特種塑性成形第1章

1、第1章1.1金屬超塑性概況及成形特點(diǎn)1.1.1金屬超塑性發(fā)展概況1.1.2超塑性成形的基本特點(diǎn)1.2超塑性的分類及影響超塑性的因素1.2.1超塑性現(xiàn)象與超塑性指標(biāo)1.2.2超塑性的分類1.2.3影響微晶組織超塑性的主要因素1.3超塑性變形的微觀組織機(jī)理1.3.1超塑性變形時組織的變化和對力學(xué)性能的影響1.3.2超塑性變形機(jī)理1.4超塑性成形工藝與設(shè)備1.4.1常用超塑性成形的工藝方法1.4.2超塑性成形的設(shè)備1.4.3超塑性成形的摩擦與潤滑1.5超塑性成形展望1.1金屬超塑性概況及成形特點(diǎn) 塑性是金屬的重要屬性之一，它指的是金屬在外力作用下，無損而永久地改變形狀的能力?！俺苄浴本褪浅鲆话闼?/p>

2、性指標(biāo)的金屬特性。在常規(guī)成形條件下，一些較難成形的金屬材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、鎳合金、合金鋼等，成形溫度范圍比較狹窄，流動性比較差。例如作為衡量塑性優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)伸長率，一般情況下，黑色金屬不大于40，有色金屬也不超過60(軟鋁約為50，而金、銀一般也只有80)，即使在高溫下，也難以達(dá)到100。1.1.1金屬超塑性發(fā)展概況圖1-1Sn-37Pb、Bi-44Sn共晶合金拉伸后現(xiàn)象圖1-2吹塑成形的5083鋁合金墻面裝飾浮雕1.1.2超塑性成形的基本特點(diǎn)圖1-3吹塑成形的Ti-6Al-4V球形衛(wèi)星燃料箱1)金屬塑性大為提高過去認(rèn)為只能采用鑄造成形而不能鍛造成形的鎳基合金，也可進(jìn)行超塑性

3、模鍛成形，因而擴(kuò)大了可鍛金屬的種類。2)金屬的變形抗力很小一般超塑性模鍛的總壓力只相當(dāng)于普通模鍛的幾分之一到幾十分之一，因此，可在噸位小的設(shè)備上模鍛出較大的制件3)加工精度高超塑性成形加工可獲得尺寸精密、形狀復(fù)雜、晶粒組織均勻細(xì)小的薄壁制件，其力學(xué)性能均勻一致，機(jī)械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑性成形是實(shí)現(xiàn)少或無切削加工和精密成形的新途徑。 1.2.1超塑性現(xiàn)象與超塑性指標(biāo)圖1-5超塑性材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線1.2超塑性的分類及影響超塑性的因素圖1-5超塑性材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖1-6Ti及Zr合金的伸長率與m值的關(guān)系曲線1.2.2超塑性的分類1.微晶組織超塑性(即恒溫超塑

4、性或結(jié)構(gòu)超塑性) 一般所指超塑性多屬這類，它是目前國內(nèi)外研究得最多的一種。其產(chǎn)生的第一個條件是材料具有均勻的微細(xì)等軸晶粒，晶粒尺寸通常小于10m，并且在超塑性溫度下晶粒不易長大，即所謂熱穩(wěn)定性好；第二個條件是變形溫度T0.5Tm(Tm為材料熔點(diǎn)溫度，以熱力學(xué)溫度表示)，并且在變形時保持恒定溫度；第三個條件是應(yīng)變速率比較低，一般=10-410-1/s。目前已發(fā)現(xiàn)共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在許多的二相合金中相當(dāng)一部分呈現(xiàn)超塑性。一般說來，晶粒越細(xì)越有利于超塑性變形，但對有些材料來說，例如鈦合金，其晶粒尺寸達(dá)幾十微米時仍有良好的超塑性能。2.相變超塑性(即變溫超塑性或動態(tài)超塑性)

5、圖1-7碳鋼和軸承鋼的伸長率與溫度循環(huán)次數(shù)n之間的關(guān)系(試驗(yàn)溫度幅度：538816；定負(fù)荷：=17.6MPa)3.其他超塑性圖1-8Al-Cu共晶合金520拉伸時晶粒尺寸對流動應(yīng)力及m值的影響24660-1a1.2.3影響微晶組織超塑性的主要因素1.獲得細(xì)晶粒的途徑及晶粒度的影響(1)冶金學(xué)方法主要是添加一些能夠促使早期形核，使組織彌散，并在變形過程中穩(wěn)定晶粒的微量元素。(2)壓力加工方法采用冷、溫、熱三種不同溫度下的軋制或鍛造。(3)熱處理方法包括反復(fù)淬火、形變熱處理、球化退火等方法。2.應(yīng)變速率的影響圖1-9Mg-Al共晶合金的曲線與m曲線(變形溫度：350，晶粒直徑：10.6m)3.溫度

6、的影響圖1-10Zn-Al合金(=22)的伸長率和m值與變形溫度的關(guān)系臨界溫度v拉伸速度24660-1a圖1-11彌散銅(=95%、=2.8%、=1.8%、=0.4%)應(yīng)變速率及試驗(yàn)溫度對m值的影響(平均晶粒尺寸1m)1.3.1超塑性變形時組織的變化和對力學(xué)性能的影響1.組織的變化1.3超塑性變形的微觀組織機(jī)理(1)晶粒度的變化許多研究資料表明，超塑性變形時，晶粒會發(fā)生長大，但等軸度基本不變。(2)顯微組織的變化大量研究資料表明，在最佳超塑性應(yīng)變速率范圍內(nèi)，不形成亞結(jié)構(gòu)，亦未發(fā)現(xiàn)有晶內(nèi)位錯或僅有個別位錯，在試樣拋光表面上不出現(xiàn)滑移線，說明沒有位錯運(yùn)動。(3)空洞的生成大量的金相資料表明，許多合

7、金在超塑性拉伸變形時會伴生空洞。24660-1a圖1-12250拉伸時應(yīng)變速率對Zn-Al淬火合金(=22)晶粒尺寸的影響1=100%2=200%3=600%2.對力學(xué)性能的影響1)超塑性變形后由于合金仍保持均勻細(xì)小的等軸晶組織，不存在織構(gòu)，所以不產(chǎn)生各向異性，且具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。2)超塑性成形時，由于變形溫度穩(wěn)定、變形速度緩慢，所以零件內(nèi)部不存在彈性畸變能，變形后沒有殘余應(yīng)力。3)對超塑性變形后的Zn-Al共析合金，在圖1-13中所示的條件下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其硬度隨壓縮率的增加而降低，即存在所謂加工軟化現(xiàn)象，而這是一般材料的壓縮試驗(yàn)所沒有的。4)高鉻高鎳超塑性不銹鋼經(jīng)超塑性成形后，

8、形成微細(xì)的雙相混合組織，顯示出很高的抗疲勞強(qiáng)度。圖1-13Zn-Al共析合金(=22%)壓縮率與維氏硬度的關(guān)系1.3.2超塑性變形機(jī)理圖1-14晶界滑動和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理模型圖1-15晶粒移動的立體模型1xy平面內(nèi)原有的晶粒2從z方向兩相鄰層移來的晶粒1.4.1常用超塑性成形的工藝方法1.薄板氣壓/真空成形1.4超塑性成形工藝與設(shè)備(1)氣壓成形金屬在常溫狀態(tài)下的液壓脹形，由于受材料塑性的限制，較難用于成形復(fù)雜的殼體零件。圖1-16薄板氣壓成形工裝示意圖氣壓成形特點(diǎn)1)采用不均勻加熱方法，使易變薄的部位先處于較低的溫度，后產(chǎn)生變形。2)利用摩擦條件，使易變薄的部位先與模具上的活動部分接觸，以增

9、加摩擦，減小變形。3)反復(fù)成形，即先反向自由脹形，再反向加壓使坯料與模具貼靠。4)采用變厚度坯料。圖1-17薄板氣壓/真空成形工藝過程(2)真空成形這是一種利用抽真空使處于超塑性狀態(tài)下的坯料吸附到模具上的工藝方法，如圖1-18所示。1)凸模真空成形。2)凹模真空成形。圖1-19薄板氣壓/真空成形零件示例1(2)真空成形圖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)徑向輔助壓力拉深對凸緣上坯料法蘭周邊施加徑向輔助壓力，把材料推向中心，這時凸模的作用主要是引導(dǎo)材料流入凹模，拉深筒壁不全部承擔(dān)成形力，故不易破裂。(2)差溫拉深采用溫度場控制，使凸緣上坯料部分處于超塑性溫度而發(fā)生

10、超塑性變形；而與凸模接觸部分的工件材料則由于冷卻而強(qiáng)化，不發(fā)生變形。圖1-21徑向輔助壓力拉深原理示意圖3.超塑性模鍛成形(1)開式模鍛與普通開式模鍛比較，模具結(jié)構(gòu)基本相同，但需要增加與模具為一體的加熱和保溫裝置。(2)閉式模鍛閉式模鍛在模具結(jié)構(gòu)上不設(shè)飛邊槽。4.超塑性擠壓成形 一般冷擠壓加工時，坯料變形抗力很高，最高可達(dá)35MPa以上，所需擠壓設(shè)備噸位大，要求模具材料強(qiáng)度、耐磨性均很高，對形狀復(fù)雜的零件，由于應(yīng)變硬化，還必須多次擠壓及中間退火，故冷擠壓加工受到限制。超塑性擠壓成形是將毛坯直接放入模具內(nèi)一起加熱到最佳的超塑性溫度，保持恒溫，以恒定的慢速加載、保壓，在封閉的模具中進(jìn)行壓縮成形的工

11、藝。它是利用超塑性合金在變形中的極低變形抗力進(jìn)行擠壓成形，故所使用的模具簡單，壽命高，對變形程度大的零件，可一次成形，省去了中間退火程序，工序得到簡化。它可成形零件和模具。5.超塑性輥壓成形圖1-22超塑性輥壓成形工作原理圖圖1-23超塑性輥壓成形工作示意圖圖1-24超塑性輥壓成形件模擬圖a)成形中的工件b)最終成形件24660-1a5.超塑性輥壓成形圖1-25Ti-6.4Al-2.2Sn-1.9Zr-2Mo-1.1W-0.2Sn合金輥壓成形件徑向剖面顯微組織6.超塑性無模拉拔成形 超塑性無模拉拔成形是利用超塑性材料在超塑性狀態(tài)下對溫度的敏感性，只在被加工的棒料或管材外部加設(shè)感應(yīng)加熱圈，并在棒

12、料或管材的兩端施加載荷，當(dāng)感應(yīng)圈移動時，就會形成橫截面周期變化，甚至非周期變化的棒形零件，或者是變壁厚的管形零件。這項(xiàng)加工技術(shù)不但設(shè)備簡單，而且可以加工成形出用常規(guī)塑性加工技術(shù)難以成形的零件，如果把計算機(jī)程序控制應(yīng)用于這一方面，發(fā)展前景非常廣闊。1.超塑性鍛造的設(shè)備(1)超塑性鍛造的變形力超塑性鍛造受坯料組織狀態(tài)和鍛造溫度、速度、方式(開式模鍛、閉式模鍛、正反擠壓等)以及潤滑狀況、鍛件形狀(高徑比等)、復(fù)雜程度等諸多因素的影響。1.4.2超塑性成形的設(shè)備(2)超塑性鍛造設(shè)備的選擇1)可調(diào)速。2)可保壓。3)大的封閉高度與足夠的工作臺面。4)有頂出裝置。5)有溫控系統(tǒng)。圖1-26壓力為6.3MN的超塑性鍛造液壓機(jī)簡圖1下頂料器2、3、4齒輪5墊板6空心立柱7螺母8螺桿9軸承10螺母11螺桿12外殼13、14半聯(lián)軸節(jié)15端蓋16、17液壓缸18上橫梁19立柱20滑塊21下橫梁22電機(jī)減速器裝置23、24、25齒輪圖1-27超塑性成形機(jī)1.4.3超塑性成形的摩擦與潤滑(1)模具溫度高模具的高溫增