金属超塑性

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欢迎访问e展厅 展厅 8 有色金属展厅 铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ... 金属超塑性的定义： 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。 超塑性的历史及发展： 超塑性现象最早的报道是在1920年，ROSENHAIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。1934年，英国的C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战，这方面的研究没有进行下去。1945年前苏联的A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出"超塑性"这一名词。1964年，美国的W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数-m值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。 从六十年代起，各国学者在超塑性材料、力学、机理、成形等方面进行了大量的研究，并初步形成了比较完整的理论体系。 特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。同时超塑性金属的品种和数量也有了大幅度的增加，除了早期的共晶、共析型金属外，还有沉淀硬化型和高级合金；除了低熔点的Pb基、Sn基和著名的Zn-Al共析合金外，还有Mg基、Al基、Cu基、Ni基和Ti基等有色金属以及Fe基合金（Fe-Cr-Ni，Fe- Cr等）、炭钢、低合金钢以及铸铁等黑色金属，总数已达数百种。除此之外，相变超塑性、"先进材料"（ 如金属基复合材、金属间化合物、陶瓷等）的超塑性也得到了很大的发展。 近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三个方面： 1. 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性对于其应用具有重要意义； 2. 高速超塑性的研究：提高超塑变形的速率，目的在于提高超塑成形的生产率； 3. 研究非理想超塑材料（例如共货态工业合金）的超塑性变形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更大的效益。 超塑性的分类： 早期由于超塑性现象仅限于Bi-Sn和Ai-Cu共晶合金、Zn-Al共析合金等少数低熔点的有色金属，也曾有人认为超塑性现象只是一种特殊现象。随着更多的金属及合金实现了超塑性，以及与金相组织及结构联系起来研究以后，发现超塑性金属有着本身的一些特殊规律，这些规律带有普遍的性质。而并不局限于少数金属中。因此按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般分为以下几种： 1. 恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。 一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。在一定的温度区间（Ts≥0.5Tm，Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）和一定的变形速度条件下（应变速率在10-4~10-1/S之间）呈现超塑性。这里指的微细晶粒尺寸，大都在微米级，其范围在0.5～5μ之间。一般来说，晶粒越细越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如Ti合金）晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。还应当指出，由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸，如果热稳定性差，在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。 2. 相变超塑性或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态超塑性。 这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。例如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A1,3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（αγ)的两次转变，可以得到二次条约式的均匀延伸。 等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试验表明，延伸率可达到500%以上，这样变形的特点是，初期时每一次循环的变形量（△ε∕N）比较小，而在一定次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。 有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很大的塑性，并且淬火过程中奥氏体向马氏体转变，即无扩散的脆性转变过程（γ→a）中，也具有相当程度的塑性。同样，在淬火后有大量残余奥氏体的组织状态下，回火过程，残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以获得异常高的塑性。另外，如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定温度区间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变，在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小与转变量的多少，变形温度及变形速度有关。这种过程称为"转变诱发塑性"。即所谓"TRIP"现象。Fe-Ni合金，Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。 3. 其它超塑性（或第三类超塑性）：在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性，根据Johnson试验，在具有异向性热膨胀的材料如U，Zr等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性。有人把a-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。 也有人把上述的第二及第三类超塑性称为动态超塑性或环境超塑性。 典型的超塑性材料： 目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。部分典型的超塑性合金见下表： 合金成分（Wt%） M 延伸率δ(%) 变形温度（℃） 共析合金 　 Zn-22Al 0.5 >1500 200~300 共晶合金 　 Zn-5Al 0.48～0.5 300 200～360 　 　 　 　 Al-33Cu 0.9 500 440～520 Al-Si - 120 450 Cu-Ag 0.53 500 675 Mg-33Al 0.85 2100 350～400 Sn-38Pb 0.59 1080 20 Bi-44Sn - 1950 20～30 Pb-Cd 0.35 800 100 Al基合金 　 Al-6Cu-0.5Zr 0.5 1800～2000 390～500 Al-25.2Cu-5.2Si 0.43 1310 500 Al-4.2Zn-1.55Mg 0.9 100 530 Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr 0.9 1550 550 Al-8Zn-1Mg-0.5Zr - >1000 - Al-33Cu-7Mg 0.72 >600 420～480 Al-Zn-Ca 　 267 500 Cu基合金 　 Cu-9.5Al-4Fe 0.64 770 800 Cu-40Zn 0.64 515 600 Fe-C合金（钢铁） 　 Fe-0.8C 　 210～250 680 Fe-(1.3,1.6,1.9)C 　 470 530～640 GCr15 0.42 540 700 Fe-1.5C-1.5Cr 　 1200 650 Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V 　 817 650 AISI01(0.8C) 0.5 1200 650 52160 0.6 1220 650 高级合金 　 901 - 400 900～950 Ti-6Al-4V 0.85 >1000 800～1000 IN744Fe-6.5Ni-26Cr 0.5 1000 950 Ni-26.2Fe-34.9Cr-0.58Ti 0.5 >1000 795～855 IN100 0.5 1000 1093 纯金属 　 Zn（商业用） 0.2 400 20～70 Ni 　 225 820 U700 0.42 1000 1035 Zr合金 0.5 200 900 Al商业用） 0. 6000(扭转) 377～577 注： （1）延伸率与试样尺寸、形状有关，不能准确比较。 （2）m值由于测量方法不同，也不能精确比较。 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，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。 一种典型的超塑性工艺：超塑成形-扩散焊复合工艺已在空航天制造业中发挥着日益重要的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/30/2005)