超塑性材料(共8頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2 超塑性材料2.1 概念2.1.1 定義2.1.2 特征2.1.3 常見(jiàn)超塑性材料2.1.4 影響因素2.2 流變力學(xué)2.3 流變機(jī)理2.4 研究發(fā)展方向精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2.1 概念2.1.1 定義超塑性是指具備特定內(nèi)在條件的材料在特定的外在條件下顯示出的異常高塑性。一般金屬拉伸變形時(shí)的斷裂延伸率不超過(guò)百分之一百，而超塑性材料在超塑性拉伸變形時(shí)其斷裂延伸率則可達(dá)百分之幾百，甚至幾千。 Zn-22Al 超塑變形前后的尺寸對(duì)比2.1.2 特征超塑成型制品超塑性具有大延伸、小應(yīng)力、無(wú)回彈、易成形等顯著特點(diǎn)，特別適合用于難加工材料以

2、及形狀復(fù)雜零部件的精密制造。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)對(duì)于超塑性現(xiàn)象表現(xiàn)出很大興趣的原因之一是由于工藝上應(yīng)用了此現(xiàn)象，并獲得了初步成效。超塑性成形（ Superplastic Forming SPF）是一種固態(tài)下的近終形成形技術(shù)，它可以一次性地制備出幾何形狀非常復(fù)雜的制品，具有成形壓力低、模具壽命長(zhǎng)、制品精度高、結(jié)構(gòu)重量輕等顯著特點(diǎn)，在難加工材料以及大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工生產(chǎn)中具有其它加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。2.1.3 常見(jiàn)超塑性材料迄今為止，已在多種金屬系統(tǒng)和工業(yè)化合金中實(shí)現(xiàn)了超塑性，表列出了其中一些材料的特征參數(shù)。一些超塑性材料的特征參數(shù)材料（wt.%）變形溫度T（K）初始應(yīng)

3、變速率0（s-1）.斷裂延伸率（%）m 值Zn-22Al 共析合金5381.6710-310000.3Al-33Cu 共晶合金72310-510-410000.7LY12（CZ）7631.6710-43460.67475Al（液氮溫度軋制）78910-410-310000.5Ti-6Al-4V1073-127310-410-310000.85擠壓鑄造 SiCW/LY12(金屬基復(fù)合材料 )8231.110-13500.33Ti3Al-Nb(金屬間化合物 )1223810-58000.543Y-TZP(陶瓷材料 )1823510-48000.52.1.4 影響因素 流變力學(xué) 原始組織結(jié)構(gòu)及其演變

4、（微細(xì)化（ 10m） 、等軸化和穩(wěn)定化的 “三化”組織） 特定的溫度 -應(yīng)變速率精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2.2 流變力學(xué)1964 年，Backofen 等對(duì)超塑性變形提出如下本構(gòu)方程：m .K式中：m 為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)； 為流變應(yīng)力；為應(yīng)變速率； K 為材料常數(shù)。.作者指出，超塑性材料之所以具有大的延伸率，主要是由于材料具有較高的m 值。在拉伸變形過(guò)程中，當(dāng)材料產(chǎn)生局部頸縮時(shí)，高m 值產(chǎn)生很高的抗頸縮能力，使得局部頸縮難以向心部發(fā)展，從而獲得大延伸的效果。1967 年，Hart 等對(duì)一般塑性變形提出如下本構(gòu)方程及微分方程：m .nKln= + mln.式中： 為應(yīng)變， n

5、 為應(yīng)變硬化指數(shù)， 為應(yīng)變硬化系數(shù)， 代表沿著試樣拉伸方向上的微分。與 Backofen 方程不同的是， Hart 方程除考慮了應(yīng)變速率 硬化效應(yīng)之外，還考慮了大多數(shù)變形過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)的應(yīng)變硬化效應(yīng)。早期的研究認(rèn)為，斷裂應(yīng)變 f或斷裂延伸率 f與 m 值之間存在著定量關(guān)系。Ghosh 和 Ayres 從=km方程出發(fā)，假設(shè)試樣的最終斷裂系表面幾何缺陷頸縮發(fā)展.所致，給出的一個(gè)包含起始幾何缺陷因子f 的如下關(guān)系式，當(dāng) f 取 0.0050.01 時(shí)，和模型材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。f = mln1(1f)1/m近期的研究表明，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)化的超塑性材料，上述頸縮斷裂不是唯一的方式，m 值只表示了

6、獲得高塑性的可能性，而不是塑性的絕對(duì)值。Lian 和 Suery 從Hart 方程出發(fā)，考慮了內(nèi)部孔洞的發(fā)展對(duì)斷裂的影響，假設(shè)孔洞發(fā)展遵循塑性控制的機(jī)理，即 CV=CV0exp()，給出如下關(guān)系式，式中： N頸縮處應(yīng)變，當(dāng) f 取0.0050.01 時(shí)，分析結(jié)果和許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。exp/m n/m d=(1f)1/mexpN/mN n/m dN精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2.3 流變機(jī)理從超塑性出現(xiàn)至今，研究者們對(duì)超塑性變形機(jī)制進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的大量研究，提出了許許多多種理論，但由于超塑性材料的多樣性、高溫研究的困難性以及超塑性變形過(guò)程的復(fù)雜性，至今尚沒(méi)有哪一種理論能夠解釋眾

7、多的超塑性現(xiàn)象。在高溫變形環(huán)境下，空位及原子的擴(kuò)散，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，晶界的滑動(dòng)（GBS）都可能發(fā)生，都會(huì)產(chǎn)生變形。一般將高溫變形按應(yīng)變速率分為低、中、高三個(gè)區(qū)。超塑性變形在中應(yīng)變速率區(qū)?？偨Y(jié)大量的研究結(jié)果表明，低應(yīng)變速率區(qū)變形的主要機(jī)制是空位及原子的擴(kuò)散即擴(kuò)散蠕變，高應(yīng)變速率區(qū)變形的主要機(jī)制是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而中應(yīng)變速率區(qū)即超塑性變形區(qū)其主要變形機(jī)制是晶界滑動(dòng)。晶界滑動(dòng)是超塑性變形的主要機(jī)制。但晶界滑動(dòng)能否順利進(jìn)行以及晶界滑動(dòng)過(guò)程中晶粒之間的協(xié)調(diào)性需要通過(guò)持續(xù)不斷的協(xié)調(diào)過(guò)程，如位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、原子和空位的擴(kuò)散、晶界的遷移（ GBM） 、晶粒的旋轉(zhuǎn)等來(lái)完成。已提出的機(jī)制模型中一般僅能考慮一種或兩種協(xié)調(diào)過(guò)程，并

8、與晶界滑動(dòng)相聯(lián)系。簡(jiǎn)要地總結(jié)眾多的已提出的機(jī)制模型，可以給出一個(gè)一般的反映超塑性變形本構(gòu)關(guān)系的Arrhenius 型方程：n0p.)G(dkTDGAbbRTQexpDD0式中：A 為無(wú)量綱歸一化常數(shù)， G 為剪切模量， b 為位錯(cuò)柏氏矢量， K 為波爾茨曼常數(shù)， T 為絕對(duì)溫度， d 為晶粒尺寸， P 為逆晶粒度指數(shù)（ 13） ，為流變應(yīng)力，n（=1/m）為應(yīng)力指數(shù)， D 為擴(kuò)散系數(shù)， Q 為協(xié)調(diào)機(jī)制激活能， D0為頻率因子，R 為氣體常數(shù)。表列出了其中的一些廣為接受的機(jī)制模型。超塑性機(jī)制模型預(yù)測(cè)Ashby Verrall 模型A20，m=1，P=2，D=DV擴(kuò)散蠕變Coble 模型A60，m

9、=1，P=3，D= DgbBall 和 Hutchison 模型A12，m=0.5，P=2，D= DgbMukherjee 模型A2，m=0.5，P=2，D= DgbGifkin 模型A64，m=0.5，P=2，D= Dgb位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)晶界滑動(dòng)Langdon 歸一化模型d10m；A10，m=0.5，P=2，D= Dgbd10 m：A1000，m=1/ 3，P=1，D=DV精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)晶界擴(kuò)散位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)晶界 滑動(dòng)模型2.4 研究發(fā)展方向：低溫高應(yīng)變速率超塑性目前超塑性成形技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如：制造飛機(jī)機(jī)身“肋骨”之類的復(fù)雜大型零部件，如果不借助金屬的超塑性， “你將不得不切割出許許多多不同形狀的零部件，完成大量的加工工作。金屬的超塑性使你可以用一次成型的方法制造出同樣的零件。”但其在其它制造業(yè)中普及的速度卻十分緩慢。問(wèn)題在于：（1）目前工業(yè)化的超塑性材料如鋁合金、鈦合金的應(yīng)變速率太低（ 10-5s-110-3s-1） ，超塑性成形是一個(gè)緩慢的過(guò)程，