>1000
795～855
0.5
1000
1093
0.2
400
－
225
0.42
1000
0.5
200
－
6000(扭转)
20～70 820 1035 900
377～577
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超塑性的力学特征
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▪ 流动应力
▪ 在超塑性材料中，流动 应力特别敏感于应变速 率。如图所示，用对数 坐标表示的流动应力与 应变速率的关系曲线呈 “S”形。
Km
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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 24
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应变速度敏感性系数：
m dl ndln
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。
800 600
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Fe-C合金（钢铁）
Fe-0.8C
－
Fe-(1.3,1.6,1.9)C
－
GCr15
0.42
Fe-1.5C-1.5Cr
－
Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V
－
AISI01(0.8C)
0.5
52160
0.6
高级合金
901
－
Ti-6Al-4V
0.85
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210～250 470 540 1200 817 1200 1220
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超塑性的历史及发展
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▪ 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Pb-Sn共 晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。
▪ 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。
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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。
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流动应力 MPa
360℃ 440℃ 520℃
应变速率 ε Sec-1
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360℃
440℃
应变速率 ε Sec-1
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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
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▪ 对某些材料，如a／b黄铜、Al黄铜，AI-Zn-Mg-Cr合 金等的超塑性拉伸中也发现有空洞出现。试验证明， 空洞的数量和尺寸随应变速率的增大而增多。随着 真实应变的增加，空洞数目也增多。
▪ 一般认为空洞是由晶界滑移引起的，所以在Ⅱ区内 因晶界滑移对塑性变形的作用最大，其空洞速率也 就最大。
▪ 纳米铜的室温超塑性
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Lesson Fifteen
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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▪ 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
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▪ 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。
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典型的超塑性材料
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