第15講超塑性現(xiàn)象

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第十五講LessonFifteen張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/2/20231第七章金屬的塑性主要內(nèi)容MainContent塑性的概念及塑性指標(biāo)影響塑性的主要因素超塑性現(xiàn)象2/2/202327.3超塑性現(xiàn)象納米銅的室溫超塑性2/2/20233在不同溫度下ZnAl22的拉伸變形(250℃時(shí)延伸率)2/2/20234Bi-44Sn擠壓材料在慢速拉伸下出現(xiàn)異常大的延伸率（）2/2/20235高溫合金INCONEL718的超塑性成形航天器件2/2/20236雙相不銹鋼超塑性成形的航天器件2/2/20237超塑成形的波形膨脹節(jié)用TC4鈦合金波紋管2/2/20238超塑性的概念超塑性的力學(xué)特征超塑性的組織特征超塑性的機(jī)理超塑性的應(yīng)用2/2/20239超塑性的概念超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。一般說來，如果材料的延伸率超過100％，就可稱為超塑性。凡具有能超過100％延伸率的材料，則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過1000％，有的甚至可達(dá)2000％2/2/2023102/2/202311超塑性的分類組織超塑性或恒溫超塑性。根據(jù)材料的組織形態(tài)特點(diǎn)也稱之為微細(xì)晶粒超塑性。特點(diǎn)是材料具有微細(xì)的等軸晶粒組織。溫度：Ts≥0.5Tm（Ts和Tm分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對(duì)溫度）變形速度：10-4~10-1/s。微細(xì)晶粒尺寸其范圍在0.5～5μm之間。一般來說，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來說（例如Ti合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有很好的超塑性能。由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，因此即使初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸，如果熱穩(wěn)定性差，在變形過程中晶粒迅速長(zhǎng)大的話，仍不能獲得良好的超塑性。2/2/202312相變超塑性或變態(tài)超塑性這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條件下，經(jīng)過多次的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變獲得大延伸。如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于A1、3溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（ag）的兩次轉(zhuǎn)變，可以得到兩次均勻延伸。D.Oelschl?gel等用AISI1018、1045、1095、52100等鋼種試驗(yàn)表明，延伸率可達(dá)到500%以上。變形的特點(diǎn)：初期時(shí)每一次循環(huán)的變形量比較小，而在一定次數(shù)之后，例如幾十次之后，每一次循環(huán)可以得到逐步加大的變形，到斷裂時(shí)，可以累積為大延伸。2/2/202313有相變的金屬材料，不但在擴(kuò)散相變過程中具有很大的塑性，淬火過程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、回火過程中殘余奧氏體向馬氏體單向轉(zhuǎn)變過程，也可以獲得異常高的塑性。如果在馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）以上的一定溫度區(qū)間加工變形，可以促使奧氏體向馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中也可以獲得異常高的延伸，塑性大小與轉(zhuǎn)變量的多少，變形溫度及變形速度有關(guān)。這種過程稱為"轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性"。即所謂"TRIP"現(xiàn)象。Fe-Ni合金，F(xiàn)e-Mn-C等合金都具有這種特性。2/2/202314其它超塑性

在消除應(yīng)力退火過程中，在應(yīng)力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%Cu合金在溶解度曲線上下施以循環(huán)加熱可以得到超塑性，根據(jù)Johnson試驗(yàn)，在具有異向性熱膨脹的材料如U，Zr等，加熱時(shí)可有超塑性，稱為異向超塑性。有人把a(bǔ)-U在有負(fù)荷及照射下的變形也稱為超塑性。球墨鑄鐵及灰鑄鐵經(jīng)特殊處理也可以得到超塑性。2/2/202315超塑性的歷史及發(fā)展

超塑性現(xiàn)象最早的報(bào)道是在1920年，德國(guó)人羅申漢（N.Rosenhaim）等發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速?gòu)澢鷷r(shí)，可以彎曲近180度。1934年，英國(guó)的C.P.Pearson發(fā)現(xiàn)Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時(shí)可以得到2000%的延伸率。1945年前蘇聯(lián)的A.A.Bochvar等發(fā)現(xiàn)Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率并提出“超塑性”這一名詞。1964年，美國(guó)的W.A.Backofen對(duì)Zn-Al合金進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)－m值這個(gè)新概念，為超塑性研究奠定了基礎(chǔ)。上世紀(jì)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。

2/2/202316特別引人注意的是，近幾十年來金屬超塑性已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。一些超塑性的Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu合金以及黑色金屬等正以它們優(yōu)異的變形性能和材質(zhì)均勻等特點(diǎn)，在航空航天以及汽車的零部件生產(chǎn)、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用。2/2/202317近年來超塑性在我國(guó)和世界上主要的發(fā)展方向主要有如下三個(gè)方面：先進(jìn)材料超塑性的研究，這主要是指金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性的開發(fā)，因?yàn)檫@些材料具有若干優(yōu)異的性能，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而這些材料一般加工性能較差，開發(fā)這些材料的超塑性對(duì)于其應(yīng)用具有重要意義；高速超塑性的研究，提高超塑變形的速率，目的在于提高超塑成形的生產(chǎn)率；研究非理想超塑材料（例如供貨態(tài)工業(yè)合金）的超塑性變形規(guī)律，探討降低對(duì)超塑變形材料的苛刻要求，而提高成形件的質(zhì)量，目的在于擴(kuò)大超塑性技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其發(fā)揮更大的效益。2/2/202318典型的超塑性材料

目前已知的超塑性金屬及合金已有數(shù)百種，按基體區(qū)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、高級(jí)合金等類型的合金。部分典型的超塑性合金見下表2/2/202319合金成分（Wt%）m延伸率δ(%)變形溫度（℃）共析合金

Zn-22Al0.5>1500200~300共晶合金

Zn-5Al0.48～0.5300200～360

Al-33Cu0.9500440～520Al-Si－120450Cu-Ag0.53500675Mg-33Al0.852100350～400Sn-38Pb0.59108020Bi-44Sn－195020～30Pb-Cd0.35800100m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)2/2/202320Al基合金

Al-6Cu-0.5Zr0.51800～2000390～500Al-25.2Cu-5.2Si0.431310500Al-4.2Zn-1.55Mg0.9100530Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr0.91550550Al-8Zn-1Mg-0.5Zr－>1000－Al-33Cu-7Mg0.72>600420～480Al-Zn-Ca－

267500Cu基合金

Cu-9.5Al-4Fe0.64770800Cu-40Zn0.645156002/2/202321Fe-C合金（鋼鐵）

Fe-0.8C

－210～250680Fe-(1.3,1.6,1.9)C

－470530～640GCr150.42540700Fe-1.5C-1.5Cr

－1200650Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V

－817650AISI01(0.8C)0.51200650521600.61220650高級(jí)合金

901－400900～950Ti-6Al-4V0.85>1000800～10002/2/202322高級(jí)合金

IN744Fe-6.5Ni-26Cr0.51000950Ni-26.2Fe-34.9Cr-0.58Ti0.5>1000795～855IN1000.510001093純金屬

Zn（商業(yè)用）0.240020～70Ni－

225820U7000.4210001035Zr合金0.5200900Al商業(yè)用）－6000(扭轉(zhuǎn))377～5772/2/202323超塑性的力學(xué)特征流動(dòng)應(yīng)力在超塑性材料中，流動(dòng)應(yīng)力特別敏感于應(yīng)變速率。如圖所示，用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線呈“S”形。Mg-Al共晶合金的應(yīng)變速率與(a)流動(dòng)應(yīng)力(b)敏感系數(shù)m的關(guān)系2/2/202324應(yīng)變速度敏感性系數(shù)：應(yīng)變速率與流動(dòng)應(yīng)力曲線可劃分為三個(gè)區(qū)域，即低應(yīng)變速率區(qū)Ⅰ、高應(yīng)變速率區(qū)Ⅱ和超塑性區(qū)Ⅲ，在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中m<0.3，在Ⅱ區(qū)中m>0.3。2/2/202325流動(dòng)應(yīng)力對(duì)溫度十分敏感。提高變形溫度將發(fā)生如圖所示的變化2/2/202326隨著溫度的升高：流動(dòng)應(yīng)力的水平將普遍下降，但在高應(yīng)變速率時(shí)的變化不如低應(yīng)變時(shí)顯著m的最大峰值升高，并移向高應(yīng)變速率區(qū)在最大應(yīng)變速率和最小應(yīng)變速率這兩端，m值對(duì)溫度的敏感性較差，即在接近蠕變變形區(qū)及普通熱加工區(qū)，m值對(duì)溫度的敏感性較差Ⅰ/Ⅱ區(qū)和Ⅲ/Ⅱ區(qū)之間的過渡向高應(yīng)變速率方向移動(dòng)2/2/202327晶粒的大小對(duì)流動(dòng)應(yīng)力及m值也有明顯的影響。一般來說，具有良好超塑性的起始晶粒度一般應(yīng)＜10μm，最好是＜5μm。2/2/202328晶粒越細(xì)小：除Ⅲ區(qū)外，在所有應(yīng)變速率條件下，流動(dòng)應(yīng)力都下降，特別是在低應(yīng)變速率下更為明顯；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的過渡推向高應(yīng)變速率范圍；m的最大峰值增加，并移向高應(yīng)變速率區(qū)2/2/202329應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的物理意義應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m是材料超塑性的一個(gè)重要參數(shù)，它表征金屬抵抗頸縮的能力，高的m值使抵抗頸縮的能力增加。其理論意義是：產(chǎn)生頸縮的部位應(yīng)變速率增加，由于高的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變速率敏感性，需要更高的應(yīng)力。在試樣其余部分沒有繼續(xù)塑性變形的情況下，外加應(yīng)力不足以使頸縮發(fā)展。2/2/202330超塑性的組織特征試驗(yàn)研究結(jié)果表明，于超塑性變形時(shí)晶粒的等軸性保持不變，并在變形后通?？梢钥吹骄ЯＳ行╅L(zhǎng)大。在正常微細(xì)晶粒超塑性顯微組織中在500％的應(yīng)變下晶粒尺寸可能增加50％或100％。有人在Sn－5％Bi合金上發(fā)現(xiàn)，延伸率達(dá)1000％時(shí)，晶粒仍保持等軸并發(fā)現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大了好幾倍。2/2/202331對(duì)某些材料，如a／b黃銅、Al黃銅，AI-Zn-Mg-Cr合金等的超塑性拉伸中也發(fā)現(xiàn)有空洞出現(xiàn)。試驗(yàn)證明，空洞的數(shù)量和尺寸隨應(yīng)變速率的增大而增多。隨著真實(shí)應(yīng)變的增加，空洞數(shù)目也增多。一般認(rèn)為空洞是由晶界滑移引起的，所以在Ⅱ區(qū)內(nèi)因晶界滑移對(duì)塑性變形的作用最大，其空洞速率也就最大。試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)材料在超塑性變形過程中形成大面積空洞時(shí)，其相互連接將導(dǎo)致材料的最終斷裂。2/2/202332超塑性的機(jī)理一、空位—遷移過程理論空位—遷移過程即為空位蠕變過程，它是指空位在應(yīng)力梯度的作用下引起的遷移，也就是原子的遷移（擴(kuò)散）。金屬的蠕變變形規(guī)律就是用這種原子的擴(kuò)散來解釋的。如圖所示，在拉應(yīng)力作用下，空位擴(kuò)散到平行于拉伸軸的晶界，而與此相應(yīng)，原子向垂直于拉伸軸的晶界擴(kuò)散，由此而使晶體發(fā)生變形。2/2/202333如圖所示，在應(yīng)力作用下的蠕變或擴(kuò)散蠕變示意圖，原于通過晶格按箭頭所指的方向擴(kuò)散，伴隨一個(gè)相反的空位的流動(dòng)。虛線勾劃的晶粒在應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，影格區(qū)表示被擴(kuò)散物質(zhì)的量2/2/202334超塑性變形與蠕變變形也有許多相似之處，特別是在應(yīng)變速度對(duì)應(yīng)力和晶粒長(zhǎng)大的關(guān)系上，兩者幾乎是相同的。因此有人認(rèn)為，在低應(yīng)力下所引起的空位擴(kuò)散，不僅可以解釋蠕變變形的機(jī)理，而且也可以用來解釋超塑性變形的機(jī)理。2/2/202335二、晶間滑移理論在此理論中，設(shè)想晶界似如晶體間的流動(dòng)層，并且晶粒越細(xì)小，越接近于完全無序（非晶體）的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際上，這種理想的層流是不大可能存在的。因?yàn)榧词故浅苄圆牧?，滑?dòng)也不能連續(xù)地產(chǎn)生于晶界，而不伴有一些晶內(nèi)變形。因此，塑性流動(dòng)與一般的層流是有區(qū)別的。2/2/202336Zn-Al合金超塑性變形時(shí)Zn相(b)與Al相(a)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2/2/202337三、再結(jié)晶過程理論有人建議，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)解釋超塑性變形中的等軸晶粒的形成是一項(xiàng)重要內(nèi)容。特別是，超塑性變形一般是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行，類似通常所說的熱變形過程，所以再結(jié)晶過程理論可以容易地被接受。但是有人認(rèn)為，在超塑性變形中一般不能發(fā)生再結(jié)晶。有些跡象表明，在少數(shù)特殊情況下，再結(jié)晶可能是重要的。有人認(rèn)為，在超塑性變形中有晶粒細(xì)化現(xiàn)象發(fā)生，這能夠用再結(jié)晶來解釋。也有人認(rèn)為，對(duì)多數(shù)材料來講，再結(jié)晶似乎是不重要的。2/2/202338超塑性的應(yīng)用由于金屬在超塑狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，可以在很多領(lǐng)域中應(yīng)用，包括壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等方面。自七十年代初期，具有超塑性的金屬材料在工業(yè)上逐漸得到引人注目的應(yīng)用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在日本、美、英、德等國(guó)已有專門生產(chǎn)超塑性材料的企業(yè)。對(duì)細(xì)晶超塑性材料，在電子工業(yè)中已在大量地使用。對(duì)相變超塑性材料，也有良好的發(fā)展前景，例如不銹鋼、鈦合金等材料在汽車工業(yè)和部分國(guó)防工業(yè)獲得了良好的應(yīng)用。2/2/202339一、無模拉伸如圖所示，這種拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸時(shí)，根據(jù)超塑性材料對(duì)溫度和變形速度的敏感性，用一感應(yīng)線圈控制加熱溫度使工件進(jìn)行局部加熱，并在拉伸時(shí)對(duì)拉拔速度加以控制