大块非晶合金的超塑性成形技术及发展现状

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1、本科生课程论文(2013-2014学年第二学期)大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状曾昭源提交日期：2014、6、2学生签名：曾昭源学号201330084016学院机械与汽车工程学院课程编号课程名称塑性加工及模具计算机技术学位类别学士任课教师夏琴香教授教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状曾昭源摘要：与晶态合金相比，大块非晶合金成形出来的零件在表面光洁度、强度、硬度、冲击断裂性能以及耐腐蚀性等方面具有十分明显的优势。但是大块非晶合金的高强度、高硬度的特点使得其

2、在室温下机加工困难、可塑性差、延伸率几乎为零，这大大制约了非晶合金的广泛应用。超塑性成形方法是利用大块非晶合金在过冷液相区下呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态而表现出优良的塑性的特点，实现对大块非晶合金的塑性加工。本文从大块非晶合金的超塑成形原理、影响非晶合金超塑性的因素以及该技术在精细零部件中的应用等方面对大块非晶合金超塑性成形技术进行综述，介绍大块非晶合金在上述三方面的研究现状，指出目前研究主要考虑了温度和应变速率对大块非晶合金超塑性的影响，而对应力应变状态、加热速率等研究却很少涉及。

3、同时说明了理论体系建立落后于实验研究是目前大块非晶合金超塑成形技术的主要问题。关键词：大块非晶合金；过冷液相区；超塑性成形；温度；应变速率；精细零部件1大块非晶合金超塑性成形机理及其特点大块非晶合金是指在结构上具有长程无序、短程有序和各向同性的特点，其原子在空间排列上不具有周期性和平移性，不存在晶态合金所特有的各种晶体缺陷的一类合金。[1]大块非晶合金在热力学上属于亚稳态材料，当温度升高时，会发生玻璃化转变，进而发生晶化反应。在玻璃转化温度与晶化开始温度之间存在一个50~150C的温度区间，这个区间

4、被称为过冷液相区。正是这一特殊区域的存在，使大块非晶合金可以在保持类似于液体结构的同时表现出具有一定粘度的与氧化物玻璃极为相似的性质，呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态，表现出优良的超塑性能。[2]因此，对于大块非晶合金，所谓的超塑性成形是指把合金的温度控制在过冷液相区的塑性成形。与传统的成形工艺相比，大块非晶合金超塑性成形机理成形出来的零件具有高强度、高精度、高表面光洁度的特点，适合应用于国防装备、航空航天器件、精密机械等领域精密零部件的制造。2影响大块非晶合金超塑性的因素2.1温度对大

5、块非晶合金超塑变形的影响以Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金为例[3]，由其图1所示为采用NETzsCHDSC204热分析仪测得的该非晶合金的示差扫描量热分析(DSC)曲线可看出该大块非晶合金的过冷温度域为635.6K——710.4K。如图2为实验测得的zr基非晶合金在不同温度下的应力一应变曲线。图2由图2可以看出，在573K（不在过冷温度域内）的条件下，该大块非晶合金具有非常大的强度，在1GPa以上。但是在632K—678K的过冷温度条件下，该大块非晶合金具有

6、较小的流变应力，且随着温度的升高流变应力逐渐下降。由这样看来在过冷温度域内，大块非晶合金的温度越高越易加工，但是在实际的制造中还需要考虑另一个重要因素随着保温时间的增加，非晶合金会发生晶化现象，晶化后的合金会失去许多优良的性能。图3所示为通过等温DSC曲线获得的Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金在过冷温度区域的温度一时间一晶化转变曲线(各晶化转变点由第二晶化峰决定)。由图中可以看出，在过冷温度域内，随着温度的升高，合金发生晶化的时间会变短，也就是说温度越高，大块

7、非晶合金的可加工时间会越短。因此，综合图2与图3该大块非晶合金在金在653～668K的温度下进行超塑性成形较为理想。从上述的两个实验我们可以看出大块非晶合金的流变应力对温度是极其敏感的，在实际生产中不但要考虑温度对大块非晶合金变形的影响，还要考虑晶化现象对大块非晶合金的影响。图32.2应变速率对大块非晶合金的变形的影响以Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金的拉伸实验为例[4]，如图4所示为不同温度下Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非

8、晶合金的流变应力和延伸率与拉伸速率的关系。Kawamura等综合研究了Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5和Pd40Ni40P20的高温变形行为，发现在过冷液态区，材料的变形行为强烈依赖于应变速率。如图5为Kawamura的实验结果[5]。1964年Baclofen建立超塑性拉伸变形的指数方程：(为应力；为应变速率；k为材料常数；m为应变速率敏感性指数)[6].因此综上述两个实验和Baclofen提出的理论，应变速率直接决定了非晶合金的变形方式