第6章 超塑性及超塑變形機理

1、第6章超塑性及超塑變形機理超塑性及超塑變形機理6.1超塑性的概念611超塑性及其宏觀變形特征關于超塑性的定義，目前尚未有一個嚴格確切的描述。通常認為超塑性是指材料在拉伸條件下，表現(xiàn)出異常高的伸長率而不產(chǎn)生縮頸與斷裂現(xiàn)象。當伸長率100％時，即可??稱為超塑性。實際上，有的超塑材料其伸長率可達到百分之幾百，甚至達到百分之幾千，如在超塑拉伸條件下SnBi共晶合金可獲得1950％的伸長率，ZnAI共晶合金的伸長率可達3200％以上。也有人用應

2、變速率敏感性指數(shù)m值來定義超塑性，當材料的m值大于03時，材料即具有超塑性。超塑性的產(chǎn)生首先取決于材料的內(nèi)在條件，如化學成分、晶體結構、顯微組織(包括晶粒大小、形狀及分布等)及是否具有固態(tài)相變(包括同素異晶轉變，有序無序轉變及固溶脫溶變化等)能力。在上述內(nèi)在條件滿足一定要求的情況下，在適當?shù)耐庠跅l件(通常指變形條件)下將會產(chǎn)生超塑性。金屬材料在超塑性狀態(tài)下的宏觀變形特征，可用大變形、小應力、無縮頸、易成形等來描述。1)大變形超塑性材料在

3、單向拉伸時伸長率占極高，目前已有占達8000％以上的報道。超塑性材料塑性變形的穩(wěn)定性、均勻性要比普通材料好得多，這就使材料成形性能大為改善，可以使許多形狀復雜，難以成形構件的一次成形變?yōu)榭赡堋?)小應力材料在超塑性變形過程中的變形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流動的特點，在最佳超塑變形條件下，超塑流變應力通常是常規(guī)變形的幾分之一乃至幾十?分之一。例如，Zn22％Al合金在超塑變形時的流動應力不超過2MPa，鈦合金板料超塑成形時，其流動

4、應力也只有幾十兆帕甚至幾兆帕。3)無縮頸一般具有一定塑性變形能力的材料在拉伸變形過程中，當出現(xiàn)早期縮頸后，由于應力集中效應使縮頸繼續(xù)發(fā)展，導致提前斷裂。超塑性材料的塑性流變類似于粘性流動，沒有(或很小)應變硬化效應，但對變形速度敏感，有所謂“應變速率硬化效應”，即變形速度增加時，材料的變形抗力增大(強化)。因此，超塑材料變形時雖然也會有縮頸形成，但由于縮頸部位變形速度增加而發(fā)生強化，從而使變形在其余未強化部分繼續(xù)進行，這樣能獲得巨大的宏

5、觀均勻變形而不發(fā)生斷裂。超塑性的縮頸是指宏觀的變形結果，最終斷裂時斷口部位的截面尺寸與均勻變形部位相差很小。例如Zn22％Al合金超塑拉伸試驗時最終斷口部位可細如發(fā)絲；即斷面收縮率幾乎達到100%。4)易成形超塑材料在變形過程中呈現(xiàn)極好的穩(wěn)定流動性，變形抗力很小且沒有明顯的加工硬化現(xiàn)象，壓力加工時的流動性和填充性很好，可進行諸如體積成形，氣脹成形，無模拉拔等多種形式的塑性成形加工。612超塑性分類按照實現(xiàn)超塑性的條件和變形特點的不同，目

6、前一般將超塑性分為以下幾類。1）組織超塑性組織超塑性又稱為恒溫超塑性或微細晶粒超塑性或結構超塑性，它是目前國內(nèi)外研究最多的一種。組織超塑性要求材料具有均勻的、細小的等軸晶粒，晶粒尺寸通常小于10m，并且在超塑性溫度下晶粒不易長大，即所謂穩(wěn)定性好；其次要求變形?韞度T0.5Tm，(Tm為材料熔點溫度，以熱力學溫度表示)，并且在變形時溫度保持恒定；應變速率，要比材料常規(guī)拉伸試驗時應變速率至少低一個數(shù)量級。目前s10~1014.????應變速

7、率超塑性與金屬在高應變速率條件下變形時產(chǎn)生的動態(tài)再結晶有關，高應變速率超塑性對金屬在高速率加工成形具有重要意義。電致超塑性(electroplasticeffect)是材料在電場或電流作用下所表現(xiàn)出的超塑性現(xiàn)象。當高密度電流通過正在塑性變形的金屬時，因電流而產(chǎn)生的大量定向漂移電子會對金屬中的位錯施加一個額外的力，幫助位錯越過它前進中的障礙，從而降低變形抗方，提高變形肋廠使金屬產(chǎn)生超塑性。例如7475鋁合金在沿拉伸方向施加電流，在480℃

8、時獲得710％的拉伸伸長率，比常規(guī)超塑性變形溫度降低50℃，其M值也比無電流作用時明顯提高。研究表明，電致超塑性的根本原因是電流或電場對物質遷移的影響，包括空位、位錯、間隙原子等。62實現(xiàn)超塑性的條件621概述超塑性是相對常規(guī)塑性而言的，是在一定條件下常規(guī)塑性得以明顯改善而產(chǎn)生異常高的塑性的現(xiàn)象。原則上所有材料在一定條件下都具有超塑性，只是有些材料的超塑性條件不易實現(xiàn)，超塑性指標較低而沒有工業(yè)應用價值，有些材料則相反，這些材料通常被稱為

9、超塑性材料。超塑性的產(chǎn)生首先取決于材料的內(nèi)在條件，如化學成分、晶體結構、顯微組織(包括晶粒尺寸、形狀及分布等)及是否具有固態(tài)相變(包括同素異晶轉變，有序無序轉變及固溶脫溶轉變等)能力，外在條件包括變形溫度、加熱方式(恒溫或溫度循環(huán))及應變速率等。材料的超塑性通常指的是微細晶粒超塑性(恒溫超塑性或組織超塑性)，它要求材料具有微細而穩(wěn)定的等軸晶粒組織，即所謂晶粒的微細化、等軸化及穩(wěn)定化。超塑性變形溫度通常在05Tm~TmK的范圍內(nèi)，應變速率

10、一般為105~101／s實現(xiàn)組織超塑性的組織條件，概括起來有以下幾個方面1)組織超細化晶粒尺寸應小于10m，一般為0.5~5m。但也有例外，如鈦???合金(=500m)、金屬間化合物Fe3A1(=100m)等。這些合金粗大晶粒時也會出現(xiàn)超塑性。??2)晶粒等軸化等軸晶粒有利于晶界在切應力作用下產(chǎn)生晶界滑動。在變形過程中被拉長的晶粒只有通過再結晶變?yōu)榈容S晶粒時，才能在變形中發(fā)生大量的晶界滑動。3)晶粒穩(wěn)定性在超塑合金中應有第二相存在，因為

11、第二相能在合金的變形過程中有效地控制基體晶粒的長大。準單相合金因為在晶界存在有極少量的第二相粒子或夾雜物、雜質等，對晶界有釘扎作用，因而較單相合金有更好的晶粒穩(wěn)定性。4)對組織中第二相的要求超塑合金中的第二相強度和硬度應與基體相處于相同的量級上。如果第二相強度和硬度高于基體相，那么在變形應力的作用下在兩相界面上易產(chǎn)生孔洞，導致過早斷裂。兩相強度差越大，超塑性效應越差。若第二相強度和硬度高于基體相時，應使第二相在基體中以更微細化的尺寸呈彌

12、散狀的均勻分布；雖然這種粒子也會在基體相的界面土產(chǎn)生顯微孔洞，但在連續(xù)的變形中，這種孔洞會被粒子周圍的各種回復機制所抑制，不致于釀成較大孔洞。5)對基體晶粒晶界的要求超塑合金的基體相晶界應具有大角晶界性質。因為大角晶界在切應力作用下很容易發(fā)生晶界滑動，而小角晶界不易發(fā)生滑動。晶界還應具有易遷移質，當晶界滑動在三角晶界或晶界上的各種障礙處產(chǎn)生應力集中時，晶界遷移能使應力集中松弛。晶界遷移在超塑變形過程中始終存在，它能維持晶粒在變形中的等軸