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。这里指的微细晶粒尺寸，大都在微米级，其范围在0.5～5μ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。还应当指出，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。

②相变超塑性。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较大的延伸率。

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（αγ)的两次转变，可以得到二次条约式的均匀延伸。

③其他超塑性。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。

四．典型的超塑性材料

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基、Al基、Ti基、Mg基、Ni基、Pb基、Sn基、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶合金多元合金、高级合金等类型。部分典型的超塑性合金见下表。

五．超塑性的应用

由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，

极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。

⑴超塑性在压力加工方面的应用

超塑性压力加工属于黏性和不完全黏性加工。对于形状复杂或变形量很大的零件，都可以一次直接成型。成型的方式有气压成形、吹塑成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。

优点：流动性好；

填充性好；

需要的设备功率吨位小；

材料利用率高；

成形件表面精度质量高。

相应的困难是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、材料保护等都有一定的特殊要求。

⑵相变超塑性在热处理方面的应用

相变超塑性在热处理领域可以得到多方面的应用。例如，钢材的形变热处理、渗氮、渗碳、渗金属等方面都可以应用相变超塑性的原理来增强处理效果。相变超塑性还可以有效地细化晶粒，改善材料品质。

⑶相变超塑性在焊接方面的应用

将两块金属材料接触，利用相变超塑性原理，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，我们称之为相变超塑性焊接。

优点：这种焊接由于加热温度低（在固相加热），没有一般融化焊接的热影响区，也没有高压焊接的大变形区，焊后不经过热处理或其他辅助加工即可应用。

相变超塑性焊接所用的材料，可以是钢材、铸铁、Al合金、Ti合金等。

⑷相变诱发塑形的应用

在热挤压方面的应用

不论是微晶超塑形还是相变超塑性，均已用于热挤压方面。相变超塑性热挤压就是在相变区域附近给予周期性的温度循环，在负荷较小的情况下进行压接，相变温度即是压接温度。

在切削和切断方面的应用

利用相变超塑性加热切削，在相变点附近切削可使切削力降低。

利用相变超塑性进行切断。例如对8mm厚的普通中碳热轧板材，在切断部位稍稍开一个小槽，然后通电加热，在超塑性相

变时用手便可折断。