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

2、件，如化学成分、晶体结构、显微组织(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

3、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

4、(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．

5、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

6、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

7、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

8、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。又如共析钢在538—815℃之间，经过21次热循环，可得