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1、第八章 超塑性合金,出现背景 高强度材料可以满足一些耐受性要求较高的部件制造，但加工难度相应也增大了。长期以来，人们一直希望能够很容易地对高强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。随着超塑性合金的出现，这种想象成为了现实。,超塑性现象的定义 年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒毫米时产生以上的延伸率，均属超塑性现象。年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。 年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现多种合金材料具有超塑
2、性。,超塑性合金的定义 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1982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。 最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。,60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、
3、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。到了70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。 现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有1015个牌号，它们的延伸率在2002000之间。如铝锌共晶合金为1000，铝铜共晶合金为1150，纯铝高达6000，碳和不锈钢在150800之间，钛合金在4501000之间。,实现超塑性的主要条件 实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细
4、小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。,一般将金属的超塑性分为两大类： (1)结构超塑性。 这类超塑性的特点是首先要使金属材料具有晶粒尺寸为5m以下的稳定的超细晶粒结构，然后在一定的变形温度(05T熔)、变形速度(应变速率为110-110-4 s -1)下拉伸时，其延伸率即可达到200%2000%。,(2)动态超塑性。 这类超塑性不要求金属具有超细晶粒，但要求金属具有相变或同素异形转变；在载荷作用下，将金属在相变或同素异形转变温度附近反复加热冷却，经过一定次数循环后，即可获得很
5、高的延伸率，因此也称为相变超塑性或环境超塑性。,结构超塑性的特点： 结构超塑性的变形力学特点可归纳为大延伸、无缩颈、低应力和易成形。 (1)大延伸 超塑性金属的特点之一是宏观均匀变形能力极好，抗局部变形能力极大，或者说对缩颈的传播能力很强。拉伸试验的断面收缩率接近100%，延伸率可达百分之几百，甚至达百分之二干。,(2)无缩颈。 超塑性材料的无缩颈是指断口部位的断面收缩率 几乎可达100%。这说明缩颈部位存在应变速率硬化效应，即缩颈部位由于应变速率高而出现了强化，其余未强化的部位继续变形，而使缩颈向外传播，因之可获得特别大的宏观均匀变形。,(3)低应力。 超塑性材料变形过程中的流变抗力很低，只
6、有非超塑性状态下的几分之一或十几分之一，甚至几十分之一。 (4)易成形。 超塑性变形过程中，基本没有或只有微弱的加工硬化现象。超塑性金属材料的流动性、填充性均极佳，易于进行多种形式的塑性成形，例如，体积成形、板材和管材的气压成形、无模拉丝、无模成形等等，这为金属塑性成形技术开辟了一条新途径 。,在微观组织结构上，超塑性变形与一般塑性变形也有很大差别。如从表象上看，超塑性金属变形后，试样表面平滑、无起皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等。金相组织上，变形前的等轴细晶粒超塑性变形后，仍然为等轴晶粒，看不到晶粒被拉长。变形前的柱状晶粒经超塑性变形后变成等轴晶粒，原来具有的带状组织也能在变形后得到减弱甚至消失
7、。,超塑加工具的实用价值 超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。,超塑性的铅合金已经商
8、品化，如英国的Supral 100（A6Cu0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（AL5Ca5Zn）。铝板可在300600时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。 据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等 。,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。 超塑性压力加工方面的应用 超塑性压力加工
9、，属于粘性和不完全粘性加工，对于形状复杂或变形量很大的零件， 都可以一次直接成形。成形的方式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，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。,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、渗碳、渗氮、渗金属等方面都可以应用相变超塑性的原理来增加处理效应。相变超塑性还可以有效的细化晶粒，改善材料品质。,相变超塑性在焊接方面的应用 无论是恒温超塑性和相变
10、超塑性都可以利用其流动特性及高扩散能力进行焊接。 将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，即施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘和，得到牢固的焊接，我们称之为相变超塑性焊接-TSW。这种焊接由于加热温度低（在固相加热），没有一般熔化焊接的热影响区，也没有高压焊接的大变形区，焊后可不经热处理或其它辅助加工，即可应用。 相变超塑性焊接（TSW）所用的材料，可以是钢材、铸铁、Al合金、Ti合金等。焊接对偶可以是同种材料，也可以是异种材料。原则上具有相变点的金属或合金都可以进行超塑性相变焊接。 非金属材料的多形体氧化物，如有代表性的陶瓷，ZrO2，MgAl04/Al203，MgO/BeO，MgCr04等同素异形转变，共晶反应，固溶体反应的材料等都可以发生相变超塑性，可以进行固相焊接。,相变诱发塑性-TRIP的应用 根据TRIP的特性，可在许多方面获得应用。实际上在热处理及压力加工方面已经在不自觉的应用了。例如淬火时用卡具校形，在紧固力并不太高的情况下能控制马氏体转变时的变形，即应时TRIP的作用。有些不锈钢（AISI301）在室温压力加工时可以得到很大的变形，其中就有马氏体的诱发转变。如果在变形过程中能够控制温度、变形速度及应变量，使马氏体徐徐转变，则会得到更良好的效果。 在改善材质方面，有些材料经TRIP加工，可以在强度、塑性和韧性等方面获得很高的综合机械性能。,结束,
