1、浅谈自己对于超塑性的理解这学期新选修了特种精密成型工艺这门课程，当时就很好奇什么是特种成型工艺？这些工艺技术“特种”在什么地方？相比于其他成型工艺，这些工艺“特种”在什么地方？随着新学期的开始，课程也就开始了，也慢慢的解决了自己心中的疑问！首先学到的就是超塑性成型工艺。对于超塑性成型工艺，除了上课老师讲解的，课下我也从网上和其他书中做了许多了解，对超塑性这种工艺技术，有了一个框架。超塑性成型工艺，使得塑性成形工艺更加省力，更加有效率，经济性更强，它的存在有很重要的意义！一、超塑性技术的发展金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化、极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时
2、延伸率只有3040%，塑性好的有色金属也只有 6070%，但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在 100200%范围内，塑性好的金属延伸率在5002000%范围内。早在 1920 年，德国 W.Rosenhain 等人将冷轧后的 Zn-Al-Cu 三元共晶金的铝板慢速弯曲的时候，发现这种脆性材料被弯成 180而未出现裂纹，它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象，可能是由于加工产生了非晶质。1934年，英国 C.E.pearson 初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆，容易破裂，可是 C.E.pearson 将其缓慢拉伸，得到了伸长率
3、为 2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金属，在落地实验中呈脆性断裂，这是一个更大的发现，在当时虽然引起了一部分人的强烈反响，但在第二次世界大战的却被搁置了。第二次世界大战后，前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究，用 Zn-Al 共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率，并应用于“超塑性”这个词汇。1962 年，美国 E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章，从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。目前，在我国的超塑性研究领域中，已形成了开发、应用以铝合金、钛合金、铜合金
4、为代表的结构合金超塑性材料的热潮，主要进行了三方面的工作：研究结构合金获得超塑性的途径；探索结构合金超塑性成形工艺规范；解决成形工艺关键，并进入工艺实用，其中很大部分曾在航空航天、仪表、电子、轻工、机械、铁路等各个领域内得到了有效的应用。二、超塑性的形成机理关于超塑性变形机理目前尚无统一的认识 。有人认为在超塑性变形过程中，起支配作用的变形机理是晶界滑移；也有人认为，扩散蠕变机理的作用很大；还有人认为，在超塑性变形过程中，伴随有动态回复和动态再结晶。由于超塑性变形过程中，晶粒的大小和形状都没有显著的变化，大量的变形来自晶间滑移，但同时，晶间滑移不可能作为独立的变形机理，还必须有其他的变形机理来
5、相互协调配合。扩散蠕变机理是在应力场的作用下原子（或空位）发生定向转移，引起物质的迁移和晶体的塑性变形；但若此过程单独地进行，必然会引起晶粒沿外力方向伸长，而这与超塑性变形中晶粒仍基本保持等轴状也是相矛盾的。动态再结晶虽然能解释超塑性变形中等轴晶粒的形成，但是，在通常的热塑性变形过程中亦有发生再结晶，却不能获得像超塑性变形那样的大伸长率、低流动应力和表现出对应变速率的高敏感性。所有这些都说明，没有哪一个理论能过完满地解释各种金属材料中所发生的超塑性变形现象。事实上，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，不可能是单
6、一的变形机理，而是几个机理是综合作用；而且，在不同情况下，可能有不同的机理起着主导作用。三、超塑性成形特点根据超塑性成形的宏观变形特性，可用大变形、无缩颈、小应力、易成形来描述超塑性成形特点。1、大变形超塑性材料在单向拉伸时延伸率极高。很多超塑性材料在单向拉伸条件想伸长率可以达到 1000%以上，铝青铜的伸长率最高可达8000%以上，代表了金属材料的最高伸长率。2、无缩颈超塑性材料在单向拉伸条件下不像常规塑性材料那样表现出明显的缩颈行为，却类似于粘性物质的流动，变形在整个试样上均匀地产生，没有（或很小）应变硬化效应，这也是能够实现大延伸的原因所在。3、小应力超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以
7、很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。变形抗力可以低到 10MPa 的量级，便于实现甚至像吹塑这样的低压力成形，而且基本上没有加工硬化行为。易成形由于超塑性具有以上特点，而且变形过程基本上没或只有很小的应变硬化现象，所以超塑合金易于压力加工，流动性和填充性极好，可用多种方式进行成形，而且产品质量可大大提高。四、超塑性的变形的工艺环境超塑性变形的工艺环境主要有二条：其一为变形温度，超塑性变形一般要求材料的温度保持在Tc0.5TM（式中：Tc 为实现超塑性变形的临界温度K ，TM 为该材料的熔化温度K，上述温标均为绝对温度（K）即摄氏温度加 273）这是一个大体的温度界限，各个材料的最佳超塑性变
8、形温度要通过一系列实验求得。其二为变形速率，超塑性变形的最大特点是它必须在一定的应变速率（）范围内进行，各种材料都有各自的应变速率与、m、 的关系曲线。即 -：最大延伸率与应变速率关系曲线，m-：应变速率敏感性指数与应变速率关系曲线，-：变形抗力与应变速率关系曲线。根据这些曲线选择最适宜的应变速率，一般的说， 值大体在10-2S-110-4S-1 之间，此值要比常规的变形速度低很多，这是超塑性变形最大的不足之处，它限制了生产率的提高，从而也限制了超塑性合金的应用范围，它只适合于在中小批量生产中使用；如新产品的试制、旅游工艺品生产、某些军工产品生产等。1908 年，英国里兰德汽车公司生产了工业用
9、 Zn-22%A1 共析合金，用该合金薄板在低应力作用下超塑性成型汽车门和冰箱门等的内衬，轰动一时。1970 年汤姆生等人也是用 Zn-22%A1 合金用不大的气体压力（1.98N/MM2）吹胀成具有凸肚和花纹的调味品瓶子。由于锌合金在性能上的限制，其后超塑性合金的发展扩展向铝合金、钛合金、铜合金及碳钢、不锈钢等领域，并在电子、仪表、纺织、机械、汽车、航空航天及工艺制品等行业中获得了应用，尤其在航空上用得更多，美国在战斗机、轰炸机上广泛使用超塑性成型的铝合金、钛合金零件，在 B-1B 重型轰炸机上用量达 11，550 磅，为其铝、钛结构件重量的 15%。五、超塑性的分类早期由于超塑性现象仅限于
10、 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。 1.一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（Ts0.5Tm，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
11、速度条件下（应变速率 在 10-410-1/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 0.55 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
12、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（ )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（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（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
13、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
14、。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。六、超塑性成型工艺的应用由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件，都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式，如板料成形，管材成形，无模拉丝，吹塑成形和各种挤压，模锻等。利用这种异常的塑性，有些原来很多零件拼合成的部件，现在可以用超塑性成形一次加工出来，减轻了零件的重量，节约大量加工工时。如形状复杂的电子仪器的底座、盖板及其他复杂零件，各种汽车外壳、箱板等，以及形状复杂的工艺制品、家用电器制件。具体应用介绍如下: 1、气压成
15、形这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于 Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr 和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状，把板料和模具加热到预定的温度，用压缩空气的压力，使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上，以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为 0.44 毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹，选用凹模内或凸模上成形。2. 拉深成形 锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比 H/dp=11 是普通拉深
16、的 15 倍，而且拉深速度在5000 毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。 3.挤压和模锻 近年来高温合金和钛合金的应用不断增加，尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高，可塑性极低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达 80%左右，而机械加工的性能是很差的，所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。七、超塑性的发展方向近年来超塑性在我国和世界上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
17、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，降低成本； 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。 8、学习超塑性成型工艺知识的感受与总结金属塑性成型，对于工业发展来说，这是根本之术，它能够生产很多基础的零件，但是随着工业的发展，工业对于塑性成型提出来更高的要求。所以塑性成型就要更加的省力，更加的经济，超塑性成型工艺就很好的解决了这个问题。虽然，作为一门新兴的工艺，它还有很多不足，但是它的优点也是其他工艺无法取代的，我相信未来科技的发展会更加的促进这门技术工艺的发展和完善！
