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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷材料具有超塑性的原理陶瓷材料的超塑性刘文娣齐鲁工业大学材料科学与工程学院材工10-2班山东济南摘要：虽然陶瓷材料在本质上是一种脆性材料；然而研究已表明细晶陶瓷材料具有超塑性，在高温下能产生很大的拉伸形变。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。通过对超塑性晶界滑移微观机理的解释，了解超塑性产生的原因，进而分析一下陶瓷材料的形变特征参数，最后简单介绍纳米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的发展前景。关键词：陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相变超塑性；陶瓷应用
2、引言：陶瓷材料由于具有优良的性能,如高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨、比重小等,因而得到越来越广泛的应用,尤其适合用于在高温、摩擦和腐蚀介质的场合取代金属部件。陶瓷很容易获得细晶结构，而且结构比较稳定，即使在较高的温度时晶粒长大也不是很明显，这显示了陶瓷具有超塑性变形的潜力，但陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性变形，实现超塑性形变要比金属材料困难得多。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。陶瓷的超塑性要求1.试验温度应达到材料熔化温度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常应小于,并在变形过程中保持恒定应变速率较低。相变超塑性：并不要求具有超细晶粒组织，而是在一定的温度
3、和应力条件下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率。陶瓷材料超塑性变形的结构特征晶界滑动是人们普遍接受的变形机制，从晶界的组织结构出发，可以将晶界滑动分为三种类型：第一，界面结构使晶界上的原子比在晶格内的扩散快得多，这种类型的界面一般来说是大角度晶界；第二种类型，晶界间存在少量液相，如果晶相在液相中有一点溶解度，就可以增强晶间的扩散作用；第三种类型，主要是小角度晶界，推测是晶间位错而产生的超塑性，它具有最大的变形速率，在工艺技术上最有意义。对于受扩散控制的形变过程，高温超塑性形变的特征方程可表达为：bp?AGb()?DkTd?G?.n式中：?为应变速率;A为常数;G为剪切模量;b为伯氏
4、矢量;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;d为晶粒大小;p为晶粒尺寸指数;?为应力;n为应力指数;D为扩散系数。D?D0exp(?Q/RT)，其中D0.为频率因子;Q为激活能;R为气体常数;n，p和Q是描写形变过程的特征参数。在温度和晶粒尺寸不变的条件下，方程还可进一步简化为:?A?或?B?式中B为常数，m=l/n，称为应变速率敏感性因子。通常当m(或n?3)时，由于流动局部化和颈缩受到有效的抑制，材料才能产生明显的超塑性.。晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。晶体形变后，表面出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带
5、，.至于多晶陶瓷，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不容易产生滑移。滑移时存在一位错宽度滑移机制晶体中已滑移的部分和未滑移部分的分界线是以位错作为表征的。但这种分界并不是有一个鲜明的界线，实际上是一过渡区域，这个过渡区域称为位错的宽度，如图所示。位错之所以有一定宽度，是两种能量平衡的结果。从界面能来看，位错宽度越窄界面能越小，但弹性畸变能很高。反之，位错宽度增加，将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样，单位体积内的弹性
6、畸变能减小了。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度越大，位错就越易运动。陶瓷材料的形变特征参数应力指数n，含有玻璃相时一般为2以下.粗晶粒的n=1，属于纯扩散蠕变，是受晶格扩散控制的晶界滑移。n=2时的晶界滑移，是受界面反应控制的扩散；无玻璃相时为3左右；当晶粒尺寸由微米增加到微米时，应力指数由减为高温下的晶粒生长引起应变硬化，含有玻璃相时使流动应力下降，强化了超塑性流动，最大变形量增加，形变温度下降。活化能涉及到变形机理和离子的扩散过程，一般为500-600KJ/mol。随着晶粒尺寸的增加而下降，例如当及晶粒尺寸有增加到微米时，活化能由580降低为500KJ/mol.。在高温超
7、塑性变形过程中，由于晶界滑移在晶界处产生应力集中，当应力集中超过临界值时，空洞就成核。空洞主要在应力集中最严重的三晶交汇处成核，随应变的增大而长大，并沿着晶界发展，部分空洞连结在一起形成裂纹，成为断裂的起源，降低了材料的力学性能。空洞的产生意味着扩散过程来不及松弛晶界滑移所产生的局部应力集中，限制了断裂前的最大变形量。在受压条件下，晶间脆性的影响不能得到有效的反映，晶间空洞和晶界分离或裂纹受到一定程度的压抑，故所表现出的塑性形变不能严格地体现真正的超塑性行为，只能说明具有高的延展性。严格地说，按传统习惯把超塑性限定为材料具有异常大的拉伸延展性。但是过去有许多试验是在受压条件下进行，而且也应用压
8、缩成形，如锻造、挤压等的超塑性加工，故从实际出发，应把异常大的压缩延展性也认为是超塑性.二纳米陶瓷的结构与超塑性纳米陶瓷的显微结构特征是，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是处于纳米量级的水平。超塑性要求晶粒细小，纳米材料完全符合这一要求，预计纳米陶瓷应该具有很好的超塑性。纳米材料的晶界层所占的体积分数可能接近于晶粒的体积，晶界便具有举足轻重的作用，许多界相的结合时不对称和松散的，容易在外力作用下产生相对位移。纳米陶瓷在高温下具有类似于金属的超塑性。扩散系数比普通材料提高了3个数量级，晶粒尺寸降低了3个数量级，扩散蠕变速率高出1012倍。因此，在较低的温度下，纳米陶瓷材料因其高的扩散
9、蠕变速率可对外力作出迅速反应，造成晶界方向的平移，从而出现超塑性。纳米氧化锆陶瓷在1250下，施加不太大的力就约有400%的形变。三陶瓷材料超塑性的发展前景超塑性陶瓷材料的未来应用既取决于它在变形过程中是否成功，也取决于在长期使用中有没有过早破坏的可能性。迄今为止，已经报道过Al2O3。ZrO2和Al2O3-ZrO2陶瓷的热锻造；把Y-TZP烧结坯料锻至净形和完全致密化，挤压加工Y-TZP，扩散连接Y-TZP/Al2O3复合材料。通过对陶瓷材料超塑性的研究，进而可在一些领域如航天等高新技术领域取代金属或金属合金，推动陶瓷材料更广泛的应用。文献：杨斌张小珍Al2O3陶瓷及其复合材料的超塑性研究中
10、国陶瓷工业XX年4月第13卷第2期胡士廉陶瓷材料的超塑性研究中国科学院上海冶金研究所材料物理与化学博士论文XX年叶建东陈楷陶瓷材料的超塑性无机材料学报1998年03期期刊论文：陶瓷材料超塑性研究进展第18卷第4期无机材料学报细晶超塑性学号：学生：肖宇宁细晶超塑性1.前言超塑性是指晶体材料在拉伸时表现出大的应变。一般将材料延伸率超过100%的现象叫做“超塑性”。这个现象在学术上很令人感兴趣，在工业上也有相当大的应用潜力，因为超塑性成形为难变形材料成形为复杂形状的部件提供了可能。通常超塑性现象主要发生在高温下，应变速率?相对较低。超塑性应变速率对工业结构材料的成形来说是极低的，因此超塑性在工业上的
11、应用也受到了限制。Longdon提出了超塑性变形的两个必要的条件：(1)局部缩颈受到限制；(2)空洞内部相互连接受到抑制。由于材料超塑性变形过程复杂,在超塑性变形过程中既有位错运动和物质的扩散,又有晶界的滑动和转动,目前关于超塑性机理尚未形成统一的理论1。按超塑性实现的条件可将超塑性分为：恒温超塑性，也叫细晶超塑。相变超塑性；其它超塑性或者第三类超塑性2。本文主要介绍细晶超塑性及其成型工艺。近年来的大量研究结果表明,细晶超塑性变形的主要机理是扩散蠕变、晶内滑移等协调的晶界滑移。晶界滑移有利于材料在超塑性变形过程中的应力松弛,塑性提高,从而防止裂纹产生;并且其与晶粒转动相配合,有利于保持晶粒的等
12、轴性,降低变形抗力,使晶粒在滑动中保持连续性,晶界滑移所造成的几何不匹配为位错运动和扩散运动等协调过程所消除。研究发现晶粒越细小,其提供可滑动的晶界面积越大,为晶界滑移提供了大量晶界,与此伴生的应力集中也增多,主要集中在晶界及其附近,从而导致晶内位错滑移也集中在晶界附近,起到了协调晶界滑移的作用。同时,晶粒越细小,等轴性越好,产生的空洞尺寸和密度也越小,晶粒的滑动和转动也越容易进行。因此,细晶材料在超塑性变形过程中,晶粒通过晶界滑动和晶粒转动等运动使得晶粒等轴化和晶界圆弧化,并使晶粒逐渐排列到拉伸轴方向,使材料延伸率得到极大提高3。2.细晶超塑性1420铝锂合金的超塑性行为1420铝锂合金具有
13、密度低、比强度高、焊接性能和抗腐蚀性能好等特点,是一种优良的航空航天结构材料。具有细晶组织的1420铝锂合金则表现出了较好的塑性和服役性能而且还可以获得超塑性。鉴于等通道角挤压技术、高压扭转和变形热处理方法(TMP)的局限性,张新明，叶凌英等4采用一种新型形变热处理方法制备1420铝锂合金细晶超塑性板材，得到的晶粒尺寸约为7m。具体为试验方法为试验用材料为厚的1420AI-Li合金热轧板,合金在空气炉中经4752h固溶处理和300/48h过时效,在400加热4h后立即进行轧制,轧辊直径350mm。轧制过程中将样品进行300380/lh的中间退火,并采用转向轧制,即将前一次轧制后板材的横向作为本
14、次的轧制方向,总变形量为45%-82%,道次压下量为10%-20%。最后将轧制样品在盐浴炉内进行510/260min的再结晶退火。将得到的细晶板材在温度范围450-570、应变速率1?10-3s-1和温度525、初始应变速率范围5?10-4-1?10-2s-1条件下进行高温超塑性拉伸,探求了对板材流动行为及组织演变的影响规律。图1(a)和(b)分别给出了经形变热处理后的1420铝锂合金板材在相应条件下拉伸时合金的真应力一真应变曲线。从图中可以看出,主要存在2种形状的应力一应变曲线。在较低的变形温度或较快的初始应变速率条件下,板材在变形初始阶段加工硬化率很高,应力迅速达到峰值,然后较快地减小直至
15、断裂,没有明显的应力稳定流动阶段。这种情况下的加工硬化主要是由位错的增值引起的。而在较高的温度或较慢的应变速率条件下,板材的真应力一真应变曲线出现了明显的稳定流动阶段,流动应力先缓慢达到峰值,然后逐渐下降,应力的大小随应变变化不明显，表现出明显的超塑性变形规律。从图中还可以看出,提高变形温度或降低应变速率都使板材达到峰值应力的应变量增加。在525、应变速率为1?10-3s-1变形条件下,合金延伸率最高为915%。图1温度和应变速率对1420铝锂合金真应力一真应变曲线的影响作者对延伸率最高时的试样组织进行了研究发现：在板材肩部，试样表层和中心层的晶粒尺寸有较小的增长；在板材标距部分，晶粒整个厚度方向在超塑性变形阶段非常均匀，表明中心层的扁平状晶粒在变形过程中，转变为等轴状晶粒。合金细晶超塑性研究Al-Mg系铝合金具有良好的力学性能、抗腐蚀性和焊接成型性,在航天航空工业领域有着广泛的应用潜力。随着现代科技的不断发展,先进飞行器的零部件服役条件苛刻,且构造复杂,要求一体化。许多复杂构件需要采用超塑性成形技术来制造。Al-Mg系铝合金属于热处理不可强化型铝合金,材料组织性能主要是通过合金化、熔铸、形变和退
