《超塑性合金》PPT课件.ppt

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1、第八章 超塑性合金,出现背景 高强度材料可以满足一些耐受性要求较高的部件制造，但加工难度相应也增大了。长期以来，人们一直希望能够很容易地对高强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。随着超塑性合金的出现，这种想象成为了现实。,超塑性现象的定义 年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒毫米时产生以上的延伸率，均属超塑性现象。年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现多种合金材料具有超塑性

2、。,在通常情况下，金属的延伸率不超过，而超塑性材料的最大延伸率可高达，个别的达到。金属只有在特定条件下才显示出超塑性。在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。有些金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使金属呈现相变超塑性。,超塑性合金的定义 超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年

3、发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。,60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。到了70年代，各种材料的超

4、塑性成型已发展成流行的新工艺。现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有1015个牌号，它们的延伸率在2002000之间。如铝锌共晶合金为1000，铝铜共晶合金为1150，纯铝高达6000，碳和不锈钢在150800之间，钛合金在4501000之间。,实现超塑性的主要条件 实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。,一般将金属的超塑性分为两大类：(1)结构超塑性。这类超塑性的特点是首

5、先要使金属材料具有晶粒尺寸为5m以下的稳定的超细晶粒结构，然后在一定的变形温度(05T熔)、变形速度(应变速率为110-110-4 s-1)下拉伸时，其延伸率即可达到200%2000%。,(2)动态超塑性。这类超塑性不要求金属具有超细晶粒，但要求金属具有相变或同素异形转变；在载荷作用下，将金属在相变或同素异形转变温度附近反复加热冷却，经过一定次数循环后，即可获得很高的延伸率，因此也称为相变超塑性或环境超塑性。,结构超塑性的特点：结构超塑性的变形力学特点可归纳为大延伸、无缩颈、低应力和易成形。(1)大延伸 超塑性金属的特点之一是宏观均匀变形能力极好，抗局部变形能力极大，或者说对缩颈的传播能力很强

6、。拉伸试验的断面收缩率接近100%，延伸率可达百分之几百，甚至达百分之二干。,(2)无缩颈。超塑性材料的无缩颈是指断口部位的断面收缩率 几乎可达100%。这说明缩颈部位存在应变速率硬化效应，即缩颈部位由于应变速率高而出现了强化，其余未强化的部位继续变形，而使缩颈向外传播，因之可获得特别大的宏观均匀变形。,(3)低应力。超塑性材料变形过程中的流变抗力很低，只有非超塑性状态下的几分之一或十几分之一，甚至几十分之一。(4)易成形。超塑性变形过程中，基本没有或只有微弱的加工硬化现象。超塑性金属材料的流动性、填充性均极佳，易于进行多种形式的塑性成形，例如，体积成形、板材和管材的气压成形、无模拉丝、无模成

7、形等等，这为金属塑性成形技术开辟了一条新途径。,在微观组织结构上，超塑性变形与一般塑性变形也有很大差别。如从表象上看，超塑性金属变形后，试样表面平滑、无起皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等。金相组织上，变形前的等轴细晶粒超塑性变形后，仍然为等轴晶粒，看不到晶粒被拉长。变形前的柱状晶粒经超塑性变形后变成等轴晶粒，原来具有的带状组织也能在变形后得到减弱甚至消失。,超塑加工具的实用价值 超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。而这

8、时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。,超塑性的铅合金已经商品化，如英国的Supral 100（A6Cu0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（AL5Ca5Zn）。铝板可在300600时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相

9、竞争的能力。据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等。,超塑性的应用 由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。超塑性压力加工方面的应用 超塑性压力加工，属于粘性和不完全粘性加工，对于形状复杂或变形量很大的零件，都可以一次直接成形。成形的方式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。相应的困难

10、是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、材料保护等都有一定的特殊要求。,相变超塑性在热处理方面的应用 相变超塑性在热处理领域可以得到多方面的应用，例如钢材的形变热处理、渗碳、渗氮、渗金属等方面都可以应用相变超塑性的原理来增加处理效应。相变超塑性还可以有效的细化晶粒，改善材料品质。,相变超塑性在焊接方面的应用 无论是恒温超塑性和相变超塑性都可以利用其流动特性及高扩散能力进行焊接。将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，即施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘和，得到牢固的焊接，我们称之为相变超塑性焊接-TSW。这种焊接由于加热温度低（在固相加热），没有一般熔化焊接的热影响区，

11、也没有高压焊接的大变形区，焊后可不经热处理或其它辅助加工，即可应用。相变超塑性焊接（TSW）所用的材料，可以是钢材、铸铁、Al合金、Ti合金等。焊接对偶可以是同种材料，也可以是异种材料。原则上具有相变点的金属或合金都可以进行超塑性相变焊接。非金属材料的多形体氧化物，如有代表性的陶瓷，ZrO2，MgAl04/Al203，MgO/BeO，MgCr04等同素异形转变，共晶反应，固溶体反应的材料等都可以发生相变超塑性，可以进行固相焊接。,相变诱发塑性-TRIP的应用 根据TRIP的特性，可在许多方面获得应用。实际上在热处理及压力加工方面已经在不自觉的应用了。例如淬火时用卡具校形，在紧固力并不太高的情况下能控制马氏体转变时的变形，即应时TRIP的作用。有些不锈钢（AISI301）在室温压力加工时可以得到很大的变形，其中就有马氏体的诱发转变。如果在变形过程中能够控制温度、变形速度及应变量，使马氏体徐徐转变，则会得到更良好的效果。在改善材质方面，有些材料经TRIP加工，可以在强度、塑性和韧性等方面获得很高的综合机械性能。,结束,