1超塑性1·1基本定义及发展沿革超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸变形而不破坏的能力 。超塑性合金能产生百分之百甚至百分之几千的拉伸形变,如Higashi等报道了一种铝合金能产生大于5500%的拉伸形变。材料展现超塑性的判据为:延伸率>100%,应变速率敏感性指数m 0·3。超塑性现象最早的报告是在1920年,ROSEN-HZIN等发现Zn-4Cu-7A l合金在低速弯曲时,可以弯曲近180度。1934年,英国的C.P.PEAR-SON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战,这方面的研究没有进行下去。1945年前苏联的A .A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词 。1964年,美国的W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究,并提出了 应变速率敏感性指数m值这个新概念。80年代,超塑性研究遍及材料加工、力学、机械等许多学 科。超塑性可分为3类:(1)细精超塑性,又称组织超塑性,静态超塑性和恒温超塑性。细精超 塑性的组织条件可概括为晶粒三化(微细化、等轴化和稳定化),大多数金属和合金的超塑性属于 这一类,则当今超塑性研究和应用的重点。(2)相变超塑性,又称动态超塑性,即在相变点上下 通过温度循环,加载而积累产生大变形,故又称为环境超塑性。钢铁等常用材料显示相变超塑性, 其研究开发也具有广阔应用前景。(3)其它超塑性(或第三类超塑性),指在消除应力退火过程 中,在应力作用下可以得到的超塑性。1·2超塑性材料目前已知的超塑性金属及合金已有数百种 ,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、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。表1列出了部分工业合金的超塑性性能,可 见其应用范围之广。1·3超塑变形机理超塑变形机理研究一直是一个活跃的领域,虽然尚未有一 个统一的理论,但该领域正酝酿着重大突破。1964年美国学者贝克芬(W.A..Backo fen)对超塑性力学特性进行了分析研究,提出了变形应力σ与应变速率ε的关系方程式:σ= kεm式中k为与材料有关的常数,m为应变速率敏感性指数,它与材料有关,是评价金属超塑性 的力学性的一个指标,并提出了测定材料m值的方法,奠定了超塑性的力学基础.超塑性变形的基 本特征如下:1)力学特征是低应力,高m值,大延伸。2)微观特征是:①发生了大量晶界滑移 和晶界迁移;②晶粒发生转动;③发生了三维晶粒重排;④变形中位错发生在晶界,消失在晶界; ⑤晶界附近有一严重变形区;⑥变形中晶粒长大,尤其在低应变速率时。这些特征是探讨微观机制的基础。20世纪80年代,超塑变形理论集中于晶界滑移模型,有两个很有代表性。表1部分工业合金的超塑性能Tab.1Super plasticity of some industrial alloys合金牌号合金成分T/℃ε/s-1δmax/%mmaxLY12(中)Al-4·9Cu-1·5Mg-0·6Mn 485 4·7×10-4480 0·6LC4(中)Al-5·8Zn-2·16Mg-1·39Cu 500 8·3×10-42 300 0·85LD5(中)Al-2·4Cu-0·8Mg-0·16Si 555 1·6×10-4380 0·657475(美)Al-5·7Zn-2·4Mg-1·5Cu 516 8·3×10-41 200 0·908090(美)Al-2·5Li-1·2Cu-0·85Mg-0·15Zr 520 1·6×10-31 090 0·552091(美)Al-2·2Li-2·6Cu-1·2Mg-0·15Zr 515 8·3×10-41 430 0·65H60(中)Cu-40Zn 627 8·3×10-4525 0·75H62(中)Cu-38Zn 750 3·3×10-41 174 0·65HPb59-1(中)Cu-40Zn-1Pb 620 2×10-4615 0·65TC4(中)Ti-6Al-4V 900 1×10-31 500 0·60CDA619(美)Cu-10Al-4Fe 750 3·3×10-31 000 0·60MgZK60(美)Mg-6Zn-0·5Zr 270 1×10-4>1000 0·54Ni-39Cr-10Fe-2Ti-1Al 816 1·6×10-3>800 0·50MD3球墨铸铁Fe-3C 748 3·3×10-4100 0·50高碳钢Fe-0·8C-0·65Mn-0·1Si 650 1·6×10-3470 0·40RST白口铸铁Fe-3C-1·5Cr 650 1·7×10-4>1000 0·6654422Ti Ti-5Ai-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr 800 1×10-42 000 0·80复合材料2020Al/20%SiGe 100 450 300(1)扩散调节的晶粒转换模型(Ashby-Verrall模型)该模型认为超塑变形的 大延伸是晶粒转换的结果,而提出一个二维晶粒转换模型(见图1)。Ashby-Verral l认为外力所做的功由四个不可逆过程消耗。该模型是一个二维模型,不能解释新表面增加。后来 Gifkins对它进行了改进,提出了三维模型,然没有直接实验证据。(2)位错调节的晶界 滑移模型(Ball-Hutchson模型)Ball和Hutchson用透射电镜观察了Z n-Al共析合金超塑变形后的组织,发现α相中有位错塞积,提出:沿同一直线排列的一组晶粒 滑移,受阻于闭锁晶粒B(见图2),应力集中使晶粒B内位错开动,滑移并塞积在对面晶界,领 先位错在应力集中作用下产生快速扩散,攀进晶界并沿晶界攀到消失地点。而晶粒转动和相邻晶粒 协调,不产生明显的晶粒伸长。Mukerjee认为晶界滑移的主要障碍为晶界台阶,晶粒可以 单独滑移,在台阶处受阻时,晶内位错开动(见图3),弛豫过程和Ball-Hutch-so n模型相同。从80年代开始,许多人曾实测了超塑变形中各变形机制的作用,认为超塑变形是多重机制共同作用的结果。即总应变速率为扩散蠕变、晶界滑移和位错蠕变三种变形机制产生的应变速率ε之和。图1Ashby-Verrall晶粒转换模型Fig.1 Grain transition model of Ashby-Verrall图2 Ball-Hutchson模型Fig.2 Ball-Hutchson model图3 Mukerjee模型Fig.3 Mukerjee model2金属的超塑性成型超塑成型技术是金属材料加工技术的一次重大变革。它的主要特点为 :工艺简单,可生产形状极为复杂的构件;设备简单,吨位小、成本低、节能,尤其适用于形状复 杂的小批构件。由于超塑成型可使多个部件一次整体成型,结构强度明显提高,重量减轻,因此是 当今航空工业中最吸引人的加工新技术之一。超塑性变性的工艺环境主要有两条:其一为变形温度,超塑变形一般要求材料的温度保持在Tc0·5Tm式中:Tc为实现超塑变形的临界温度,Tm为该材料的熔化温度,其=为变形速率,超 塑变性的最大特点是它必须在一定的应变速率ε范围内进行,各种材料都有各自的应变速率ε与δ 、m、σ的关系曲线.比较常用的超塑性成型工艺主要有:1)气胀成型。这是最早利用超塑性的 工艺,目前应用最多。材料在超塑状态下变形抵抗力较低,塑性极好,可像玻璃和塑料一样用气吹 成型,常用于生产薄壁壳体部件,其最大的特点是工艺和设备都很简单。如抛物线状的天线、仪表 壳体及美术浮雕等适于此方法生产制造。2)超塑深拉延。由于超塑材料有极高的塑性,因此,可 将金属板材一次深拉延成筒形零件。该方法可成型高径比很大的筒形件(10),成型后的薄壁均 匀,还可在模腔中再次胀成瓶状部件。3)无模拉伸。即利用材料在超塑状态下具有高抗缩颈能力 ,拉伸变形中变形均匀的特点,可使加热区部分按要求均匀变形。4)超塑等温模锻。此方法充分 利用了超塑材料变形抵抗力低、塑性好的特点,在不改变常规模具和设备的条件下,成型载荷大为 降低,而且材料的填充性能好,对形状复杂的材料成型有非常好的适应性,该方法被广泛用于冷冲 压模具的成型。5)超塑成型/扩散焊接(SPF/DB)。这种方法是充分发挥超塑材料特点的 一种组合技术。材料本身在超塑状态下能高速扩散,超塑成型的同时,也将多个部件扩散焊接成一 个整体,使得结构的重量减轻、强度提高、导热性也增强了,所以被认为是航天、航空工业中最有 潜力的新型技术。6)超塑复合材料。超塑材料本身塑性好,与其他材料复合后可大大提高其整体 性。如纯铝与Zn-22%Al合金复合后,在250℃拉伸时,延伸率从50%提高到400% ,可吹胀成型。同时由于超塑材料高温时扩散能力很强,可用超塑材料作基体,制作颗粒和纤维强 化复合材料。日本大量使用的汽车减震、消音材料即为低碳钢和Zn-Al的复合板,由于该材料 在超塑状态工作时的内耗高,故减震效果明显。7)其他。利用材料在超塑状态下强度低而塑性高 的特点,工程技术人员可实现超塑切削加工。一些难加工材料如镍基合金,在超塑状态下切削,加 工阻力小,工作效率高,表面光洁度和加工工具的寿命也得到了提高。现已发展的几百种超塑合金 ,几乎遍及各合金系。近些年来发现的金属间化合物、复合材料和陶瓷材料经细晶化处理后也有超 塑性为这类高性能、难加工材料的成型开拓了一条新途径。3超塑性成型在一些领域中的应用3· 1陶瓷材料超塑性的研究3·1·1陶瓷材料超塑性的研究进展晶粒细小是结构超塑性的前提。对 于金属材料,通常要求晶粒小于10μm,而对于陶瓷材料,通常要求晶粒小于1μm,与金属相比,陶瓷材料更容易获得细晶结构,而且高温下结构更稳定。然而,陶瓷材料的晶间脆性大大限制了其超塑性潜力。1984年有学
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