材料的超塑性及其变形机理

材料的超塑性及其变形机理

专业：材料工程

学号：2012177

姓名：孙宇

材料的超塑性及其变形机理

1.材料超塑性的定义

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。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。

超塑性材料是指：具有相对细小的晶粒（20微米-30纳米）的金属、陶瓷等，其晶粒分布可以是均匀或不均匀的，且晶粒或相的形状、尺寸或取向具有各向异性或各相同性。

2.超塑性及其宏观变形特征

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

δ100％时，即可称为超塑性。实际上，有的超塑材颈与断裂现象。当伸长率≥

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。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σ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）。

4)易成形超塑材料在变形过程中呈现极好的稳定流动性，变形抗力很小且没有明显的加工硬化现象，压力加工时的流动性和填充性很好，可进行诸如体

积成形，气胀成形，无模拉拔等多种形式的塑性成形加工。

3.实现组织超塑性的组织条件

1）组织超细化晶粒尺寸应小于10μm，一般为0.5~5μm。但也有例外，如β钛合金（=500μm）、金属间化合物Fe3A1（=100μm）等。这些合金粗大晶粒时也会出现超塑性。

2）晶粒等轴化等轴晶粒有利于晶界在切应力作用下产生晶界滑动。在变形过程中被拉长的晶粒只有通过再结晶变为等轴晶粒时，才能在变形中发生大量的晶界滑动。

3）晶粒稳定性在超塑合金中应有第二相存在，因为第二相能在合金的变形过程中有效地控制基体晶粒的长大。准单相合金因为在晶界存在有极少量的第二相粒子或夹杂物、杂质等，对晶界有钉扎作用，因而较单相合金有更好的晶粒稳定性。

4）对组织中第二相的要求超塑合金中的第二相强度和硬度应与基体相处于相同的量级上。如果第二相强度和硬度高于基体相，那么在变形应力的作用下在两相界面上易产生孔洞，导致过早断裂。两相强度差越大，超塑性效应越差。

若第二相强度和硬度高于基体相时，应使第二相在基体中以更微细化的尺寸呈弥散状的均匀分布；虽然这种粒子也会在基体相的界面土产生显微孔洞，但在连续的变形中，这种孔洞会被粒子周围的各种回复机制所抑制，不致于酿成较大孔洞。

5) 对基体晶粒晶界的要求超塑合金的基体相晶界应具有大角晶界性质。因为大角晶界在切应力作用下很容易发生晶界滑动，而小角晶界不易发生滑动。晶界还应具有易迁移质，当晶界滑动在三角晶界或晶界上的各种障碍处产生应力集中时，晶界迁移能使应力集中松弛。晶界迁移在超塑变形过程中始终存在，它能维持晶粒在变形中的等轴性。

6) 对应变速率敏感性的要求超塑合金必须具有高的应变速率敏感性，应变速率敏感性指数（m）在0.3-0.9范围。m值较高是微细晶粒组织所固有的特性，所以m值能间接反映对组织的要求。

4.钢铁材料的超塑性

钢铁材料品种多、用量大、用途广，是工业生产中最重要的金属材料。从目前研究来看，钢铁材料都能实现相变超塑性，组织超细化处理后一般都能呈现组织超塑性，有些材料的超塑性还相当好。钢铁材料的超塑性能与一些典型的超塑性有色合金相比虽然是较低的，但足以能够利用其超塑性实现超塑加工，因此了解其超塑性条件、实现方法及所能达到的超塑性指标很有必要。

α↔转变，故可通过温度循环实纯铁及工业纯铁（C<0.0218％）能发生。γ

现相变超塑性。但纯铁为单相组织，难以保证晶粒稳定化，所以难以实现恒温超塑性。工业纯铁因碳含量低，渗碳体量过少，不足以对基体(铁素体)晶粒起稳定化作用，故也难以实现恒温超塑性。

亚共析钢在γα+两相区尤其当两相体积分数接近时可以实现组织超塑性，共析及过共析钢利用弥散分布的碳化物稳定α或γ，可以比较容易实现超塑性。专门针对超塑性而开发的超高碳钢可以获得很好的超塑性。

在低合金和中合金钢中Cr 、Mo 、V 、W 、Mn 等合金元素都有很好的细化晶粒作用，并且是碳化物形成元素，对超塑性有利，使得许多合金钢比如轴承钢、高碳工具钢、模具钢等，都可以获得良好的超塑性。高合金钢能否实现超塑性取决于其化学成分和组织状态，一般来说，具有γα+两相组织以及K +α或K +γ的钢易于实现超塑性。