材料加工与成型5

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黄光胜

3.4 超塑性及其成形3.4.1 超塑性的概念 “超塑性”,就是超出一般塑性指标的金属特性。作为衡 量塑性优劣的一个重要指标——延伸率，一般金属均不超 过百分之几十，如黑色金属不大于40%,有色金属也不超 过60%(软铝约为50%,而金、银一般也只80%),即使在 高温下，也难以达到100%。 为了提高金属的塑性，人们企图从材料的提纯、冶炼、锻 造和热处理中设法改善金属的塑性，但都未能大幅度地提 高塑性。据统计从1928年到1969年，四十年间工业用金属 材料平均延伸率的提高不超过10%,常规的冶金学对塑性 的提高并未取得明显的变化。

半个多世纪来，在金属变形的研究中，有人发现某些金属 在一定条件下具有大大超过一般塑性的特异性能，这些具 有超塑性的金属，其延伸率可超过百分之百，甚至百分之 几千也不会产生缩颈现象，同时变形抗力很小。 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，表现出异常高的延 伸率而不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于100%时，即 可称为超塑性。

也有人用应变速率敏感指数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。

m值的物理意义: 在试样拉伸变形区某一局部 产生颈缩时，其应变速率增加; 当材料m值较大时，为使颈缩扩 展，就需要更大的应力，从而使 变形向其他地方转移，因而拉伸 试样呈现近似均匀的伸长变形。 m值是材料参数，它还与材 料显微组织的变化如拉伸中晶粒 粗化的程度和m值对晶粒度的敏 感程度等有关。

超塑性的特点根据超塑性的宏观变形特性 ，超塑性具有以下特点： 大变形 无缩颈 小应力 易成形 模具寿命长 零件尺寸稳定(无回弹)

超塑性分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性) 一般所指超塑性多属这类，它是目前国内外研究得最多的 一种。其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶 粒，晶粒尺寸通常小于10 微米，并且在超塑性温度下晶粒 不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T >0.5Tm(Tm为材料熔点温度，以绝对温度表示),并且在 变形时保持恒定温度，第三个条件是应变速率比较低 一 般d=10-4~10-1/s,要比普通金属拉伸试验时应变速率至少 低一个数量级。 一般说来，晶粒越细越有利于超塑性变形，但对有些材料 来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的 超塑性能。

250 200 150 1×10-1s-1 1×10-2s-1 1×10-3s-1 1×10-4s-1

/ % 10050 0 0 100 200 300 400

t /℃ 商业态AZ31B镁合金拉伸断

裂延伸率

2 相变超塑性(即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，而是在一定的温度和 负荷条件下，经过反复的循环相交或同素异形转变而获得 很大的延伸率。其必要条件是应具有固态相变的特性，并 在外载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，这样 就能诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈 运动而呈现超塑性。

例如碳素钢和低合金钢，加一定的负荷，同时于A1温度上 下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生 ←→ 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延伸。 相变超塑性不要求微细等轴晶粒，但是要求变形温度频 繁变化，给实际应用带来困难，故实用上受到限制。

3 其它超塑性 某些材料在一定条件下快速变形时，也能显示超塑性。例如 标距25mm的热轧低碳钢棒快速加热到 + 两相区，保温5~ 10s并快速拉伸，其伸长率可达到100%~300%。这种在短暂 时间内产生的超塑性称为短暂超塑性或临时超塑性。短暂超 塑性是在再结晶及组织转变时的极不稳定的显微组织状态下 生成等轴超细晶粒。从本质上来说，短暂性超塑性是微细晶 粒超塑性的一种，控制微细的等轴晶粒出现的时机是实现短 暂性超塑性的关键。 某些材料在相变过程中伴随着相变可以产生较大的塑性，这 种现象称为相变诱发超塑性。如进行拉伸，使准稳定奥氏体 向马氏体转变，伸长率高达110%。 电致超塑性是材料在电场或电流作用下所表现出的超塑性现 象。

3.4.2 超塑性变形的组织特征 晶粒的粗化

组织超塑性要求材料具有微细的等轴晶粒，但在超 塑变形中会发生粗化，等轴晶粒在超塑变形后期发生晶 粒严重粗化时，因变形机制改变也会使等轴性受到破坏 ，晶粒沿拉伸轴方向伸长。不同类型材料的晶粒粗化速 度是不同的。 动态再结晶 动态再结晶是合金在超塑性变形中比较普遍存在的 组织效应。具有原始纤维组织(轧制态或挤压态)的合 金在拉伸变形中容易通过再结晶使纤维组织变为等轴细 晶组织。

晶粒的滑动和转动 晶粒的滑动和转动在超塑性变形时是经常发生的，通过 这些运动可以使拉伸试样得到极大的延伸。晶粒在滑动和转 动过程中其尺寸和形状会有所变化，但仍会保持接近1的等 轴比。晶粒的滑动和转动并非刚性运动，因为超塑性变形类 似物质的粘滞性流动。在超塑性变形条件下晶界强度低于晶 内强度，所以变形主要表现为晶界滑动行为，实质是晶界位 错运动。

一般认为，晶粒转动是无规则的，主要是适应变形需要

而产生的，晶粒转动也是晶界滑动作用的表现形式。

孔洞和断裂 孔洞是合金超塑性拉伸变形中很重 要的组织特征，虽然不能说所有合金超塑 性拉伸断裂都是由孔洞造成的，但可以说 大多数合金拉断是孔洞的连接引起的。孔 洞住住产生于晶界、三角晶界、或第二相 粒子处，后者是因为高温下合金中的第二 相有比基体高得多的强度(硬度),当晶 界滑动时界面上的粒子不会发生协调变形 而产生孔洞。 超塑材料的典型特点之一是其对孔洞 产生和孔洞连接的高阻力。孔洞形态明显 依赖于应变速率。

3.4.3 超塑性变形机理 扩散蠕变机理 晶界滑动机理 动态再结晶机理 复合机制和变形理论