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1、第1章,1.1 金属超塑性概况及成形特点 1.1.1 金属超塑性发展概况 1.1.2 超塑性成形的基本特点 1.2 超塑性的分类及影响超塑性的因素 1.2.1 超塑性现象与超塑性指标 1.2.2 超塑性的分类 1.2.3 影响微晶组织超塑性的主要因素 1.3 超塑性变形的微观组织机理 1.3.1 超塑性变形时组织的变化和对力学性能的影响 1.3.2 超塑性变形机理,1.4 超塑性成形工艺与设备 1.4.1 常用超塑性成形的工艺方法 1.4.2 超塑性成形的设备 1.4.3 超塑性成形的摩擦与润滑 1.5 超塑性成形展望,1.1 金属超塑性概况及成形特点,塑性是金属的重要属性之一，它指的是金属在
2、外力作用下，无损而永久地改变形状的能力。“超塑性”就是超出一般塑性指标的金属特性。在常规成形条件下，一些较难成形的金属材料，如钛合金、铝合金、镁合金、镍合金、合金钢等，成形温度范围比较狭窄，流动性比较差。例如作为衡量塑性优劣的一个重要指标伸长率，一般情况下，黑色金属不大于40，有色金属也不超过60(软铝约为50，而金、银一般也只有80)，即使在高温下，也难以达到100。,1.1.1 金属超塑性发展概况,图1-1 Sn-37Pb、Bi-44Sn共晶 合金拉伸后现象,图1-2 吹塑成形的5083铝合金墙面装饰浮雕,1.1.2 超塑性成形的基本特点,图1-3 吹塑成形的Ti-6Al-4V 球形卫星燃
3、料箱,1)金属塑性大为提高过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。 2)金属的变形抗力很小一般超塑性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较大的制件 3)加工精度高超塑性成形加工可获得尺寸精密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制件，其力学性能均匀一致，机械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。,1.2.1 超塑性现象与超塑性指标,图1-5 超塑性材料的真实应力应变曲线,1.2 超塑性的分类及影响超塑性的因素,图1-5 超塑性材料的真实应
4、力应变曲线,图1-6 Ti及Zr合金的伸长率与 m值的关系曲线,1.2.2 超塑性的分类,1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性),一般所指超塑性多属这类，它是目前国内外研究得最多的一种。其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10m，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T0.5Tm(Tm为材料熔点温度，以热力学温度表示)，并且在变形时保持恒定温度；第三个条件是应变速率比较低，一般=10-410-1/s。目前已发现共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在许多的二相合金中相当一部分呈现超塑性。一般说来，晶粒越细越有利于超塑性
5、变形，但对有些材料来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。,2.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性),图1-7 碳钢和轴承钢的伸长率与温度 循环次数n之间的关系 (试验温度幅度：538816；定负荷：=17.6MPa),3.其他超塑性,图1-8 Al-Cu共晶合金520拉伸时晶粒 尺寸对流动应力及m值的影响,24660-1a,1.2.3 影响微晶组织超塑性的主要因素,1.获得细晶粒的途径及晶粒度的影响,(1)冶金学方法 主要是添加一些能够促使早期形核，使组织弥散，并在变形过程中稳定晶粒的微量元素。 (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
6、理方法 包括反复淬火、形变热处理、球化退火等方法。,2.应变速率的影响,图1-9 Mg-Al共晶合金的曲线与m曲线 (变形温度：350，晶粒直径：10.6m),3.温度的影响,图1-10 Zn-Al合金(=22)的 伸长率和m值与变形温度的关系 临界温度 v拉伸速度,24660-1a,图1-11 弥散铜(=95%、=2.8%、 =1.8%、=0.4%)应变速率 及试验温度对m值的影响(平均晶粒尺寸1m),1.3.1 超塑性变形时组织的变化和对力学性能的影响,1.组织的变化,1.3 超塑性变形的微观组织机理,(1)晶粒度的变化 许多研究资料表明，超塑性变形时，晶粒会发生长大，但等轴度基本不变。
7、(2)显微组织的变化 大量研究资料表明，在最佳超塑性应变速率范围内，不形成亚结构，亦未发现有晶内位错或仅有个别位错，在试样抛光表面上不出现滑移线，说明没有位错运动。 (3)空洞的生成 大量的金相资料表明，许多合金在超塑性拉伸变形时会伴生空洞。,24660-1a,图1-12 250拉伸时应变速率对Zn-Al淬火 合金(=22)晶粒尺寸的影响 1=100% 2=200% 3=600%,2.对力学性能的影响,1)超塑性变形后由于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性能。 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，
8、变形后没有残余应力。 3)对超塑性变形后的Zn-Al共析合金，在图1-13中所示的条件下进行压缩试验，发现其硬度随压缩率的增加而降低，即存在所谓加工软化现象，而这是一般材料的压缩试验所没有的。 4)高铬高镍超塑性不锈钢经超塑性成形后，形成微细的双相混合组织，显示出很高的抗疲劳强度。,图1-13 Zn-Al共析合金(=22%)压缩率 与维氏硬度的关系,1.3.2 超塑性变形机理,图1-14 晶界滑动和扩散蠕变联合机理模型,图1-15 晶粒移动的立体模型 1xy平面内原有的晶粒 2从z方向两相邻层移来的晶粒,1.4.1 常用超塑性成形的工艺方法,1.薄板气压/真空成形,1.4 超塑性成形工艺与设备
9、,(1)气压成形 金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。,图1-16 薄板气压成形工装示意图,气压成形特点,1)采用不均匀加热方法，使易变薄的部位先处于较低的温度，后产生变形。 2)利用摩擦条件，使易变薄的部位先与模具上的活动部分接触，以增加摩擦，减小变形。 3)反复成形，即先反向自由胀形，再反向加压使坯料与模具贴靠。 4)采用变厚度坯料。,图1-17 薄板气压/真空成形工艺过程,(2)真空成形 这是一种利用抽真空使处于超塑性状态下的坯料吸附到模具上的工艺方法，如图1-18所示。,1)凸模真空成形。 2)凹模真空成形。,图1-19 薄板气压/真空成形零件
10、示例1,(2)真空成形,图1-18 真空成形 a)凸模真空成形 b)凹模真空成形,2.拉深成形,(1)径向辅助压力拉深 对凸缘上坯料法兰周边施加径向辅助压力，把材料推向中心，这时凸模的作用主要是引导材料流入凹模，拉深筒壁不全部承担成形力，故不易破裂。 (2)差温拉深 采用温度场控制，使凸缘上坯料部分处于超塑性温度而发生超塑性变形；而与凸模接触部分的工件材料则由于冷却而强化，不发生变形。,图1-21 径向辅助压力拉深原理示意图,3.超塑性模锻成形,(1)开式模锻 与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为一体的加热和保温装置。 (2)闭式模锻 闭式模锻在模具结构上不设飞边槽。,4.
11、超塑性挤压成形,一般冷挤压加工时，坯料变形抗力很高，最高可达35MPa以上，所需挤压设备吨位大，要求模具材料强度、耐磨性均很高，对形状复杂的零件，由于应变硬化，还必须多次挤压及中间退火，故冷挤压加工受到限制。超塑性挤压成形是将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形，故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形，省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。,5.超塑性辊压成形,图1-22 超塑性辊压成形工作原理图,图1-23 超塑性辊压成形工作示
12、意图,图1-24 超塑性辊压成形件模拟图 a)成形中的工件 b)最终成形件,24660-1a,5.超塑性辊压成形,图1-25 Ti-6.4Al-2.2Sn-1.9Zr-2Mo-1.1W-0.2Sn合金 辊压成形件径向剖面显微组织,6.超塑性无模拉拔成形,超塑性无模拉拔成形是利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。这项加工技术不但设备简单，而且可以加工成形出用常规塑性加工技术难以成形的零件，如果把计算机程序控制应用于这一方面，发展前
13、景非常广阔。,1.超塑性锻造的设备,(1)超塑性锻造的变形力 超塑性锻造受坯料组织状态和锻造温度、速度、方式(开式模锻、闭式模锻、正反挤压等)以及润滑状况、锻件形状(高径比等)、复杂程度等诸多因素的影响。,1.4.2 超塑性成形的设备,(2)超塑性锻造设备的选择,1)可调速。 2)可保压。 3)大的封闭高度与足够的工作台面。 4)有顶出装置。 5)有温控系统。,图1-26 压力为6.3MN的超塑性锻造液压机简图 1下顶料器 2、3、4齿轮 5垫板 6空心立柱 7螺母 8螺杆 9轴承 10螺母 11螺杆 12外壳 13、14半联轴节 15端盖 16、17液压缸 18上横梁 19立柱 20滑块 21下横梁 22电机减速器装置 23、24、25齿轮,图1-27 超塑性成形机,1.4.3 超塑性成形的摩擦与润滑,(1)模具温度高 模具的高温增强了变形金属和模具接触面上的相互扩散作用，提高了摩擦因数，使变形金属容易向模具表面转移，脱模也更加困难。 (2)应变速率低 应变速率降低使接触面的咬合与润滑剂的挤出更容易，导致了摩擦因数增大。 (3)变形时间长 延长变形时间为金属的氧化和接触面扩散提供了有利条件。,1.5 超塑性成形展望,1）.成形大型金属结构及相关成形设备 2）.陶瓷材料与复合材料的超塑性 3).Al-Li合金的研究 4).工艺过程的数值模拟,
