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1、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5002000%，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,BiSn挤压材料在慢速拉伸下获得大的延伸率（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、
2、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0.55.0m） 恒温条件（范围在(0.50.65)T熔 ） 应变速率 （ ） 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,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
3、工业部门应用较少。,第三节 金属的超塑性变形, 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。 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： 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
4、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。,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。,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
5、超塑性变形中，m值总是处于0.50.8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。,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
6、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,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,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,晶粒转换机制的二维表示法,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,c.四个晶粒发生转动，形成新的组态，仍保持等轴晶粒,第三节 金属的超塑性变形,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
7、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,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。,Al-Mg共晶合金流动应力和应变速率与m值得关系曲线,位错蠕变机制作用增大,扩散蠕变机制作用增大,超塑性区域 晶界滑移为主,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
8、轴形状，但产生粗化,（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,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
9、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,四、超塑成形应用 细晶超塑性成形的应用： 1.开式模锻 与普通模具结构基本相同，但需要增加与模具一体的加热和保温装置，使用液压机。 具有充模好、变形力低、组织性能好、变形道次少、弹复小、 用于铝镁钛合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状复杂零件的模锻。,第三节 金属的超塑性变形,2.闭式模锻 不需要设飞边槽，模腔内的压力就是静水压力，远高于开式模锻。 锻件无飞边，精度更高，
10、模锻脱模稍困难一些。 用于难成形材料形状复杂零件的成形，如钛合金涡轮盘锻造 3.反挤压 成形精度高，表面质量好，与冷挤压相比，可大幅度降低成形载荷 主要用于成形筒体、壳体件与锌基合金和合金钢的模具型腔。,第三节 金属的超塑性变形,4.气压成形 超塑性胀形工艺用气体作为加压介质，利用超塑性材料低的流动应力和高达百分之数百的伸长率及良好的复制性，可以成形钛合金、铝合金、锌合金的形状复杂的壳体零件 应用于航空航天器制造业、机电工业、工艺美术品加工业等许多领域，与普通冲压成形相比可减少成形工序和工装套数。,第三节 金属的超塑性变形,5.气压胀形/扩散连接复合工艺（SPF/DB） 实验证明，金属材料在超
11、塑性状态下具有良好的扩散连接性能。与超塑性气压胀形结合形成了SPF/DB 用于成形夹层结构件，如钛合金和铝合金的飞机与航天器结构件成形。这也是迄今为止超塑性成形应用最成功的方面之一,第三节 金属的超塑性变形,其他超塑成形应用,超塑合金具有和高温聚合物和高温玻璃流动相似的特征,可以采用塑料工业和玻璃工业的成型方法加工，如像吹玻璃那样吹制金属制品，像塑料那样压制精密件，扩大金属成形的应用范围 ，真空成形法 无模拉拔,目前已在多种合金中实现了超塑性，但在实际生产中，由于生产效率等方面的原因，只有那些难热变形、零件形状很复杂、又有重要用途的零部件才考虑采用超塑成型,第三节 金属的超塑性变形,高温合金I
12、NCONEL718的超塑性成形航天器件,双相不锈钢超塑性成形的航天器件,超塑成形应用,获得细晶超塑性的途径 1.冶金学方法：添加一些能够促使早期形核，使组织弥散，并在变形中稳定晶粒的微量元素。此外，还有快速凝固等方法。 2.压力加工方法：采用冷、温、热三种不同温度下的轧制或锻造。 3.热处理方法：包括反复淬火、形变热处理、球化退火等方法。,补充：蠕变,温度高，蠕变加速，热激活控制（位错交截、交滑移）和扩散控制（位错攀移、空位扩散和晶界滑动）加速，高温必须考虑蠕变,蠕变：金属长时间、恒应力下缓慢、持续的形变,蠕变过程中结构变化及其形变机制,蠕变过程中结构变化及其形变机制,1.滑移：新的滑移系统激
13、活，滑移带变粗,2.亚晶形成：多边化过程，亚晶形成,3.晶界滑动：晶界沿着晶界面滑动，晶粒越小引起滑动越大,4.晶界移动：晶界向畸变能高的一方移动,加速蠕变,开始形成裂纹所致，直至断裂,蠕变断裂有低温蠕变的穿晶断裂，断裂前有颈缩，是韧性断裂,蠕变断裂还有沿晶断裂，断裂前很小塑性变形，微量颈缩，是脆性断裂,扩散蠕变,小于屈服应力的极低应力下或脆性材料中，位错滑移不可进行，应力梯度引起的空位扩散流是蠕变的主要机制，称为扩散蠕变,空位源,晶界、扩展位错、亚晶界,提高蠕变强度途径,1.基体强化：主要是固溶强化，提高固溶体耐热性,2.晶界强化,3.沉淀强化,加入合金元素降低层错能，增加扩散激活能，降低攀移速度；合金元素提高原子间结合力，提高基体弹性模量，形成Cotrell其他和铃木气团,高温下晶界滑动发生蠕变，加入晶界吸附元素聚集在晶界，阻碍晶界扩散、滑移和攀移,第二相质点阻碍位错滑移、攀移；增大位错密度形成应变硬化；受到第二相大小、弥散度和稳定性影响,提高蠕变强度途径,强的固溶体，足够弥散第二相，材料处于热力学稳定状态,Ninmonic合金,在Ni基体中加入Cr、Ti、Al、Co降低层错能,Ti、Al形成第二相析出物强化合金，且第二相结构与基体相同，点阵常数相差小，使得质点与基体界面能很小，高温下不易长大,
