第6章 超塑性及超塑變形機(jī)理

1、第6章超塑性及超塑變形機(jī)理超塑性及超塑變形機(jī)理6.1超塑性的概念611超塑性及其宏觀變形特征關(guān)于超塑性的定義，目前尚未有一個(gè)嚴(yán)格確切的描述。通常認(rèn)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(dāng)伸長率100％時(shí)，即可??稱為超塑性。實(shí)際上，有的超塑材料其伸長率可達(dá)到百分之幾百，甚至達(dá)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(dá)3200％以上。也有人用應(yīng)

2、變速率敏感性指數(shù)m值來定義超塑性，當(dāng)材料的m值大于03時(shí)，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(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)變，有序無序轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)耐庠跅l件(通常指變形條件)下將會(huì)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(yīng)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(shí)伸長率占極高，目前已有占達(dá)8000％以上的報(bào)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(fù)雜，難以成形構(gòu)件的一次成形變?yōu)榭赡堋?)小應(yīng)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(dòng)的特點(diǎn)，在最佳超塑變形條件下，超塑流變應(yīng)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(shí)的流動(dòng)應(yīng)力不超過2MPa，鈦合金板料超塑成形時(shí)，其流動(dòng)

4、應(yīng)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(dāng)出現(xiàn)早期縮頸后，由于應(yīng)力集中效應(yīng)使縮頸繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致提前斷裂。超塑性材料的塑性流變類似于粘性流動(dòng)，沒有(或很小)應(yīng)變硬化效應(yīng)，但對(duì)變形速度敏感，有所謂“應(yīng)變速率硬化效應(yīng)”，即變形速度增加時(shí)，材料的變形抗力增大(強(qiáng)化)。因此，超塑材料變形時(shí)雖然也會(huì)有縮頸形成，但由于縮頸部位變形速度增加而發(fā)生強(qiáng)化，從而使變形在其余未強(qiáng)化部分繼續(xù)進(jìn)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(jié)果，最終斷裂時(shí)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(yàn)時(shí)最終斷口部位可細(xì)如發(fā)絲；即斷面收縮率幾乎達(dá)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(dòng)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(shí)的流動(dòng)性和填充性很好，可進(jìn)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(shí)現(xiàn)超塑性的條件和變形特點(diǎn)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(xì)晶粒超塑性或結(jié)構(gòu)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(xì)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(diǎn)溫度，以熱力學(xué)溫度表示)，并且在變形時(shí)溫度保持恒定；應(yīng)變速率，要比材料常規(guī)拉伸試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變速率至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前s10~1014.????應(yīng)變速

7、率超塑性與金屬在高應(yīng)變速率條件下變形時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)，高應(yīng)變速率超塑性對(duì)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(chǎng)或電流作用下所表現(xiàn)出的超塑性現(xiàn)象。當(dāng)高密度電流通過正在塑性變形的金屬時(shí)，因電流而產(chǎn)生的大量定向漂移電子會(huì)對(duì)金屬中的位錯(cuò)施加一個(gè)額外的力，幫助位錯(cuò)越過它前進(jìn)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(shí)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(shí)明顯提高。研究表明，電致超塑性的根本原因是電流或電場(chǎng)對(duì)物質(zhì)遷移的影響，包括空位、位錯(cuò)、間隙原子等。62實(shí)現(xiàn)超塑性的條件621概述超塑性是相對(duì)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(shí)現(xiàn)，超塑性指標(biāo)較低而沒有工業(yè)應(yīng)用價(jià)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(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)變，有序無序轉(zhuǎn)變及固溶脫溶轉(zhuǎn)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(yīng)變速率等。材料的超塑性通常指的是微細(xì)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(xì)而穩(wěn)定的等軸晶粒組織，即所謂晶粒的微細(xì)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(yīng)變速率

10、一般為105~101／s實(shí)現(xiàn)組織超塑性的組織條件，概括起來有以下幾個(gè)方面1)組織超細(xì)化晶粒尺寸應(yīng)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(shí)也會(huì)出現(xiàn)超塑性。??2)晶粒等軸化等軸晶粒有利于晶界在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生晶界滑動(dòng)。在變形過程中被拉長的晶粒只有通過再結(jié)晶變?yōu)榈容S晶粒時(shí)，才能在變形中發(fā)生大量的晶界滑動(dòng)。3)晶粒穩(wěn)定性在超塑合金中應(yīng)有第二相存在，因?yàn)?/p>

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(zhǔn)單相合金因?yàn)樵诰Ы绱嬖谟袠O少量的第二相粒子或夾雜物、雜質(zhì)等，對(duì)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(duì)組織中第二相的要求超塑合金中的第二相強(qiáng)度和硬度應(yīng)與基體相處于相同的量級(jí)上。如果第二相強(qiáng)度和硬度高于基體相，那么在變形應(yīng)力的作用下在兩相界面上易產(chǎn)生孔洞，導(dǎo)致過早斷裂。兩相強(qiáng)度差越大，超塑性效應(yīng)越差。若第二相強(qiáng)度和硬度高于基體相時(shí)，應(yīng)使第二相在基體中以更微細(xì)化的尺寸呈彌

12、散狀的均勻分布；雖然這種粒子也會(huì)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(huì)被粒子周圍的各種回復(fù)機(jī)制所抑制，不致于釀成較大孔洞。5)對(duì)基體晶粒晶界的要求超塑合金的基體相晶界應(yīng)具有大角晶界性質(zhì)。因?yàn)榇蠼蔷Ы缭谇袘?yīng)力作用下很容易發(fā)生晶界滑動(dòng)，而小角晶界不易發(fā)生滑動(dòng)。晶界還應(yīng)具有易遷移質(zhì)，當(dāng)晶界滑動(dòng)在三角晶界或晶界上的各種障礙處產(chǎn)生應(yīng)力集中時(shí)，晶界遷移能使應(yīng)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