第二讲：超塑性成形

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。
1920年，Rosenhain等最早发现Zn-4Cu-7Al合金系在 低速弯曲时，可以弯曲近180˚。 1934年，英国的Pearson发现Pb-Sn(铅、锡)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”的概念。 1964年，美国的Backofen对Zn-Al合金进行了系统研究， 提出了应变速率敏感系数，为超塑性研究奠定了基础。 20世纪60年代后期及70年代，形成了超塑性研究的高潮。 近几十年来，金属超塑性获得广泛应用。近年来，先进超塑 性材料、高速超塑性、非理性超塑性成为研究热点。
微细晶粒超塑性：
• 材料具有等轴稳定 的细晶组织 ( 通常要 求 晶 粒 尺 寸 在 0.55m 之间 ) 。—般而 言．晶粒越细，越 有利于出现超塑性
相变超塑性：
1. 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。 2. 第一个必要条件： 材料具备固态结构 转变能力，如某些 金属和合金。 3. 第二个必要条件： 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。
（1）超塑性现象与超塑性指标：
通常有色金属最大伸长率高于 200%，可锻造的黑色金属最大伸长率高 于100%，即可认为是实现了超塑性。在较理想的状态下，某些有色金 属的伸长率高达2000%以上，某些黑色金属的伸长率高达500%以上。 对于脆性材料，采用压缩实验，在其呈现出明显的塑性时，即可认为是 实现了超塑性。
• 应变速率在10-4-102s-1的区间内。
微细晶粒超塑性的力学特性
金属试样超塑性拉伸试验时，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，这种对应变速率的 敏感性体现了超塑性最主要的力学特性。
（2）实现超塑性的条件
微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、适当的温度和低应变速率三个 基本条件。
冶金方法：主要是添加一些能够促使早期形核，使组织弥散，并在变形 过程中稳定晶粒的微量元素。此外，还可采取快速凝固方法。 压力加工方法：采用冷、温、热三种不同温度下的轧制或锻造。 热处理方法：包括反复淬火、形变热处理、球化退火等方法。
其他超塑性：
1. 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。 2. 在 消 除 应 力 退 火 过程中，在应力 作用下可以得到 超塑性。 3. 球 墨 铸 铁 和 灰 铸 铁经特殊处理也 可以得到超塑性。
• 成形温度 T0.5Tm(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。
贝可芬(Backofen)方程。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。
s = Ke
.m
应变速率敏感性指数m的物理意义：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。普通金属和合金， m=0.02-0.2 ；超塑性材 料，m=0.3-0.8，甚至接近1。
晶粒度的影响
为获得超塑性，处理后的组织要求具有晶粒微细、等轴、 稳定的特点，晶粒大小应在 10m以下。晶粒尺寸对流 动应力、m值、伸长率均有很大影响，下面几图分别表 示了这些影响。
晶粒大小对流动应力的影响
晶粒大小对应变速率敏感指数的影响
变形温度对延伸率的影响
应变速率与流动应力及延伸率的变化曲线
超塑性成形的应用
SPF构件用料情况
超塑性在压力加工方面的应用
开式模锻：与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需
增加加热和保温装置。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。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。
超塑性变形机理
溶解—沉淀理论 亚稳态理论 扩散蠕变机制 扩散流动机制--AsΒιβλιοθήκη Baiduby-Verral模型 位错蠕变机制
超塑性成形的应用
利用气压胀形／扩散连接复合工艺（SPF/DB）工艺制造的发动 机整流叶片形
超塑性成形的应用
军用飞机采用的超塑成形零件
超塑性成形的应用
铝合金超塑成形构件的市场分布
超塑性成形的基本特点和种类
（1）超塑性成形的基本特点
拉伸试验延伸率可达百分之几百，甚至百分之几千。 拉伸试验时，试样均匀变形，在宏观上不出现缩颈现象。
拉伸试验时，流动应力很低。
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。
（2）超塑性成形的种类
微细晶粒超塑性(又称恒温超塑性或第一类超塑性) 相变超塑性(又称变态超塑性、转变超塑性或第二类超塑性) 其他超塑性(又称第三类超塑性)。
金属材料塑性精确成形 工艺及理论
魏青松
副教授 博士生导师
联系电话：87558155 Email:wqs_xn@163.com
金属超塑性
定义：材料在一定的内部条件（如晶粒形状及尺寸、相变等） 和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的变形 抗力、超常高的流变性能（如大的延伸率）的现象。
超塑性的历史
相变超塑性的应用
热处理方面的应用： 例如，钢材的形变热处理、渗
碳、渗氮、渗金属等；有效细化晶粒，改善材料性能
在焊接方面的应用： 将两块金属材料接触，利用相
变超塑性的原理，施加很小的负荷和加热、冷却循环即 可使接触面完全粘合，得到牢固的焊接，称之为相变超 塑性焊接。该工艺无热影响区，也没有高压焊接的大变 形区，无需后处理。