金属 塑性 变形 理论第15讲 超塑性现象

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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 ；
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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。
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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• 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 Pb-Sn 共 晶 合 金 在 室 温 低 速 拉 伸 时 可 以 得 到 2000%的 延 伸率。
• 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。
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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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超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管
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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
金属塑性变形理论
第十五讲
张贵杰
Tel：13230587925 E-Mail： zhguijie@vip.sina.com 河北联合大学金属材料及加工工程系
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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• 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。
• 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等合金都具有这种特性。
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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。
• 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。
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超塑性的概念
Fra Baidu bibliotek
• 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 ％
• 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
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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）