塑性成型原理（第七節(jié)超塑性）

1、上節(jié)主要內(nèi)容回顧上節(jié)主要內(nèi)容回顧 碳含量對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響碳含量對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響 （退火狀態(tài)）（退火狀態(tài)） 碳鋼的塑性隨溫度變化圖碳鋼的塑性隨溫度變化圖 上節(jié)主要內(nèi)容回顧上節(jié)主要內(nèi)容回顧 包套鐓粗包套鐓粗 用摔子拔長(zhǎng)用摔子拔長(zhǎng) 上節(jié)主要內(nèi)容補(bǔ)充上節(jié)主要內(nèi)容補(bǔ)充 基于紅外熱像技術(shù)的金屬材料疲勞基于紅外熱像技術(shù)的金屬材料疲勞 性能研究方法性能研究方法 思考思考 Ti3Al合金合金 加載溫度加載溫度920920，變形速度，變形速度5 51010-5 -5/s /s，應(yīng)力，應(yīng)力35MPa35MPa 奇特的塑性變形現(xiàn)象奇特的塑性變形現(xiàn)象 l1920年年 德國(guó)人德國(guó)人N.Rosenhaim （一）超

2、塑性的概念與特征（一）超塑性的概念與特征 l1945年，前蘇聯(lián)包赤伐爾（包奇瓦爾）針對(duì)年，前蘇聯(lián)包赤伐爾（包奇瓦爾）針對(duì) 這一現(xiàn)象，正式提出這一現(xiàn)象，正式提出“超塑性超塑性”術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)。 l1928年，英國(guó)物理學(xué)家森金斯：凡金屬在適當(dāng)年，英國(guó)物理學(xué)家森金斯：凡金屬在適當(dāng) 的溫度下變得像軟糖一樣柔軟，其應(yīng)變速度為每的溫度下變得像軟糖一樣柔軟，其應(yīng)變速度為每 秒秒10毫米時(shí)產(chǎn)生毫米時(shí)產(chǎn)生300以上的延伸率。以上的延伸率。 金屬和合金具有金屬和合金具有超常超常的的均勻變形均勻變形能力，其延能力，其延 伸率可達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千。伸率可達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千。 1.1.概念概念 （1

3、）大延伸大延伸：拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)，Zn-22%Al，250 ，5mm/min， 延伸率延伸率3120%（變形穩(wěn)定性極好）；（變形穩(wěn)定性極好）； （2）小應(yīng)力小應(yīng)力：Zn-22%Al Ti-6Al-4V GCr15 （3）無(wú)縮頸無(wú)縮頸：截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象，截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象， 截面收縮率截面收縮率100%； 2MPa 1.5MPa 30MPa 2.2.超塑性變形宏觀特征超塑性變形宏觀特征 銅的應(yīng)力銅的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 頸縮頸縮 無(wú)頸縮無(wú)頸縮 （1）大延伸大延伸：拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)，Zn-22%Al，250 ，5mm/min， 延伸率延伸率3120

4、%； （2）小應(yīng)力小應(yīng)力：Zn-22%Al Ti-6Al-4V GCr15 （3）無(wú)縮頸無(wú)縮頸：截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象，截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象， 截面收縮率截面收縮率100%； （4）易成型易成型：無(wú)加工硬化現(xiàn)象，流動(dòng)性和填充性好。無(wú)加工硬化現(xiàn)象，流動(dòng)性和填充性好。 2MPa 1.5MPa 30MPa 2.2.超塑性變形的特征超塑性變形的特征 （1）延伸率）延伸率 （有色金屬（有色金屬200%，黑色金屬，黑色金屬100%， 脆性金屬超過(guò)脆性金屬超過(guò) 原來(lái)幾倍）；原來(lái)幾倍）； （2）晶界滑移引起的應(yīng)變占總應(yīng)變的）晶界滑移引起的應(yīng)變占總應(yīng)變的30%以上；以上； （3

5、）應(yīng)變速率敏感性系數(shù)應(yīng)變速率敏感性系數(shù)m0.3m0.3 。 3.3.如何判斷是否呈現(xiàn)超塑性如何判斷是否呈現(xiàn)超塑性 （二）超塑性的種類(lèi)（二）超塑性的種類(lèi) 1.1.恒溫超塑性（第一類(lèi)超塑性）恒溫超塑性（第一類(lèi)超塑性） 特點(diǎn)：晶粒特點(diǎn)：晶粒超細(xì)化超細(xì)化（0.5-5m），），等軸化等軸化 組織熱組織熱穩(wěn)定性穩(wěn)定性 一定溫度范圍（一定溫度范圍（T=0.5Tm） 一定變形速率（一定變形速率（ ） 鈦合金和鋁合金晶粒幾十微米鈦合金和鋁合金晶粒幾十微米 機(jī)制機(jī)制: 晶粒移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)晶粒移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng) 10-410-1m/s 2. 2. 相變超塑性（變溫相變超塑性（變溫/ /第二類(lèi)第二類(lèi)/ /動(dòng)態(tài)）動(dòng)態(tài)） 組織特點(diǎn)：

6、相變組織特點(diǎn)：相變 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 控制因素：控制因素：溫度幅度溫度幅度 溫度循環(huán)率溫度循環(huán)率 機(jī)制機(jī)制: 靠同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變誘發(fā)材料的高塑性，在應(yīng)力靠同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變誘發(fā)材料的高塑性，在應(yīng)力 作用下每次相變將得到一次跳躍式均勻變形，在相作用下每次相變將得到一次跳躍式均勻變形，在相 變溫度附近的多次熱循環(huán)即可累積得到大的變形量變溫度附近的多次熱循環(huán)即可累積得到大的變形量 3. 其它超塑性其它超塑性 短暫超塑性短暫超塑性 相變誘發(fā)超塑性相變誘發(fā)超塑性 高應(yīng)變率超塑性高應(yīng)變率超塑性 電致超塑性電致超塑性 碳鋼和軸承鋼的延伸率與溫度碳鋼和軸承鋼的延伸率與溫度 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)n n之間的關(guān)系之間的

7、關(guān)系 （試驗(yàn)溫度幅度：（試驗(yàn)溫度幅度：538-816538-816度度 定負(fù)荷：定負(fù)荷：17.5MPa17.5MPa） 球墨鑄鐵相變超塑性與溫度循環(huán)球墨鑄鐵相變超塑性與溫度循環(huán) 的關(guān)系的關(guān)系 （試驗(yàn)溫度：（試驗(yàn)溫度：700-800700-800度，循環(huán)速度，循環(huán)速 度：度：5 5度度/ /分，定負(fù)荷：分，定負(fù)荷：1-12MPa1-12MPa， 2-8MPa2-8MPa） 超塑性材料的應(yīng)力超塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 （三）超塑性的力學(xué)和組織特征（三）超塑性的力學(xué)和組織特征 1.1.變形力學(xué)特征變形力學(xué)特征 m K . . loglogddm l由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超塑性變形表現(xiàn)對(duì)變形速率極其敏感

8、。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超塑性變形表現(xiàn)對(duì)變形速率極其敏感。 為為1，牛頓黏性流動(dòng)公式，牛頓黏性流動(dòng)公式， K是黏性系數(shù)；是黏性系數(shù)； 為為0.020.2,普通金屬；普通金屬； 為為0.30.9，超塑性材料。，超塑性材料。 真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力； 決定與實(shí)驗(yàn)條件的材料常數(shù)；決定與實(shí)驗(yàn)條件的材料常數(shù)； 應(yīng)變速率；應(yīng)變速率； 應(yīng)變速率敏感指數(shù)。應(yīng)變速率敏感指數(shù)。 K . m m m m 應(yīng)變速率敏感性指數(shù)應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m m是什么？是什么？ 真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S S曲線曲線 ， lg lg 123 lgd lgd 真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的真實(shí)流動(dòng)應(yīng)

9、力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S S曲線曲線 ， Al-Mg共晶合金共晶合金 （變形溫度：（變形溫度：350 ，晶粒直徑：，晶粒直徑：10.6m） l dl A dA - dtl dl dt d . 1 體積不變：體積不變： 0AdlldA VAl l dl A dA - dt 1 A dA - Adt dA - 1 2 APK m / . 1 m -m A P dt dA 1 1 1 K m值的物值的物 理意義理意義ml 越大，越大， 隨著隨著 增大而急劇增大增大而急劇增大 . l反映了抑制局部出現(xiàn)縮頸的能力反映了抑制局部出現(xiàn)縮頸的能力 均勻變形均勻變形 第二相晶粒能阻礙母相第二相晶粒能阻礙母相 晶

10、粒的長(zhǎng)大，而母相也晶粒的長(zhǎng)大，而母相也 阻礙第二相的長(zhǎng)大。阻礙第二相的長(zhǎng)大。 變形過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的速度要慢，變形過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的速度要慢， 充分的熱變形持續(xù)時(shí)間。充分的熱變形持續(xù)時(shí)間。 2.2.組織特征組織特征 晶粒極細(xì)晶粒極細(xì) 等軸晶等軸晶 （1） （0.5-5m） （2） 雙相雙相 （共析或共晶）（共析或共晶） 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性（3） （1 1）高溫超塑性）高溫超塑性 鋁合金超塑性鋁合金超塑性 細(xì)晶鋁合金細(xì)晶鋁合金0.8Tm（473 ） （2 2）低溫超塑性）低溫超塑性細(xì)晶鋁合金細(xì)晶鋁合金0.5Tm（194 ） 攪拌摩擦焊（攪拌摩擦焊（FSWFSW）原理）原理 攪拌摩擦加工攪拌摩擦加工 鋁

11、合金超塑性鋁合金超塑性 （1 1）高溫超塑性）高溫超塑性細(xì)晶鋁合金細(xì)晶鋁合金0.8Tm（473 ） （2 2）低溫超塑性）低溫超塑性細(xì)晶鋁合金細(xì)晶鋁合金0.5Tm（194 ） 金屬間化合物金屬間化合物NiNi3 3AlAl超塑性組織變化超塑性組織變化 （四）超塑性變形機(jī)理（四）超塑性變形機(jī)理 體積擴(kuò)散線體積擴(kuò)散線 晶界擴(kuò)散線晶界擴(kuò)散線 （五）影響細(xì)晶超塑性的因素（五）影響細(xì)晶超塑性的因素 溫度對(duì)溫度對(duì) - 和和 m- 曲線影響示意圖曲線影響示意圖 Zn-22%Al合金的延伸率和合金的延伸率和 m值與變形溫度的關(guān)系值與變形溫度的關(guān)系 T=0.5Tm 流變應(yīng)力低流變應(yīng)力低 超塑性變形區(qū)域?qū)挸苄宰?/p>

12、形區(qū)域?qū)?M峰值增加峰值增加 延伸率提高延伸率提高 d10微米微米 流變應(yīng)力低流變應(yīng)力低 超塑性變形區(qū)域?qū)挸苄宰冃螀^(qū)域?qū)?m峰值增加峰值增加 Al-Cu共晶合金520度時(shí)晶粒尺寸對(duì) 流動(dòng)應(yīng)力即m值的影響 =10-410-1 min-1 兩相分布愈均勻，兩相的體積比愈接近于兩相分布愈均勻，兩相的體積比愈接近于1， 熱穩(wěn)定性愈好熱穩(wěn)定性愈好 （六）超塑性變形時(shí)組織變化和性能影響（六）超塑性變形時(shí)組織變化和性能影響 晶粒：晶粒： 顯微組織：顯微組織： 產(chǎn)生空洞：產(chǎn)生空洞： 晶粒沒(méi)有被拉長(zhǎng)，仍保持等軸晶晶粒沒(méi)有被拉長(zhǎng)，仍保持等軸晶 狀態(tài)，晶粒度部分長(zhǎng)大；狀態(tài)，晶粒度部分長(zhǎng)大； 幾乎沒(méi)有位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)，

13、織構(gòu)不發(fā)達(dá)；幾乎沒(méi)有位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)，織構(gòu)不發(fā)達(dá)； 由于晶界的滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及晶?；剞D(zhuǎn)，在由于晶界的滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及晶?；剞D(zhuǎn)，在 晶界或相界處形成空隙和裂紋，僅存在晶界或相界處形成空隙和裂紋，僅存在 于試樣的表面。于試樣的表面。 不產(chǎn)生各向異性，具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能不產(chǎn)生各向異性，具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能 （細(xì)小等軸晶粒、無(wú)織構(gòu)）（細(xì)小等軸晶粒、無(wú)織構(gòu)） 沒(méi)有殘余應(yīng)力沒(méi)有殘余應(yīng)力 （溫度穩(wěn)定、變形緩慢、不存在彈性畸變能）（溫度穩(wěn)定、變形緩慢、不存在彈性畸變能） 產(chǎn)生加工軟化現(xiàn)象產(chǎn)生加工軟化現(xiàn)象 （Zn-Al共析合金，硬度隨著壓縮率增加而降低）共析合金，硬度隨著壓縮率增加而降低） 具有微細(xì)雙相混合組織，較高的抗疲勞強(qiáng)度具有微細(xì)雙相混合組織，較高的抗疲勞強(qiáng)度 （高鉻高鎳超塑性不銹鋼）（高鉻高鎳超塑性不銹鋼） （七）超塑性的應(yīng)用（七）超塑性的應(yīng)用 1.1.無(wú)模拉伸無(wú)模拉伸 2.2.氣脹成形氣脹成形 3.3.壓焊加工壓焊加工 SPFSPF應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例