塑性成型基本原理第七節(jié)超塑性

塑性成型基本原理第七節(jié)超塑性上節(jié)主要內(nèi)容回顧（1）影響金屬塑性的因素？（2）提高金屬塑性的途徑？包套鐓粗用摔子拔長(zhǎng)上節(jié)主要內(nèi)容補(bǔ)充基于紅外熱像技術(shù)的金屬材料疲勞性能研究方法第二章金屬塑性成型的物理基礎(chǔ)思考（1）超塑性變形的宏觀特征（2）超塑性的力學(xué)特征和組織特征（3）應(yīng)變敏感性指數(shù)（m）物理意義2.5金屬的超塑性Ti3Al合金加載溫度920℃，變形速度5×10-5/s，應(yīng)力35MPa奇特的塑性變形現(xiàn)象1920年德國(guó)人（一）超塑性的概念與特征1945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“超塑性”術(shù)語(yǔ)。1928年，英國(guó)物理學(xué)家森金斯：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳洠鋺?yīng)變速度為每秒10毫米時(shí)產(chǎn)生300％以上的延伸率。

金屬和合金具有超常的均勻變形能力，其延伸率可達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千。1.概念

（1）大延伸：拉伸試驗(yàn)，Zn-22%Al，250℃

，5mm/min，延伸率3120%（變形穩(wěn)定性極好）；（2）小應(yīng)力：Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

（3）無(wú)縮頸：截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象，截面收縮率100%；2MPa30MPa2.超塑性變形宏觀特征銅的應(yīng)力-應(yīng)變曲線頸縮無(wú)頸縮

（1）大延伸：拉伸試驗(yàn)，Zn-22%Al，250℃

，5mm/min，延伸率3120%；（2）小應(yīng)力：Zn-22%Al——

Ti-6Al-4V——

GCr15——

（3）無(wú)縮頸：截面均勻變形、縮小，在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象，截面收縮率100%；（4）易成型：無(wú)加工硬化現(xiàn)象，流動(dòng)性和填充性好。2MPa30MPa2.超塑性變形的特征

（1）延伸率δ（有色金屬200%，黑色金屬100%，脆性金屬超過(guò)原來(lái)幾倍）；

（2）晶界滑移引起的應(yīng)變占總應(yīng)變的30%以上；（3）應(yīng)變速率敏感性系數(shù)m≥

。3.如何判斷是否呈現(xiàn)超塑性（二）超塑性的種類1.恒溫超塑性（第一類超塑性）特點(diǎn)：晶粒超細(xì)化（μm），等軸化組織熱穩(wěn)定性一定溫度范圍（）一定變形速率（）鈦合金和鋁合金晶粒幾十微米機(jī)制:晶粒移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)10-4~10-1m/s2.相變超塑性（變溫/第二類/動(dòng)態(tài)）

組織特點(diǎn)：相變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變控制因素：溫度幅度溫度循環(huán)率

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3.其它超塑性

短暫超塑性相變誘發(fā)超塑性高應(yīng)變率超塑性電致超塑性碳鋼和軸承鋼的延伸率與溫度循環(huán)次數(shù)n之間的關(guān)系（試驗(yàn)溫度幅度：538-816度定負(fù)荷：）球墨鑄鐵相變超塑性與溫度循環(huán)的關(guān)系（試驗(yàn)溫度：700-800度，循環(huán)速度：5度/分，定負(fù)荷：1--12MPa，2--8MPa）低碳鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線超塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（三）超塑性的力學(xué)和組織特征1.變形力學(xué)特征由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超塑性變形表現(xiàn)對(duì)變形速率極其敏感。

為1，牛頓黏性流動(dòng)公式，

K是黏性系數(shù)；為,普通金屬；為，超塑性材料。

真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力；決定與實(shí)驗(yàn)條件的材料常數(shù)；應(yīng)變速率；應(yīng)變速率敏感指數(shù)。應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m是什么？真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S曲線，123真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S曲線，Al-Mg共晶合金（變形溫度：350℃，晶粒直徑：μm）體積不變：m值的物理意義

越大，隨著增大而急劇增大反映了抑制局部出現(xiàn)縮頸的能力均勻變形第二相晶粒能阻礙母相晶粒的長(zhǎng)大，而母相也阻礙第二相的長(zhǎng)大。變形過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的速度要慢，充分的熱變形持續(xù)時(shí)間。2.組織特征晶粒極細(xì)等軸晶（1）（m）（2）雙相（共析或共晶）熱穩(wěn)定性（3）（1）高溫超塑性鋁合金超塑性細(xì)晶鋁合金m（473℃）（2）低溫超塑性細(xì)晶鋁合金m（194℃）攪拌摩擦焊（FSW）原理攪拌摩擦加工鋁合金超塑性（1）高溫超塑性細(xì)晶鋁合金m（473℃）（2）低溫超塑性細(xì)晶鋁合金m（194℃）金屬間化合物Ni3Al超塑性組織變化超塑性變形機(jī)理（細(xì)晶超塑性）

“主要是晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用”

晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散蠕變模型（四）超塑性變形機(jī)理體積擴(kuò)散線晶界擴(kuò)散線變形溫度（五）影響細(xì)晶超塑性的因素溫度對(duì)-和m-曲線影響示意圖Zn-22%Al合金的延伸率和m值與變形溫度的關(guān)系m流變應(yīng)力低超塑性變形區(qū)域?qū)扢峰值增加延伸率提高晶粒尺寸和形狀的影響d<10微米流變應(yīng)力低超塑性變形區(qū)域?qū)抦峰值增加Al-Cu共晶合金520度時(shí)晶粒尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力即m值的影響應(yīng)變速率的影響=10-4~10-1min-1兩相組織的影響

兩相分布愈均勻，兩相的體積比愈接近于1，熱穩(wěn)定性愈好組織變化（六）超塑性變形時(shí)組織變化和性能影響晶粒：顯微組織：產(chǎn)生空洞：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；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)及晶粒回轉(zhuǎn)，在晶界或相界處形成空隙和裂紋，僅存在于試樣的表面。力學(xué)性能影響

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)）

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）

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）

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）（七）超塑性的應(yīng)用1.無(wú)模拉伸2.氣脹成形3.壓焊加工SPF應(yīng)用實(shí)例美國(guó)機(jī)種采用SPF、SPF/DB構(gòu)件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益引自-北京航空工程制造研究所歐洲機(jī)種采用SPF、SPF/DB構(gòu)件的應(yīng)用情況引自-北京航空工程制造研究所（1）滑移和孿生的異同點(diǎn)？（2）多晶體的變形特點(diǎn)？（3）什么是加工硬化現(xiàn)象？（4）冷加工對(duì)組織和性能的影響？（1）熱加工對(duì)金屬組織、性能影響？（2）冷、熱加工的區(qū)別？（3）冷加工流線與熱加工流線區(qū)別？（4）板材經(jīng)熱加工后均為各向同性？（5）敘述晶粒隨著溫