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1、材料加工学超塑性材料加工学超塑性本讲稿第一页，共三十七页金属的超塑性主要内容Main Content塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素超塑性现象本讲稿第二页，共三十七页超塑性现象纳米铜的室温超塑性本讲稿第三页，共三十七页Bi-44SnBi-44Sn挤压材料在慢挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的速拉伸下出现异常大的延伸率延伸率本讲稿第四页，共三十七页高温合金高温合金INCONEL718INCONEL718的超塑性成形航天器件和超塑成形的波的超塑性成形航天器件和超塑成形的波形膨胀节用形膨胀节用TC4TC4钛合金波纹管钛合金波纹管 本讲稿第五页，共三十七页超塑性的概念超超塑塑性性是是指指材材料料
2、在在一一定定的的内内部部（组组织织）条条件件（如如晶晶粒粒形形状状及及尺尺寸寸、相相变变等等）和和外外部部（环环境境）条条件件下下（如如温温度度、应应变变速速率率等等），呈呈现现出出异异常常低低的的流流变变抗抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。一一般般说说来来，如如果果材材料料的的延延伸伸率率超超过过100100，就就可可称称为为超超塑塑性性。凡凡具具有有能能超超过过100100延延伸伸率率的的材材料料，则则称称之之为为超超塑塑性性材材料料。现现代代已已知知的的超超塑塑性性材材料料之之延延伸伸率率最最大大可可超超过过10001000，有
3、的甚至可达，有的甚至可达20002000 本讲稿第六页，共三十七页超塑性的分类组组织织超超塑塑性性或或恒恒温温超超塑塑性性。根根据据材材料料的的组组织织形形态态特特点点也也称称之之为为微微细晶粒超塑性。细晶粒超塑性。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。温温度度：Ts0.5Tm（Ts和和Tm分分别别为为超超塑塑变变形形和和材材料料熔熔点点温温度度的的绝绝对温度）对温度）变形速度：变形速度：10-410-1/s。微微细细晶晶粒粒尺尺寸寸其其范范围围在在0.55m之之间间。一一般般来来说说，晶晶粒粒越越细细越越有有利利于于塑塑性性的的发发展展，但但对对有有些些材材料料
4、来来说说（例例如如Ti合合金金）晶晶粒粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。由由于于超超塑塑性性变变形形是是在在一一定定的的温温度度区区间间进进行行的的，因因此此即即使使初初始始组组织织具具有有微微细细晶晶粒粒尺尺寸寸，如如果果热热稳稳定定性性差差，在在变变形形过过程程中中晶晶粒粒迅迅速速长长大大的的话话，仍不能获得良好的超塑性。仍不能获得良好的超塑性。本讲稿第七页，共三十七页相变超塑性或变态超塑性相变超塑性或变态超塑性这这类类超超塑塑性性，并并不不要要求求材材料料有有超超细细晶晶粒粒，而而是是在在一一定定的的温温度度和和负负荷荷条条件下，经过多次的循环相变
5、或同素异形转变获得大延伸。件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。如如碳碳素素钢钢和和低低合合金金钢钢，加加以以一一定定的的负负荷荷，同同时时于于A1、3温温度度上上下下施施以以反反复复的的一一定定范范围围的的加加热热和和冷冷却却，每每一一次次循循环环发发生生（ag）的的两两次次转转变变，可可以以得得到到两两次次均均匀匀延延伸伸。D.Oelschlgel等等用用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试验表明，延伸率可达到等钢种试验表明，延伸率可达到500%以上。以上。变变形形的的特特点点：初初期期时时每每一一次次循循环环的的变变形形量量比比较较小小，而而在在一一定定次
6、次数数之之后后，例例如如几几十十次次之之后后，每每一一次次循循环环可可以以得得到到逐逐步步加加大大的的变变形形，到断裂时，可以累积为大延伸。到断裂时，可以累积为大延伸。本讲稿第八页，共三十七页其它超塑性其它超塑性 在在消消除除应应力力退退火火过过程程中中，在在应应力力作作用用下下可可以以得得到到超超塑塑性性。Al-5%Si及及Al-4%Cu合合金金在在溶溶解解度度曲曲线线上上下下施施以以循循环环加加热热可可以以得得到到超超塑塑性性，根根据据Johnson试试验验，在在具具有有异异向向性性热热膨膨胀胀的的材材料料如如U，Zr等等，加加热热时时可可有有超超塑塑性性，称称为为异异向向超超塑塑性性。有
7、有人人把把a-U在在有有负负荷荷及及照照射射下下的的变变形形也也称称为为超超塑塑性性。球球墨墨铸铸铁铁及及灰灰铸铸铁铁经经特特殊殊处处理理也也可可以以得得到超塑性。到超塑性。本讲稿第九页，共三十七页超塑性的历史及发展超塑性的历史及发展 超超 塑塑 性性 现现 象象 最最 早早 的的 报报 道道 是是 在在 19201920年年，德德 国国 人人 罗罗 申申 汉汉（N.RosenhaimN.Rosenhaim）等等发发现现Zn-4Cu-7AlZn-4Cu-7Al合合金金在在低低速速弯弯曲曲时时，可可以以弯弯曲曲近近180180度度。19341934年年，英英国国的的C.P.PearsonC.P.
8、Pearson发发现现Pb-SnPb-Sn共共晶晶合合金在室温低速拉伸时可以得到金在室温低速拉伸时可以得到2000%2000%的延伸率。的延伸率。19451945年年前前苏苏联联的的A.A.BochvarA.A.Bochvar等等发发现现Zn-AlZn-Al共共析析合合金金具具有有异异常常高高的的延延伸伸率率并并提提出出“超超塑塑性性”这这一一名名词词。19641964年年，美美国国的的W.A.BackofenW.A.Backofen对对Zn-AlZn-Al合合金金进进行行了了系系统统的的研研究究，并并提提出出了了应应变变速速率率敏敏感感性性指指数数mm值值这这个个新新概概念念，为为超超塑塑性
9、性研研究究奠奠定定了了基基础础。上上世世纪六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。纪六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。本讲稿第十页，共三十七页特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的获得了较为广泛的应用。一些超塑性的ZnZn合金、合金、AlAl合金、合金、TiTi合金、合金、CuCu合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和
10、在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。本讲稿第十一页，共三十七页近近年年来来超超塑塑性性在在我我国国和和世世界界上上主主要要的的发发展展方方向向主主要要有有如如下下三三个个方面：方面：先先进进材材料料超超塑塑性性的的研研究究，这这主主要要是是指指金金属属基基复复合合材材料料、金金属属间间化化合合物物、陶陶瓷瓷等等材材料料超超塑塑性性的的开开发发，因因为为这这些些材材料料具具有有若若干干优优异异的的性性能能，在在高高技技术术领领域域具具有有广广泛泛的的应应用用前前景景。然然而而这这些
11、些材材料料一一般般加加工工性性能能较较差差，开开发发这这些些材材料料的的超超塑塑性性对对于于其其应应用具有重要意义用具有重要意义 ；高高速速超超塑塑性性的的研研究究，提提高高超超塑塑变变形形的的速速率率，目目的的在在于于提提高高超超塑塑成成形形的的生产率生产率 ；研研究究非非理理想想超超塑塑材材料料（例例如如供供货货态态工工业业合合金金）的的超超塑塑性性变变形形规规律律，探探讨讨降降低低对对超超塑塑变变形形材材料料的的苛苛刻刻要要求求，而而提提高高成成形形件件的的质质量量，目目的的在在于于扩扩大大超超塑塑性性技技术术的的应应用用范范围围，使使其其发发挥挥更更大的效益。大的效益。本讲稿第十二页，
12、共三十七页典型的超塑性材料典型的超塑性材料目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，按基体区分，有按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。部分典型的超塑性合金见下表部分典型的超塑性合金见下表 本讲稿第十三页，共三十七页合金成分（合金成分（Wt%）m延伸率延伸率(%)变形温度（变形温度（）共析合金Zn-22Al0.51500200300共晶合金Zn-5Al0.480.5300200360Al-33Cu0.9
13、500440520Al-Si120450Cu-Ag0.53500675Mg-33Al0.852100350400Sn-38Pb0.59108020Bi-44Sn19502030Pb-Cd0.35800100本讲稿第十四页，共三十七页Al基合金基合金Al-6Cu-0.5Zr0.518002000390500Al-25.2Cu-5.2Si0.431310500Al-4.2Zn-1.55Mg0.9100530Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr0.91550550Al-8Zn-1Mg-0.5Zr1000Al-33Cu-7Mg0.72600420480Al-Zn-Ca267500Cu基合金
14、Cu-9.5Al-4Fe0.64770800Cu-40Zn0.64515600本讲稿第十五页，共三十七页Fe-C合金（钢铁）合金（钢铁）Fe-0.8C210250680Fe-(1.3,1.6,1.9)C470530640GCr150.42540700Fe-1.5C-1.5Cr1200650Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V817650AISI01(0.8C)0.51200650521600.61220650高级合金901400900950Ti-6Al-4V0.8510008001000本讲稿第十六页，共三十七页高级合金高级合金IN744Fe-6.5Ni-26Cr0.51000950Ni
15、-26.2Fe-34.9Cr-0.58Ti0.51000795855IN1000.510001093纯金属Zn（商业用）0.24002070Ni225820U7000.4210001035Zr合金0.5200900Al商业用）6000(扭转)377577本讲稿第十七页，共三十七页超塑性的力学特征流动应力流动应力在在超超塑塑性性材材料料中中，流流动动应应力力特特别别敏敏感感于于应应变变速速率率。如如图图所所示示，用用对对数数坐坐标标表表示示的的流流动动应应力力与与应变速率的关系曲线呈应变速率的关系曲线呈“S S”形。形。Mg-Al共晶合金的应变速率与共晶合金的应变速率与(a)流动应力流动应力(b
16、)敏感系数敏感系数m的关系的关系本讲稿第十八页，共三十七页应变速度敏感性系数：应变速度敏感性系数：应应变变速速率率与与流流动动应应力力曲曲线线可可划划分分为为三三个个区区域域，即即低低应应变变速速率率区区、高应变速率区高应变速率区和超塑性区和超塑性区，在，在区和区和区中区中m0.3。本讲稿第十九页，共三十七页流流动动应应力力对对温温度度十十分分敏敏感感。提提高高变变形形温温度度将将发发生生如如图图所所示示的的变变化化本讲稿第二十页，共三十七页随着温度的升高：随着温度的升高：流流动动应应力力的的水水平平将将普普遍遍下下降降，但但在在高高应应变变速速率率时时的的变变化化不不如如低应变时显著低应变时
17、显著m的最大峰值升高，并移向高应变速率区的最大峰值升高，并移向高应变速率区在在最最大大应应变变速速率率和和最最小小应应变变速速率率这这两两端端，m值值对对温温度度的的敏敏感感性性较较差差，即即在在接接近近蠕蠕变变变变形形区区及及普普通通热热加加工工区区，m值值对对温度的敏感性较差温度的敏感性较差/区和区和/区之间的过渡向高应变速率方向移动区之间的过渡向高应变速率方向移动本讲稿第二十一页，共三十七页晶晶粒粒的的大大小小对对流流动动应应力力及及m值值也也有有明明显显的的影影响响。一一般般来来说说，具具有有良良好超塑性的起始晶粒度一般应好超塑性的起始晶粒度一般应10m，最好是，最好是5m。本讲稿第二
18、十二页，共三十七页晶粒越细小：晶粒越细小：除除区区外外，在在所所有有应应变变速速率率条条件件下下，流流动动应应力力都都下下降降，特别是在低应变速率下更为明显；特别是在低应变速率下更为明显；区和区和区的过渡推向高应变速率范围；区的过渡推向高应变速率范围；mm的最大峰值增加，并移向高应变速率区的最大峰值增加，并移向高应变速率区本讲稿第二十三页，共三十七页应变速率敏感性指数应变速率敏感性指数mm的物理意义的物理意义应应变变速速率率敏敏感感性性指指数数mm是是材材料料超超塑塑性性的的一一个个重重要要参参数数，它它表表征征金金属属抵抵抗抗颈颈缩缩的的能能力力，高高的的mm值值使使抵抵抗抗颈颈缩缩的的能能
19、力增加。力增加。其其理理论论意意义义是是：产产生生颈颈缩缩的的部部位位应应变变速速率率增增加加，由由于于高高的的流流动动应应力力应应变变速速率率敏敏感感性性，需需要要更更高高的的应应力力。在在试试样样其其余余部部分分没没有有继继续续塑塑性性变变形形的的情情况况下下，外外加加应应力力不不足足以以使颈缩发展。使颈缩发展。本讲稿第二十四页，共三十七页超塑性的组织特征试试验验研研究究结结果果表表明明，于于超超塑塑性性变变形形时时晶晶粒粒的的等等轴轴性性保保持持不不变变，并并在在变变形形后后通通常常可可以以看看到到晶晶粒粒有有些些长长大大。在在正正常常微微细细晶晶粒粒超超塑塑性性显显微微组组织织中中在在
20、500500的的应应变变下下晶晶粒粒尺尺寸寸可可能能增增加加5050或或100100。有有人人在在SnSn5 5BiBi合合金金上上发发现现，延延伸伸率率达达10001000时时，晶晶粒粒仍仍保保持持等等轴轴并并发发现现晶晶粒粒长长大大了了好好几几倍。倍。本讲稿第二十五页，共三十七页对对某某些些材材料料，如如a ab b黄黄铜铜、AlAl黄黄铜铜，AI-Zn-Mg-CrAI-Zn-Mg-Cr合合金金等等的的超超塑塑性性拉拉伸伸中中也也发发现现有有空空洞洞出出现现。试试验验证证明明，空空洞洞的的数数量量和和尺尺寸寸随随应应变变速速率率的的增增大大而而增增多多。随随着着真真实实应应变变的的增增加加
21、，空空洞数目也增多。洞数目也增多。一一般般认认为为空空洞洞是是由由晶晶界界滑滑移移引引起起的的，所所以以在在区区内内因因晶晶界界滑移对塑性变形的作用最大，其空洞速率也就最大。滑移对塑性变形的作用最大，其空洞速率也就最大。试试验验结结果果还还表表明明，当当材材料料在在超超塑塑性性变变形形过过程程中中形形成成大大面面积空洞时，其相互连接将导致材料的最终断裂。积空洞时，其相互连接将导致材料的最终断裂。本讲稿第二十六页，共三十七页超塑性的机理一、空位一、空位迁移过程理论迁移过程理论空空位位迁迁移移过过程程即即为为空空位位蠕蠕变变过过程程，它它是是指指空空位位在在应应力力梯梯度度的的作作用用下下引引起起
22、的的迁迁移移，也也就就是是原原子子的的迁迁移移（扩扩散散）。金金属属的的蠕蠕变变变变形形规规律律就就是是用用这这种种原原子子的的扩扩散散来来解解释释的的。如如图图所所示示，在在拉拉应应力力作作用用下下，空空位位扩扩散散到到平平行行于于拉拉伸伸轴轴的的晶晶界界，而而与与此此相相应应，原原子子向向垂垂直直于于拉拉伸伸轴的晶界扩散，由此而使晶体发生变形。轴的晶界扩散，由此而使晶体发生变形。本讲稿第二十七页，共三十七页如如图图所所示示，在在应应力力作作用用下下的的蠕蠕变变或或扩扩散散蠕蠕变变示示意意图图，原原于于通通过过晶晶格格按按箭箭头头所所指指的的方方向向扩扩散散，伴伴随随一一个个相相反反的的空空
23、位位的的流流动动。虚虚线线勾勾划划的的晶晶粒粒在在应应力力方方向向伸伸长长，影影格格区区表表示示被被扩扩散散物物质质的的量量本讲稿第二十八页，共三十七页二、晶间滑移理论二、晶间滑移理论在在此此理理论论中中，设设想想晶晶界界似似如如晶晶体体间间的的流流动动层层，并并且且晶晶粒粒越越细小，越接近于完全无序（非晶体）的流动状态。细小，越接近于完全无序（非晶体）的流动状态。实实际际上上，这这种种理理想想的的层层流流是是不不大大可可能能存存在在的的。因因为为即即使使是是超超塑塑性性材材料料，滑滑动动也也不不能能连连续续地地产产生生于于晶晶界界，而而不不伴伴有有一一些些晶晶内内变变形形。因因此此，塑塑性性
24、流流动动与与一一般般的的层层流流是是有有区区别的。别的。本讲稿第二十九页，共三十七页Zn-Al合合金金超超塑塑性性变变形形时时Zn相相(b)与与Al相相(a)的的转转换换机构机构本讲稿第三十页，共三十七页三、再结晶过程理论三、再结晶过程理论有人建议，动态再结晶对解释超塑性变形中的等轴晶粒的形成是有人建议，动态再结晶对解释超塑性变形中的等轴晶粒的形成是一项重要内容。特别是，超塑性变形一般是在再结晶温度以上进一项重要内容。特别是，超塑性变形一般是在再结晶温度以上进行，类似通常所说的热变形过程，所以再结晶过程理论可以容易行，类似通常所说的热变形过程，所以再结晶过程理论可以容易地被接受。但是有人认为，
25、在超塑性变形中一般不能发生再结晶。地被接受。但是有人认为，在超塑性变形中一般不能发生再结晶。有些迹象表明，在少数特殊情况下，再结晶可能是重要的。有人认有些迹象表明，在少数特殊情况下，再结晶可能是重要的。有人认为，在超塑性变形中有晶粒细化现象发生，这能够用再结晶来解释。为，在超塑性变形中有晶粒细化现象发生，这能够用再结晶来解释。也有人认为，对多数材料来讲，再结晶似乎是不重要的。也有人认为，对多数材料来讲，再结晶似乎是不重要的。本讲稿第三十一页，共三十七页超塑性的应用由由于于金金属属在在超超塑塑状状态态具具有有异异常常高高的的塑塑性性，极极小小的的流流动动应应力力，极极大大的的活活性性及及扩扩散散
26、能能力力，可可以以在在很很多多领领域域中中应应用用，包包括括压压力力加加工工、热热处处理理、焊焊接接、铸铸造造、甚甚至至切切削削加加工工等等方面。方面。自自七七十十年年代代初初期期，具具有有超超塑塑性性的的金金属属材材料料在在工工业业上上逐逐渐渐得得到到引引人人注注目目的的应应用用。据据报报导导，在在日日本本、美美、英英、德德等等国国已已有有专专门门生生产产超超塑塑性性材材料料的的企企业业。对对细细晶晶超超塑塑性性材材料料，在在电电子子工工业业中中已已在在大大量量地地使使用用。对对相相变变超超塑塑性性材材料料，也也有有良良好好的的发发展展前前景景，例例如如不不锈锈钢钢、钛钛合合金金等等材材料料
27、在在汽汽车车工工业业和和部部分分国国防防工工业业获得了良好的应用。获得了良好的应用。本讲稿第三十二页，共三十七页一、无模拉伸一、无模拉伸如如图图所所示示，这这种种拉拉伸伸方方法法巧巧妙妙地地利利用用了了材材料料的的超超塑塑性性，在在拉拉伸伸时时，根根据据超超塑塑性性材材料料对对温温度度和和变变形形速速度度的的敏敏感感性性，用用一一感感应应线线圈圈控控制制加加热热温温度度使使工工件件进进行行局局部部加加热热，并并在在拉拉伸伸时时对对拉拉拔速度加以控制。拔速度加以控制。在在拉拉伸伸过过程程中中可可利利用用不不同同形形状状的的感感应应线线圈圈，通通过过控控制制感感应应热的大小或断续，制出任意断面的各
28、种形状的管材、棒材。热的大小或断续，制出任意断面的各种形状的管材、棒材。本讲稿第三十三页，共三十七页无模拉伸超塑性材料示意图无模拉伸超塑性材料示意图本讲稿第三十四页，共三十七页二、板料冲压二、板料冲压板板料料冲冲压压是是最最适适宜宜的的超超塑塑成成形形的的方方法法之之一一。如如图图所所示示，板板料料冲冲压成形的一例。这是一种借助于栓塞顶头的成型方法。压成形的一例。这是一种借助于栓塞顶头的成型方法。本讲稿第三十五页，共三十七页三、其他三、其他通通讯讯卫卫星星地地面面接接收收站站的的抛抛物物面面体体，曲曲面面形形状状精精度度要要求求很很高高，用用板板材材冷冷冲冲压压不不但但冲冲压压力力要要很很大大
29、，而而且且由由于于材材料料反反弹弹，制制品品与与模模具具形形状状不不一一，要要求求多多次次矫矫正正修修改改才才能能接接近近理理论论值值。采采用用超超塑塑成成型型，压压力力大大大大减减小小，制制品品与与模模具具形形面非常接近误差很小，一次成型，效果很好。面非常接近误差很小，一次成型，效果很好。人人造造卫卫星星上上使使用用的的钛钛合合金金燃燃料料箱箱为为中中空空球球体体，壁壁厚厚0.75-1.5mm0.75-1.5mm，采采用用常常规规方方法法几几乎乎无无法法成成形形，采采用用超超塑塑成形，很顺利制成。成形，很顺利制成。本讲稿第三十六页，共三十七页金金属属基基复复合合材材料料、陶陶瓷瓷材材料料和和
30、金金属属间间互互化化物物近近年年来来在在高高新新技技术术领领域域获获得得了了特特别别的的青青睐睐，因因为为它它们们普普遍遍的的有有重重量量轻轻、强强度度大大、耐耐高高温温、抗抗磨磨损损等等一一系系列列优优点点，但但它它们们也也有有一一个个共共同同的的特特点点，即即很很难难加加工工，冷冷热热加加工工都都很很难难，这这使使它它们们的的推推广广应应用用受受到到了了限限制制。但但超超塑塑性性变变形形为为这这些些难难加加工工材材料料的的成成型型获获得得了了一一条条捷捷径径，可可一一次次超超塑塑成成型型为为成成品品，避避免免了了很很多多困困难难的的加加工工工序，为其应用发展大开方便之门。工序，为其应用发展大开方便之门。本讲稿第三十七页，共三十七页