超塑性材料资料下载.pdf

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100%；

脆性材料压缩：

呈现出明显的塑性脆性材料压缩：

呈现出明显的塑性3超塑性是材料本身的塑性超塑性是材料本身的塑性组织、相变组织、相变再结晶、固再结晶、固溶度变化等溶度变化等开发材料开发材料塑性的潜力塑性的潜力变形温度变形温度变形速度变形速度外部外部因素因素内部内部因素因素相互协调相互协调保持合理保持合理平衡平衡3.1概述概述43.1.23.1.2超塑性的发展超塑性的发展1920年，发现年，发现Zn4Cu7Al合金低速弯曲时，可弯曲近合金低速弯曲时，可弯曲近1801934年，英国发现年，英国发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以共晶合金在室温低速拉伸时可以得到近乎无颈缩的得到近乎无颈缩的2000%的延伸率的延伸率第二次世界大战期间，由于战争的影响，这方面的研究没第二次世界大战期间，由于战争的影响，这方面的研究没有进行下去有进行下去1945年前苏联发现年前苏联发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词提出“超塑性”这一名词1964年，美国提出了应变速率敏感性指数年，美国提出了应变速率敏感性指数:

m值这个新概念，值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础为超塑性研究奠定了基础3.1概述概述53.1.33.1.3超塑性的分类超塑性的分类恒温超塑性（微细晶粒超塑性）相变超塑性其它超塑性按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力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：

状态等）一般分为以下几种：

3.1概述概述611）恒温超塑性）恒温超塑性（也称微细晶粒超塑性也称微细晶粒超塑性）成成形形条条件件稳定的等轴微细晶粒组织（通常稳定的等轴微细晶粒组织（通常0.55m）一定的温度区间（一定的温度区间（Ts=0.50.65Tm，Ts和和Tm分别为分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）一定的变形速度（应变速率在一定的变形速度（应变速率在10-410-1/S之间）之间）3.1概述概述722）相变超塑性）相变超塑性在一定温度范围和负荷条件下，经过多次循环相变同素异形转变获得大延伸。

Tt相变温度相变温度特特点点具有相变的金属及合金都可通过相变过程实现超塑性变形初期时每一次循环的变形量（）比较小，而在一定次数之后，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。

N3.1概述概述833）其它超塑性）其它超塑性在消除应力退火过程中可以得到超塑性在消除应力退火过程中可以得到超塑性AlAl-5%Si5%Si及及AlAl-4%Cu4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性可以得到超塑性在具有异向性热膨胀的材料如在具有异向性热膨胀的材料如UU，ZrZr等，加热时可有超等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性塑性，称为异向超塑性球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可得到超塑性球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可得到超塑性由于技术较复杂，目前只限于实验室研究3.1概述概述93.1.43.1.4超塑性的特点超塑性的特点因此在比常规变形低得多的载荷下，可以成形出高质量、高精因此在比常规变形低得多的载荷下，可以成形出高质量、高精度的薄壁、薄腹板、高肋的和其它形状复杂的制品，并且可以度的薄壁、薄腹板、高肋的和其它形状复杂的制品，并且可以复制出模具上的精细的纹路和线条。

复制出模具上的精细的纹路和线条。

超塑性材料具有较低的流动应力超塑性材料具有较低的流动应力比常规变形高一个数量级以上的伸长率比常规变形高一个数量级以上的伸长率良好的流动性良好的流动性复制性复制性晶界滑移变形的比例大幅度提高晶界滑移变形的比例大幅度提高3.1概述概述10镁合金精密齿轮镁合金精密齿轮300,110-3/s，约，约1000秒完成秒完成3.1概述概述11Zr-Ti-Ni-Cu-Be精密器件精密器件齿轮齿轮凸轮凸轮成型条件：

成型条件：

390390，6.56.51010-44/s/s齿轮约齿轮约800800-10001000秒完成，凸轮约秒完成，凸轮约180180秒完成秒完成3.1概述概述123.23.2超塑性现象超塑性现象3.2.13.2.1超塑性本构方程超塑性本构方程mA式中：

式中：

超塑性流动应力超塑性流动应力应变速率应变速率AA材料常数材料常数mm应变速率敏感性指数，称为应变速率敏感性指数，称为mm值值贝可芬贝可芬（Backofen）（Backofen）方程方程3.2超塑性现象超塑性现象13dAmdm1mddlglgddddmmA求导求导上两式相除上两式相除当当m0.3时为超塑性材料时为超塑性材料3.2超塑性现象超塑性现象14对于普通材料，在进行单向拉伸实验时，很容易在局部对于普通材料，在进行单向拉伸实验时，很容易在局部产生颈缩，引起颈缩处的局部变形速度增加，由于产生颈缩，引起颈缩处的局部变形速度增加，由于m较小，较小，流动应力对应变速率不十分敏感，当变形超过一定限度，流动应力对应变速率不十分敏感，当变形超过一定限度，就会在颈缩处发生断裂。

就会在颈缩处发生断裂。

m值的物理意义是阻碍颈缩的发展，值的物理意义是阻碍颈缩的发展，维持变形的均匀性维持变形的均匀性3.2超塑性现象超塑性现象15超塑性材料由于超塑性材料由于m值较大，使得流动应力对应变值较大，使得流动应力对应变速率非常敏感，颈缩处的局部变形速度的增加，速率非常敏感，颈缩处的局部变形速度的增加，会使该区流动应力得到明显提高，使颈缩处发生会使该区流动应力得到明显提高，使颈缩处发生显著硬化，变形就会转移到其它部位，从而可获显著硬化，变形就会转移到其它部位，从而可获得较大的延伸率。

得较大的延伸率。

3.2超塑性现象超塑性现象16Zr41.2Ti13.8Ni10Cu12.5Be22.5试验温度：

试验温度：

3833.2超塑性现象超塑性现象173.2.3.2.22超塑性变形机理超塑性变形机理溶解溶解沉淀理论沉淀理论亚稳态理论亚稳态理论晶界滑移晶界滑移晶粒转动晶粒转动扩散蠕变扩散蠕变位错运动位错运动动态再结晶动态再结晶晶界的非晶质流动晶界的非晶质流动3.2超塑性现象超塑性现象18s/104属于蠕变速度区域；

ss/10/1014超塑性的速度区s/101属于常规变形速度区域。

3.2超塑性现象超塑性现象19晶界滑移晶界滑移晶内滑移晶内滑移蠕蠕变变10-410-310-260%10%30%单相单相AlAl-ZnZn-MgMg合金合金（晶粒（晶粒8.38.3mm）晶）晶界滑移、晶内滑移、界滑移、晶内滑移、蠕变的比例蠕变的比例目前的研究结果表明，晶界滑移约占全部变形的60-80%。

3.2超塑性现象超塑性现象203.33.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术3.3.1微细晶粒超塑性材料微细晶粒超塑性材料3.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术有色金属有色金属铝合金、锌铝合金、钛合金等应用非常广泛。

铝合金、锌铝合金、钛合金等应用非常广泛。

21有色金属超塑性材料合金名称组成（%）温度（）最高m值最大延伸率（%）Al合金Supral100A7475A8090Al-Zn-Mg-ZrAl-6Cu-0.4ZrAl-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.3CrAl-2.5Li-1.2Cu-0.7Mg-0.12ZrAl-10.7Zn-0.9Mg-0.4Zr3504755005205005405500.50.70.60.9100080010001550Ag合金Ag-CuAg-28.1Cu6750.53500Bi合金Bi-InBi-SnBi-66InBi-44Sn2020300.76-4501500Cd合金Cd-ZnCd-ZnCd-16ZnCd-27Zn202030-0.5200350Co合金Co-AlCo-10Al12000.47850Cr合金Cr-CoCr-30Co1200-160Cu合金C6301Cu-10Al-6Ni-4Fe-1Mn8000.40.685500Mg合金Mg-AlZK60AMg-33.6AlMg-5.5Zn-0.5Zr4002703100.80.4210017003.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术22有色金属超塑性材料（续）合金名称组成（%）温度（）最高m值最大延伸率（%）Ni合金IN100Ni-Cr-FeNi-10Cr-15Co-4.5Ti-5.5Al-3MoNi-39Cr-10Fe-1.75Ti-1Al92710938109800.50.513001000Pb合金Pb-SnPb-19Sn200.5500Sn合金Sn-BiSn-PbSn-5BiSn-38.1Pb20200.680.510001100Ti合金IMI317IMI318Ti-5Al-2.5SnTi-6Al-4V900110080010000.720.854501000W合金W-ReW-1530Re20000.46200Zn合金Zn-AlZn-AlZn-AlZn-AlZn-0.2AlZn-0.4AlZn-4.9AlZn-22Al23202003602003000.810.430.50.450.646555030050015003.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术23钢铁材料钢铁材料黑色金属超塑性的研究涉及碳钢、低合金钢和黑色金属超塑性的研究涉及碳钢、低合金钢和高合金钢等等，与有色金属超塑性材料相比，高合金钢等等，与有色金属超塑性材料相比，黑色金属超塑性材料是比较少的。

并且其延伸黑色金属超塑性材料是比较少的。

并且其延伸率也不如有色金属超塑性材料的高。

率也不如有色金属超塑性材料的高。

像一些通常被称为难变形的材料，如合金钢、像一些通常被称为难变形的材料，如合金钢、轴承钢、工具钢、不锈钢等在一定条件下会出轴承钢、工具钢、不锈钢等在一定条件下会出现超塑性。

现超塑性。

3.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术24部分黑色金属超塑性材料合金组成（%）温度（）最高m值最大延伸率（%）共析钢Fe-0.8CFe-0.91C-0.45Mn7057160.350.42100133过共析钢Fe-1.31.9C6008000.52750白口铁Fe-2.6C6008000.5压缩合金钢Fe-0.42C-1.9MnFe-1.5Mn-0.8PFe-1.5Ni-1.0PFe-0.15C-0.19Si-1.16Mn-0.014Al-0.014Nb7238009008009007900.50.520.520.6460400400790轴承钢Fe-0.75C-0.29Si-0.32Mn-.29Cr-0.02Mo7300.33850高合金钢Fe-4Ni-3Mo-1.6Ti9000.58820IN744Fe-26Cr-6.5Ni8709800.5600Fe-CuFe-50Cu8000.32300工具钢Fe-0.88C-1.15Mn-0.48Cr-0.5W-0.22V6500.51200高速钢Fe-1.25C-4Cr-5Mo-6V-8Co-0.35Si-0.28Mn-0.07Cu1000_332双相不锈钢Fe-24.66Cr-6.82Ni-2.79Mo-0.46Cu-0.28W-0.017C-0.48Si-0.85Mn-0.148N95010500.5250025在结构陶瓷（如在结构陶瓷（如Y2O3稳定的稳定的ZrO2）、功能陶瓷）、功能陶瓷（如羟基磷灰石）、陶瓷复合材料（如（如羟基磷灰石）、陶瓷复合材料（如Al2O3增强增强的的Y2O3+ZrO2，SiC增强的增强的Si3N4,Fe3C/Fe等）、金等）、金属间化合物（如硅镍化合物，镍铝化合物，钛铝属间化合物（如硅镍化合物，镍铝化合物，钛铝化合物等）和金属基复合材料中也都发现了超塑化合物等）和金属基复合材料中也都发现了超塑性。

性。

陶瓷材料陶瓷材料3.3细晶超塑性材料制备技术细晶超塑性材料制备技术26陶瓷材料陶瓷材料硬度高、脆性大、难于塑性加工硬度高、脆性大、难于塑性加工熔点高、无法铸造成形熔点高、无法铸造成形通过细化晶粒（通过细化晶粒（200%时，晶粒拉长；

时，晶粒拉长；

MA8镁合金镁合金温度温度4002小时保温，晶粒大小基本不变小时保温，晶粒大小基本不变1.610-4/s，=200%时：

时：

晶粒拉长方向的晶粒尺寸晶粒拉长方向的晶粒尺寸39m；

垂直方向的晶粒尺寸垂直方向的晶粒尺寸18m。

3.5超塑性变形过程中的组织变化超塑性变形过程中的组织变化88（44）无位错运动）无位错运动在最佳应变速度时，不形成亚结构，这种亚在最佳应变速度时，不形成亚结构，这种亚结构只有在高速（超过了超塑性速度范围）结构只有在高速（超过了超塑性速度范围）时才可以观察到。

时才可以观察到。

目前的试验表明：

没有发现位错的运动，或目前的试验表明：

没有发现位错的运动，或只看到个别位错的运动。

只看到个别位错的运动。

3.5超塑性变形过程中的组织变化超塑性变形过程中的组织变化89（55）形成孔洞）形成孔洞超塑性变形时另一重要的特点是，在许多合金中发超塑性变形时另一重要的特点是，在许多合金中发现了孔洞增加。

孔洞随应变速率增加而增多，并且现了孔洞增加。

孔洞随应变速率增加而增多，并且随晶粒长大，其数量增多，孔洞通常在晶界上发生。

随晶粒长大，其数量增多，孔洞通常在晶界上发生。

原因：

空位在变形期间，向晶界处汇流形成的空位在变形期间，向晶界处汇流形成的晶界滑移未能充分相互协调的缘故晶界滑移未能充分相互协调的缘故措施：

措施：

晶粒细化，附加反向力晶粒细化，附加反向力3.5超塑性变形过程中的组织变化超塑性变形过程中的组织变化90晶粒尺寸增加0.61.01.41.82.22.63.03.410234超塑性应变，l=ln（l/l0）图2.23晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响孔洞体积含量，%T=516晶粒尺寸增加0.61.01.41.82.22.63.03.410234超塑性应变，l=ln（l/l0）图2.23晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响孔洞体积含量，%T=5160.61.01.41.82.22.63.03.410234超塑性应变，l=ln（l/l0）图2.23晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响孔洞体积含量，%0.61.01.41.82.22.63.03.4102340.61.01.41.82.22.63.03.40.61.01.41.82.22.63.03.410234超塑性应变，l=ln（l/l0）图2.23晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响孔洞体积含量，%T=516晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响晶粒尺寸对孔洞体积含量的影响超塑性应变=ln（l/l0）3.5超塑性变形过程中的组织变化超塑性变形过程中的组织变化910.30.60.91.21.50.00.40.81.21.62.0孔洞体积含量，%等效应变，eg无反向压力反向压力=1.03MPa反向压力=2.06MPaT=516s/101.44图2.24附加反向压力对孔洞体积含量的影响3.5超塑性变形过程中的组织变化超塑性变形过程中的组织变化923.63.6细晶超塑性产品缺陷及预防措施细晶超塑性产品缺陷及预防措施表面缺陷表面缺陷3.6细晶超塑性产品缺陷及预防措施细晶超塑性产品缺陷及预防措施超塑性材料可以在低应力下成形，具有粘超塑性材料可以在低应力下成形，具有粘性流动的特征，所以在板成形及体材成形性流动的特征，所以在板成形及体材成形过程中，容易在外表面产生缺陷。

过程中，容易在外表面产生缺陷。

因此，在工艺设计上要给予充分注意。

93内部缺陷内部缺陷内部孔洞：

由较细部位变形速度加大而引起的。

会影响材料的抗疲劳、抗蠕变、抗应力松弛、耐会影响材料的抗疲劳、抗蠕变、抗应力松弛、耐腐蚀、耐磨等性能。

腐蚀、耐磨等性能。

采取措施采取措施：

晶粒微细化、控制变形温度和应变速晶粒微细化、控制变形温度和应变速率、施加反向压力。

率、施加反向压力。

晶粒过细：

造成室温变形抗力依然低，影响产品造成室温变形抗力依然低，影响产品的强度、硬度、抗蠕变等性能。

的强度、硬度、抗蠕变等性能。

成形后退火成形后退火3.6细晶超塑性产品缺陷及预防措施细晶超塑性产品缺陷及预防措施94板成形时缺陷的产生及对策板成形时缺陷的产生及对策类别现象措施热收缩量尺寸超差在设计模具时，要考虑被加工材料及模具随温度的变化量气孔模具压合不好设置排气孔应变及应变速率梯度颈缩及裂纹确立最佳的工艺参数和合理的模具形状，避免较大的应变及应变速率梯度的产生3.6细晶超塑性产品缺陷及预防措施细晶超塑性产品缺陷及预防措施95体积成形时缺陷的产生及防止方法体积成形时缺陷的产生及防止方法类别现象措施热收缩尺寸超差设计模具时要考虑脱模温度气孔模具压合不好设置排气孔材料流动空洞、折叠在确定模具结构及坯料形状时，要考虑材料的流动及流出、流入量润滑剂粘模、卡模、表面粗糙度下降、尺寸和形状的偏差尽量采用流体润滑剂、设置拔模斜度、设计模具形状时，要避免润滑剂的堆积，并且能很容易地清除掉残余润滑剂拔模斜度在脱模时出现卡模及变形脱模温度过低设置适当的拔模斜度模具强度模具的变形及损坏确立最佳的工艺参数，尽量降低变形力3.6细晶超塑性产品缺陷及预防措施细晶超塑性产品缺陷及预防措施963.73.7相变超塑性相变超塑性又称变态超塑性，转变超塑性或第二类超塑性变态超塑性，转变超塑性或第二类超塑性这类超塑性这类超塑性并不要求材料具有超细晶粒并不要求材料具有超细晶粒，而，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次循是在一定的温度和负荷条件下，经过多次循环相变或同素异构转变获得的。

环相变或同素异构转变获得的。

3.7相变超塑性相变超塑性97相变相变（PhaseTransformation）：

）：

同一成分的材料，随着温度的变化具有两种以同一成分的材料，随着温度的变化具有两种以上的稳定晶体结构，这两种晶体结构相互变化上的稳定晶体结构，这两种晶体结构相互变化的现象，称为相变的现象，称为相变（金刚石与石墨，铁素体与金刚石与石墨，铁素体与奥氏体奥氏体）相变超塑性相变超塑性（TransformationSuperplasticity）:

随着相变的进行和发生，在较低的应力作用下，随着相变的进行和发生，在较低的应力作用下，不形成颈缩而得到百分之百以上的巨大变形的不形成颈缩而得到百分之百以上的巨大变形的现象现象3.7.13.7.1概述概述3.7相变超塑性相变超塑性98相变超塑性的必要条件材料具备固态结构转变能力材料具备固态结构转变能力施加应力作用施加应力作用在相变温度区内循环加热和冷却在相变温度区内循环加热和冷却以此诱发反复的结构变化而产生超塑性以此诱发反复的结构变化而产生超塑性3.7相变超塑性相变超塑性99相变超塑性的控制因素温度梯度：

T=T上-T下加热冷却速度循环次数3.7相变超塑性相变超塑性100相变超塑性不仅在扩散型相变下可能发生，在非相变超塑性不仅在扩散型相变下可能发生，在非扩散型的马氏体转变过程中加以压力，也可看到扩散型的马氏体转变过程中加以压力，也可看到有很大的超塑性变形。

有很大的超塑性变形。

在马氏体中发现异常塑性以后，才第一次命名为在马氏体中发现异常塑性以后，才第一次命名为相变超塑性。

相变超塑性。

3.7.23.7.2相变超塑性材料相变超塑性材料3.7相变超塑性相变超塑性101一般钢铁材料都有相变超塑性，但是温度区间比较窄，一般钢铁材料都有相变超塑性，但是温度区间比较窄，如如30CrMnSiA30CrMnSiA只在处于只在处于700700-770770才出现较好的超塑性才出现较好的超塑性.3.7相变超塑性相变超塑性1023.7.33.7.3相变超塑性加工技术及应用相变超塑性加工技术及应用微细晶粒超塑性：

微细晶粒超塑性：

组织需要超细化、应变速率较低，组织需要超细化、应变速率较低，在工业生产中的应用受到一定的限制在工业生产中的应用受到一定的限制相变超塑性：

相变超塑性：

晶体组织无需微细到几个微米，可省略细晶组织的晶体组织无需微细到几个微米，可省略细晶组织的制备过程制备过程但需在相变点附近反复热循环，使其应用受到限制但需在相变点附近反复热循环，使其应用受到限制3.7相变超塑性相变超塑性103加压回火工件加热中由珠光体转变成奥氏体、过冷奥氏体发工件加热中由珠光体转变成奥氏体、过冷奥氏体发生马氏体转变、马氏体回火转变的过程中都会出现生马氏体转变、马氏体回火转变的过程中都会出现超塑性现象。

超塑性现象。

大薄片工件的淬火冷却畸变，用加压回火来加以校大薄片工件的淬火冷却畸变，用加压回火来加以校正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。

这种校正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。

这种校正只在第一次回火时有效的原因就在这里。

正只在第一次回火时有效的原因就在这里。

3.7相变超塑性相变超塑性104固相结合相变超塑性是由于相变界面的活性而产生的现象，相变超塑性是由于相变界面的活性而产生的现象，所以作为应用技术最多的仍然是固相结合所以作为应用技术最多的仍然是固相结合碳素工具钢碳素工具钢（SK5，0.96%）与碳素工具钢之间，铸与碳素工具钢之间，铸铁铁（FC30）与铸铁之间以及滩港与铸铁之间，可以通与铸铁之间以及滩港与铸铁之间，可以通过相变超塑性压接在一起，可以得到界面完全消失，过相变超塑性压接在一起，可以得到界面完全消失，连续的组织连续的组织3.7相变超塑性相变超塑性105弥补铸造缺陷将铸件中有缺陷的部分切掉，塞入无缺陷的同将铸件中有缺陷的部分切掉，塞入无缺陷的同种材质体栈，周围填充粉末，然后边加压边在种材质体栈，周围填充粉末，然后边加压边在相变点附近进行热循环。

相变点附近进行热循环。

3.7相变超塑性相变超塑性106促进扩散对于有相变点的材料，在相变点对于有相变点的材料，在相变点10K的范围内的范围内进行