超塑性材料

2 超塑性材料

2.1 概念

2.1.1定义

2.1.2特征

2.1.3常见超塑性材料

2.1.4影响因素

2.2流变力学

2.3流变机理

2.4研究发展方向

2.1 概念

2.1.1定义

超塑性是指具备特定内在条件的材料在特定的外在条件下显示出的异常高塑性。一般金属拉伸变形时的断裂延伸率不超过百分之一百，而超塑性材料在超塑性拉伸变形时其断裂延伸率则可达百分之几百，甚至几千。

Zn-22Al超塑变形前后的尺寸对比

2.1.2特征

超塑成型制品

超塑性具有大延伸、小应力、无回弹、易成形等显著特点，特别适合用于难加工材料以及形状复杂零部件的精密制造。

对于超塑性现象表现出很大兴趣的原因之一是由于工艺上应用了此现象，并获得了初步成效。超塑性成形（Superplastic Forming − SPF）是一种固态下的近终形成形技术，它可以一次性地制备出几何形状非常复杂的制品，具有成形压力低、模具寿命长、制品精度高、结构重量轻等显著特点，在难加工材料以及大型复杂结构件的加工生产中具有其它加工方法无法比拟的优点。

2.1.3常见超塑性材料

迄今为止，已在多种金属系统和工业化合金中实现了超塑性，表列出了其中一些材料的特征参数。

一些超塑性材料的特征参数

2.1.4影响因素

∙流变力学

∙原始组织结构及其演变

（微细化（<10μm）、等轴化和稳定化的“三化”组织）

∙特定的温度-应变速率

2.2流变力学

1964年，Backofen 等对超塑性变形提出如下本构方程：

.K ε

σ=m

式中：m 为应变速率敏感性指数；σ为流变应力；

为应变速率；K 为材料常数。作

者指出，超塑性材料之所以具有大的延伸率，主要是由于材料具有较高的m 值。在拉伸变形过程中，当材料产生局部颈缩时，高m 值产生很高的抗颈缩能力，使得局部颈缩难以向心部发展，从而获得大延伸的效果。

1967年，Hart 等对一般塑性变形提出如下本构方程及微分方程：

.n K εεσ=m

δln σ= γδε+ m δln

式中：ε 为应变，n 为应变硬化指数，γ为应变硬化系数，δ代表沿着试样拉伸方向上的微分。与Backofen 方程不同的是，Hart 方程除考虑了应变速率硬化效应之外，还考虑了大多数变形过程中都会出现的应变硬化效应。

早期的研究认为，断裂应变εf 或断裂延伸率δf 与m 值之间存在着定量关系。Ghosh 和 Ayres 从σ=k

m

方程出发，假设试样的最终断裂系表面几何缺陷颈缩发展所致，

给出的一个包含起始几何缺陷因子f 的如下关系式，当f 取0.005~0.01时，和模型材料的实验结果吻合较好。

εf = –m ln[1–(1–f)1/m

]

近期的研究表明，对于大多数工业化的超塑性材料，上述颈缩断裂不是唯一的方式，

m 值只表示了获得高塑性的可能性，而不是塑性的绝对值。Lian 和Suery 从Hart 方

程出发，考虑了内部孔洞的发展对断裂的影响，假设孔洞发展遵循塑性控制的机理，即C V =C V0exp(ηε)，给出如下关系式，式中：εN 颈缩处应变，当f 取0.005~0.01时，分析结果和许多实验结果吻合较好。

exp[-ε/m ]ε n/m

d ε=(1-f)-1/m

exp[-εN /m ]εN n/m

d εN

2.3流变机理

从超塑性出现至今，研究者们对超塑性变形机制进行了坚持不懈的大量研究，提出了许许多多种理论，但由于超塑性材料的多样性、高温研究的困难性以及超塑性变形过程的复杂性，至今尚没有哪一种理论能够解释众多的超塑性现象。

在高温变形环境下，空位及原子的扩散，位错的运动，晶界的滑动（GBS ）都可能发生，都会产生变形。一般将高温变形按应变速率分为低、中、高三个区。超塑性变形在中应变速率区。总结大量的研究结果表明，低应变速率区变形的主要机制是空位及原子的扩散即扩散蠕变，高应变速率区变形的主要机制是位错运动，而中应变速率区即超塑性变形区其主要变形机制是晶界滑动。

晶界滑动是超塑性变形的主要机制。但晶界滑动能否顺利进行以及晶界滑动过程中晶粒之间的协调性需要通过持续不断的协调过程，如位错的运动、原子和空位的扩散、晶界的迁移（GBM ）、晶粒的旋转等来完成。已提出的机制模型中一般仅能考虑一种或两种协调过程，并与晶界滑动相联系。简要地总结众多的已提出的机制模型，可以给出一个一般的反映超塑性变形本构关系的Arrhenius 型方程：

n

0p

.

)G

(

d kT DG A σσε-⎪⎭⎫ ⎝⎛=b b ⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=RT Q exp D D 0

式中：A 为无量纲归一化常数， G 为剪切模量，b 为位错柏氏矢量，K 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度，d 为晶粒尺寸，P 为逆晶粒度指数（1~3），σ为流变应力，n （=1/m ）为应力指数，D 为扩散系数，Q 为协调机制激活能，D 0为频率因子，R 为气体常数。表列出了其中的一些广为接受的机制模型。

晶界扩散位错运动协调晶界滑动模型

2.4研究发展方向：低温高应变速率超塑性

目前超塑性成形技术已经在飞机制造业中得到了广泛的应用，如：制造飞机机身“肋骨”之类的复杂大型零部件，如果不借助金属的超塑性，“你将不得不切割出许许多多不同形状的零部件，完成大量的加工工作。金属的超塑性使你可以用一次成型的方法制造出同样的零件。”但其在其它制造业中普及的速度却十分缓慢。问题在于：（1）目前工业化的超塑性材料如铝合金、钛合金的应变速率太低（10-5s-1~10-3s-1），超塑性成形是一个缓慢的过程，生产效率较低，生产成本较高；（2）超塑性成形所需的温度较高。解决这一瓶颈问题的关键在于细化材料的晶粒和降低D gb。

研究发展方向⇒低温高应变速率超塑性⇒细化晶粒、降低D

gb

问题：如何细化材料的晶粒？如何降低D

gb ？