新型结构材料(十二)

6.5超塑性合金超塑性现象概念：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。一般说来，如果材料的延伸率超过100％，就可称为超塑性。凡具有能超过100％延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过1000％，有的甚至可达2000％。流变抗力：塑性变形时，变形材料抵抗塑性变形的力称为变形抗力。变形抗力提高，意味着要使材料产生塑性变形必须要加大外力。材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。在不同温度下ZnAl22的拉伸变形（250℃时延伸率）双相不锈钢超塑性成形的航天器件

双相不锈钢在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。在含C较低的情况下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀（沿着或紧挨着晶粒边界发生的腐蚀）性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。475℃脆性

高铬铁素体不锈钢在400～540℃范围内长期加热会出现这种脆性，由于其最敏感的温度在475度附近，故称475度脆性，此时钢的强度、硬度增加，而塑性、韧性明显下降。超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管

超塑性的分类1.组织超塑性或恒温超塑性、微晶超塑性

根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。特征：（1）绝大多数合金的超塑性温度都很高，多数都在几百度到几千度。（2）对变形速度的依赖性大。此种材料发生超塑性的速度范围很低，必须通过采用与之相适应的低速度加工来减少工序。（3）能实现在低压下的固相结合。可用于制造含有超塑性合金的复合材料，也促进了使超塑性合金用于复合材料的开发利用。（4）减震能力强。由于这种材料在超塑性温度附近有滞弹性行为，故减震能力很强,可用于减震和消音材料。（5）其他由于晶粒细小，加工变形时表面光洁度较高，易于实现精细雕刻面的转印；由于变形抗力极小，可用于难加工材料加工时的润滑剂；由于具有耐腐蚀性、低导热性、耐辐射性、高弹性恢复能力、软磁性能等，可用于功能材料或功能—结构材料。滞弹性在弹性范围内，应变落后于应力的行为称为滞弹性。它是相对于弹性现象而言的，如果受载物体上的应力与应变同步，两者具有单值函数关系且服从胡克定律，这样的物体称为理想线弹性体。滞弹性体的弹性模量不再为常数，弹性模量分为动弹性模量和静弹性模量两部分。由于滞弹性的存在，会产生内耗（在机械振动过程中由于滞弹性造成的震动能量的损耗，机械能散发为热能的现象。）2.相变超塑性或变态超塑性、动超塑性这类超塑性，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。变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，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。3.其它超塑性

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。退火退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。发展方向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；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；研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金）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。超塑性合金的应用1.高变形能力的应用适合于像热塑性塑料板的真空成型或气压成型那样的加工方式。可加工成复杂形状。2.固相结合能力的应用晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。可用于实现新材料的开发。3.减震能力的应用超塑性材料可以单独、也可以与其他材料复合制成不同形状、不同尺寸的部件，用于需要减震的地方，也可以作为消音材料和部件使用。6.6非晶态金属材料含义：

又称无定形金属或金属玻璃。它与具有晶体结构的一般金属不同。是一种没有原子的三维周期性排列的金属或合金固体；即在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排布。但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。

制备方法：最常用的是熔体急冷法，其基本原理是把一薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷基底上，从而达到快速导热、冷却金属的目的；制备非晶态金属的其他方法，还有原子凝聚（溅射、蒸发、沉积）和表面非晶化处理（激光表面上釉、离子注入）以及辐射法等。类别：能形成非晶态的合金有两大类；一类是金属之间的合金，典型的有Cu60Zr40、La76Au24、U70Cr30等；另一类是金属与某些非金属（最有效的是B、P、Si）组成的合金，例如Fe80B20、Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等。后一类合金最容易成为非晶态。非晶态金属材料的基本特征

1.非晶态形成能力对合金组分的依赖性不同的合金组分形成非晶态时所需要的条件不同。纯金属比合金的条件更苛刻。2.结构的长程无序性和短程有序性。原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4～5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。

化学短程有序：非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于最近邻原子。拓扑短程有序

指围绕某一原子的局域结构的短程有序。

3.热力学的亚稳性。非晶态金属处于热力学不稳定状态，有自发地向晶态转化的趋势，但从动力学方面看，常温下速度较慢。当温度超过400℃以上时，有可能使非晶态快速地向晶态转化。

4.优异的性能（1）高强度非晶合金具有高弹性极限、高断裂强度、明显可变形性、小的温度尺寸效应；在非晶合金中，可获得极高的比强度，并仍保持良好塑性，有的甚至可以冷轧；非晶合金在较高应力下，可防止裂纹传播。（2）极软的磁特性软磁性材料与铁磁材料磁滞现象的程度不同，磁滞回线水平方向越宽的材料，也就是磁滞回线面积越大的材料，其磁滞现象越严重。如图（a）所示，磁滞回线面积宽阔，材料的剩磁和矫顽磁力都大，其磁滞损失严重，不宜于作交变磁场中工作的铁心，而适合于作永久磁铁，这种材料称为硬磁性材料。如图（b）所示，磁滞回线瘦窄，而面积较小，这种材料称为软磁性材料，它的磁滞损失较小，适于交变磁场工作。软磁材料是电子工业中变压器、电机等电磁设备所不可缺少的材料。（3）耐腐蚀性由于非晶态合金的化学均匀性良好，无晶界及缺陷（如位错等），所以使它不存在局部电化学电位差。但其主要原因还是能在表面形成一层耐腐蚀力极强的、保护性钝化膜，甚至膜破坏后能很快修复。由于合金为均匀单相，无晶体缺陷，形成的钝化膜能均匀抗蚀。（4）其他某些非晶态合金具有超导性，可用于制备新超导材料；铁基非晶态合金热膨胀系数较小，适于制作精密零件；非晶态材料中音速一般较低，且声吸收小，可用于制作声学器件及微波信号处理线路中的声延迟线路材料。

优点1.工艺简单。它可直接由原材料熔化成型得到一定尺寸的丝、带。生产速度快，每分钟可产一千余米。2.原材料便宜。主要金属材料铁，类金属材料磷、碳、硅等都很便宜，可大量节约自然资源。3.快速淬火即可获得优异性能。不必中间加工及热处理。局限性1.产品尺寸局限。至今其厚度仅为0.1mm，宽度仅为50mm。2.使用温度极限。大部分非晶材料在500℃以下发生晶化，故使用温度不宜太高。再则它是一种亚稳态材料，其低于晶化点的稳定性仍需进一步研究。非晶态合金的应用

1.非晶态软磁材料（1）磁芯材料非晶态合金在磁导率、激磁电流和铁损方面比硅钢片好，尤其是铁损小，可大大节省能量。（2）磁致伸缩材料非晶态合金的磁致伸缩系数可在很大范围内调节，磁致伸缩大的非晶态合金也被广泛应用。磁致伸缩指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大很多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-5～10-6

。（3）磁头材料由于其软磁特性良好，加以硬度高、耐磨性好，极适于制备各类磁头。（4）磁泡材料磁泡材料在没有外磁场作用时，正向磁化的磁畴和反向磁化的磁畴面积相等，若加以反向偏置磁场则可使正向磁畴面积减小而反向磁畴面积增大。外加磁场足够强时，正向磁畴面积变为极小而呈小圆柱形，很像个水泡，称为磁泡。由于磁泡的产生、消失和移动可以进行控制，因此磁泡可作为一个记忆单位。还可利用磁泡间的磁相互作用进行逻辑运算。可用于制造计算机元件。（5）磁屏蔽材料非晶合金编制的屏蔽网，可弯曲，不降低磁性，韧性好、不易断裂，低、高频磁特性都好。磁泡：当外加磁场增加到某一程度时，磁性材料的一些磁畴便缩成圆柱状，其磁化强度与磁场方向相反，在外磁场作用下可以移动，像一群浮在膜面上的水泡，称为磁泡。2.弹性方面非晶态合金的低声衰，低弹性模量温度系数及良好高频特性，可使其代替石英丝，可用作雷达、计算机及信息处理器中的导声材料。恒弹性非晶合金，同时具有高强度、高弹性极限，低弹性模量，故其储能比较高，为各类仪表良好精密弹簧、敏感元件材料。3.力学性能方面由于非晶态合金的高强度、高韧性，它可代替高强度钢丝，作为传送带、高压管及轮胎的强化纤维丝。可利用其高硬度性能，制造各种切割材料。具有高强度、耐蚀及高弹性的非晶合金，还可成为很好的刮胡须刀片材料。高比强