第2[1].3章 金属超塑性变形分析解析

第三节 金属的超塑性变形

对力学性能的影响主要表现为：
（1）超塑性变形后合金仍保持均匀细小的等轴晶组织，不存 在织构，所以不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀 能力。 （2）超塑性成形时，由于变形温度稳定、变形速度缓慢，所 以零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力。 （3）对某些超塑性合金，存在加工软化现象，即硬度随压缩 率的增加而降低。 （4）高铬高镍不锈钢经超塑性变形后，形成细微的双相混合 组织，具有很高的抗疲劳强度。
第三节 金属的超塑性变形
晶界滑动和扩散蠕变联合机理（A-V机理）示意图
a.四个六边 形等轴晶粒 在应力作用 下，发生晶 粒滑动 c.四个晶粒发 生转动，形 成新的组态， 仍保持等轴 晶粒 晶粒转换机制的二维表示法
b在应力作用 下，发生晶粒 滑动，同时依 靠晶界扩散， 保持联结
d、e.伴随定向扩散的晶界滑动机制，虚线箭头代表体扩散方向
有人把上述的第二类及第三类超塑性统称为动态超 塑性，或环境超塑性。
第三节 金属的超塑性变形

二、超塑性变形机理
目前有这样几种解释： ①晶界滑移的作用；
超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因此晶界运动在超塑性 变形中起着极其重要的作用。晶界运动分为滑动和移动两种，前者为 晶粒沿晶界的滑移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。 在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多晶界滑动的理论模型。
金属塑性成形原理
第二章 金属塑性变形的物理基础
第三节 金属的超塑性变形
主讲：刘华 华侨大学模具技术研究中心
第三节 金属的超塑性变形
一、超塑性概念及种类
概念：在一定条件下进行热变形，材料可得到特别大的 均匀塑性变形，而不发生缩颈，延伸率可达 500~2000%，材料的这种特性称为超塑性 特点： 大伸长率 无缩颈 低流动应力 对应变速率敏感 无加工硬化 易成形
种类：细晶超塑性、相变超塑性
第三节 金属的超塑性变形
Bi－Sn挤压材料在慢速拉伸下获得大的延伸率（δ＝1950％）
原始 试样
拉伸 试样
第三节 金属的超塑性变形
第三节 金属的超塑性变形


☆1. 细晶超塑性（目前研究最多）
又称第一类超塑性、微晶超塑性、结构超塑性、恒温 超塑性 条件：晶粒必须超细化和等轴化 （晶粒直径一般在0.5~5.0μ m） 恒温条件（范围在(0.5~0.65)T熔 ） 应变速率 （ 101 105 s 1 ） 优点：恒温下易于操作成形 缺点：晶粒的超细化、等轴化及稳定化受材料的限制， 并非所有合金都能达到
第三节 金属的超塑性变形பைடு நூலகம்

二、超塑性变形机理
• 超塑变形的本质，多数观点认为由晶界的滑动和晶粒旋转 为主，伴有晶界原子的扩散性迁移所致
• 试验说明晶界滑动不是简单的晶粒相对滑动，而是在晶界 附近很薄的一层区域内发生形变的结果 • 由于形变在晶界附近产生很大的畸变，高温下首先回复而 发生软化，使形变得以不断在这些区域进行而引起所谓的 晶界滑动
②动态回复和动态再结晶的作用 （与热加工时不同） 晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种再结 晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从而消除其 预先存在的应变硬化。在高温变形时，这种再结晶过程是 一个动态的、连续的恢复过程，即一方面产生应变硬化， 一面产生再结晶恢复（软化）。如果这种过程在变形中能 继续下去，好象变形的同时又有退火，就会促使物质的超 塑性。


☆ 3．其它超塑性或第三类超塑性。 近年来发现，普通非超塑性材料在一定条件下快速变 形时，也能显示出超塑性。 有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可 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。此外，国外正在研究的
还有升温超塑性，异向超塑性等。
• （2 ）超塑变形没有明显晶内滑移，有明显的晶界滑动 和晶粒转动，变形后没有位错密度的增加，看不到晶内 亚结构，抛光表面也不显示滑移线
• （3）变形过程中晶粒有所长大，形变量愈大，应变速 率愈小，晶粒长大愈明显 • （4）在许多情况下在晶界或相界处出现空洞。有人认 为，空洞是由空位在变形期间向晶界处汇集引起的；也 有人认为，空洞是由于晶界滑移时缺少相互协调的结果。

第三节 金属的超塑性变形
☆2. 相变超塑性

具有相变或同素异构转变的金属或合金在一定的外力 作用下，在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定 的循环次数后，可以获得很大的伸长率 又称动态超塑性
相变超塑性的主要控制因素是温度幅度和温度循环率 实际操作不便、效率低，需要保温加热装置，低应变 速率，相变超塑性成形加工主要应用于航空航天器的 生产部门的焊接和热处理方面，规模化机械工业部门 应用较少。


第三节 金属的超塑性变形


晶界滑动和扩散蠕变联合机理（A-V机理）
1973年M. F. Ashby和R. A. Verrall提出了一个由晶内-晶界扩散蠕 变过程共同调节的晶界滑动模型。
• 晶界滑动同时发生晶界扩散，以使晶粒保持联系而不 致断开 • 晶界扩散与空位运动有关，在应力作用下，空位由垂 直于应力的受拉晶界流向平行于应力的受压晶界，原 子则反向迁移，从而造成拉伸方向的应变 • 超塑变形时，试样形状的宏观变化不是因每个晶粒的 相应变形所造成，而是通过晶界的滑动与扩散，造成 晶粒的换位所实现的，这个过程只能在一定的高温范 围内发生
第三节 金属的超塑性变形

二、超塑性变形机理
• 超塑性变形是一种晶界行为，是多种机 制综合作用的结果。
超塑性区域 晶界滑移为主
扩散蠕变机制作 用增大
位错蠕变机制作用 增大
•Al-Mg共晶合金流动应力和应变速率与m值得关系曲线
第三节 金属的超塑性变形
三、超塑性变形后的组织、结构变化特征
• （1 ）超塑变形时尽管变形量很大，不产生织构，晶粒 没有伸长，仍保持等轴形状，但产生粗化


③扩散蠕变的作用
扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，有两种现象不能解释： 1）在蠕变变形中，应力与应变成正比，m=1，而在超 塑性变形中，m值总是处于0.5~0.8之间。 2）在蠕变变形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超 塑性变形中，晶粒仍保持等轴状。 因此，经典的扩散蠕变理论不能完全说明超塑性变形时 的基本物理过程，也解释不了它的主要力学特征。所以该 理论能否作为超塑性变形的一个主要机理，还不十分清楚。