第6章 超塑性及超塑变形机理

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1、第6章超塑性及超塑变形机理6.1超塑性的概念6．1．1超塑性及其宏观变形特征关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。当伸长率100％时，即可称为超塑性。实际上，有的超塑材料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。也有人用应变速率敏感性指数m值来定义超塑性，当材料的m值大于0．3时，材料即具有超塑性。超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显

2、微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力。在上述内在条件满足一定要求的情况下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。1)大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。2)小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半

3、粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。3)无缩颈一般具有一定塑性变形能力的材料在拉伸变形过程中，当出现早期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续发展，导致提前断裂。超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度敏感，有所谓“应变速率硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。因此，超塑材料变形时虽然也会有缩颈形成，但由于缩颈部位变形速度增加而发生强

4、化，从而使变形在其余未强化部分继续进行，这样能获得巨大的宏观均匀变形而不发生断裂。超塑性的缩颈是指宏观的变形结果，最终断裂时断口部位的截面尺寸与均匀变形部位相差很小。例如Zn·22％Al合金超塑拉伸试验时最终断口部位可细如发丝；即断面收缩率几乎达到100%。4)易成形超塑材料在变形过程中呈现极好的稳定流动性，变形抗力很小且没有明显的加工硬化现象，压力加工时的流动性和填充性很好，可进行诸如体积成形，气胀成形，无模拉拔等多种形式的塑性成形加工。6．1．2超塑性分类按照实现超塑性的条件和变形特点的不同，目前一般将超塑性分为以下几类。1）组织超塑性组织超塑性又称为恒

5、温超塑性或微细晶粒超塑性或结构超塑性，它是目前国内外研究最多的一种。组织超塑性要求材料具有均匀的、细小的等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10m，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓稳定性好；其次要求变形韫度T>0.5Tm，(Tm为材料熔点温度，以热力学温度表示)，并且在变形时温度保持恒定；应变速率，要比材料常规拉伸试验时应变速率至少低一个数量级。目前已发现共晶型、共析型合金大多具有超塑性，许多两相合金及准单相合金中相当一部分也可呈现超塑性。一般说来、晶粒越细小越有利于超塑性变形，但有些材料如钛合金及某些金属间化合物，其晶粒尺寸达几十微米时仍具有超塑性。组织超塑性

6、除了对材料的组织有一定要求外，它对应变速率和变形温度也很敏感，只是在一定的变形速度和变形温度范周内才能表现出最好的超塑性。根据金属超塑性变形的基本关系表达式则m值可根据实验和式(1-1)、m、的关系曲线在对数坐标上呈现“S”形，S曲线的斜率即为m值。在图1.1中、可将S摘线分为三个区(即图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)，Ⅰ区相当于蠕变类型低应变速率区，它是在极慢速度下变形的。随着值的增加而缓慢上升，近似于蠕变曲线。Ⅲ区相当于一般塑性加工的高应变速率区，值的变化近似于一般拉伸曲线。在I、Ⅲ区，m值均很低。超塑性范围是在Ⅱ区，m值在该区的变化最大，并随着的增大而急剧增高，达

7、最大值后又迅速下降，因而出现了峰值(S曲线Ⅱ区上斜率最大处)。在超塑性变形中应变速率敏感性指数m值表示材料抵抗缩颈发展的能力，m值越大，抗缩颈发展的能力越好，则伸长率越大。2)相变超塑性相变超塑性又称变温超塑性或动态超塑性。这类超塑性不要求材料有超细晶粒，但要求材料应具有固态相变，这样在外载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发材料产生反复的组织结构变化而获得大的伸长率。例如碳素钢和低合金钢，在一定载荷作用下，同时于Al温度上下施以反复的加热和冷却，每循环一次，则发生了的两次转变，可以得到二次跳跃式的均匀延伸，这样多次的循环即可得到累积的大伸长率。又如

8、共析钢在538—815℃之间，经过21次热循环，可得