课件：材料加工与成型.pptx

黄光胜,材料加工与成型5,3.4 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T0.5Tm(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d10-410-1/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。,商业态AZ31B镁合金拉伸断裂延伸率,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。,2 相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性),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510s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,这些复合机制的变形理论虽然也有某些实验事实的支持，但也都各有其局限性。就超塑性变形理论的现状而言，通过几十年特别是最近二十年的探索，至少对下面两个问题的看法基本上趋于一致： 1）超塑性变形主要是一种包括晶界滑动和晶界迁移在内的晶界行为，是多种机制综合作用的结果。 2）在S形曲线的II区，变形以晶界滑动为主，这种晶界滑动既受空位扩散机制的调节，又受位错运动的调节；随着应变速率的降低（在I、II区之间的过渡带和I区），空位扩散机制的作用增强；随着应变速率的提高（在III、II区的过波带和Ill区），位错运动机制的作用增强。,Experimental material,The material used in the present study was a commercial Mg-Al-Zn alloy (AZ31).The alloy was received in the form of a rolled sheet with a thickness of 1.5 mm. A typical microstructure of the as-received material is shown in Fig. The grains were almost equiaxed. The average grain size was 130 m.,Initial microstructure of the as-received AZ31: (a) rolling plane; (b) longitudinal plane; (c) transverse plane.,Result,The maximum elongation value of 196% was obtained at 648 K and at a strain rate of 3105/s1,3.4.4 超塑性在塑性加工工程中的应用,1 超塑性挤压成形 挤压是将材料毛坯放入模具模腔内，在较大压力和一定速度下，迫使金属产生塑性流动，充满模腔或从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。 超塑性状态下，材料的变形抗力极低，塑性极好，可以成形非常复杂的制件。超塑性成形除要求坯料处于超细晶粒组织状态外，还要求较低的变形速度和一定的成形温度，故超塑性挤压属于等温挤压成形。,超塑成形出的尾翼尺寸符合设什要求，无表面缺陷，且成形后尾翼因晶粒细化使其综合力学性能高于坯料的性能，材料利用率从原工艺的10提高到66，单件加工工时从5.7h减少为1.9h。,图为超塑挤压成形的自带铆钉式保持架，结构比较简单，过梁的头部带有铆接头。挤压成形时，先挤出柱型过梁，然后通过车内、外台阶形成异型铆接头，或在过梁上直接成形出铆接头。压盖铆接孔的形状可由挤压压头的头部形状来成形。这样就可以使本体和压盖直接铆接，省掉铆钉，并省去了在过梁上加工铆钉孔，使加工工序大为简化。,模锻是利用模具使坯料产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的锻造方法。在成形过程中使坯料处于超塑性状态的模锻称为超塑性模锻。 超塑性模锻是近年来发展起来的一种少无切削和精密的锻造新工艺，它利用材料的超塑性得到形状复杂及尺寸较精确的锻件。超塑性模锻目前主要用于钛合金和高温合金的成形，因为这类合金流变抗力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起力学性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本高昂。 高温合金和钛合金超塑性模锻工艺过程如下：首先将合金在接近再结晶温度下进行热变形（挤压、轧制或锻造等）以获得超细的晶粒组织；然后在超塑温度下，在预热的模具中模锻成所需的形状；最后对锻件进行热处理，以恢复合金的高强度状态。,2 超塑性模锻成形,严格来讲，超塑性模锻与超塑性挤压本质上没有区别，工艺要求也基本一致，只是超塑性模锻时坯料的塑性流动方式与常规模锻工艺相似，模具结构与锻模亦比较接近。,3 超塑性气胀成形,超塑性气胀成形是超塑性在板材成形加工中的典型应用。材料在超塑状态下的变形抗力很低，塑性很好，热塑性塑料的一些加工方法可用于金属。 超塑性气胀成形类似于塑料的吹塑成形和真空吸塑成形，其基本原理是，将被加热至超塑温度的金属板材夹紧在模具，并在其一侧形成一个封闭的空间，在气体压力下使板材产生超塑性变形，并逐步贴合在模具型腔表面，形成与模具型面相同的零件。,由图可知，超塑性气胀成形只需要一个凸模或一个凹模，因此可分为超塑凸模气胀成形和超塑凹模气胀成形，两种方法在模具结构上略有不同，其成形方法没有区别。若将图中下部密封并形成真空，利用大气的压力使其成形，可称为超塑性真空吸塑成形。,3.5 塑性加工复合技术,3.5.1 复合材料与复合方法 复合材料是采用物理或化学的方法，使两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。 复合材料的种类按分类方法的不同而异。按照其用途，可将复合材料分为结构材料和功能材料两大类。若按组成复合材料的各成分在复合材料中的集散（分布）情况来分，可分为分散（掺和）强化型复合材料、层状复合材料（或称接合型复合材料）、梯度复合材料（或称梯度功能材料）等。,复合方法,对于金属基复合材料，其主要的复合方法有如下： （1）颗粒强化金属基复合材料 主要有粉末冶金法、铸造法、喷射共沉积法、预制件渗浸法等； （2）晶须强化金属基复合材料 主要有粉末治金法、铸造法、预制件渗浸法等； （3）纤维强化金属基复合材料 主要有粉末治金法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等； （4）层状复合材料,一般分为机械结合法与冶金结合法两大类。其中典型的机械接合法主要有镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管（胀形）、冷拉拔等方法；而典型的治金接合法主要包括： （a）焊炸成形，或爆炸成形后进行轧制； （b）扩散热处理； （C）轧制成形，包括热轧，冷轧扩散热处理，液态轧制复合； （d）挤压成形，包括复合坯料热挤压、温静液挤压、热挤压包覆等； （e）粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结； （f）摩擦焊接； （g）复合铸造，包括包覆铸造、反向凝固、双流铸造、双结晶器铸造。,3.5.2 轧制复合,轧制复合法主要用于双金属板以及减振钢板、铝塑复合板的成形。轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合、冷轧复合和温轧复合三种。此外还有一种利用爆炸成形进行接合（焊接），然后进行轧制成形的方法。,双金属板的轧制复合成形原理如图所示，不同的金属在一定的温度、压力作用下通过变形接合（焊合）成一体。,可用于轧制成形的复合板的种类很多，如表所示的一些金属和合金的组合。,1 热轧复合,先将金属板的接合面仔细清洗干净。为了提高界面的接合强度，还可对接合面进行打磨，提高其粗度。轧制坯的制备主要有如图所示的两种方式，其中（a）为单一复合坯的情形，适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形；图（b）为组合型复合坯的情形，适合于复合层与基体板材在厚度或变形抗力上相差较大的情形。,保持内部为真空的条件下将组合坯的四周焊合成一体。为了便于在复合后将上下复合板分开，需在两组复合坯之间涂覆耐热化合物，以防止轧制时产生焊合。然后对复合坯进行加热轧制，直至所需厚度。当界面较清洁时，一般只需百分之几的压下率即可实现有效接合，获得高性能的复合界面。 热轧复合法的缺点在于：当被复合的材料为铝、钛等活性金属时，易在界面生成脆性金属间化合物；由于坯料的长度受限制，轧制后切头剪边部分所占比例较大，对成品率影晌较大。,2 冷轧、温轧复合,与热轧复合相比，冷轧复合时界面接合较困难。但由于无加热所带来的界面氧化，不易在界面生成化合物，无需真空焊接等坯料前处理工艺措施，因而金属组合的自由度大，适应面广。 冷轧复合的一般方法如下：轧制前先将接合面的油脂、氧化物除去，然后将被复合的材料叠在一起进行轧制。为了获得较好的界面接合，轧制压下率通常需要在70%以上。 但冷轧复合时的界面几乎没有扩散效果，要达到完全接合很困难。因此，往往在冷轧复合后施以扩散热处理，提高复合材料的界面接合强度。此外，对于冷轧接合较困难的材料，亦可在轧制复合前进行适当的加热，即采用温轧复合的办法。,由于冷轧复合的前处理与轧制均较容易实现连续作业，故可使用卷状坯料（板卷），以提高生产率与成品率。,3 爆炸焊接轧制复合,有些金属在常温或低温下不容易轧制接合，而采用高温轧制复合法又存在坯料前处理复杂、成品率低，或金属之间易发生反应而形成脆性化合物等缺点。若采用爆炸成形快速复合（焊合），然后再采用常规轧制法（冷轧或热轧）进行加工可以解决上述问题。 爆炸成形是一种高能高速成形，其瞬时接合压力可高达104MPa以上，因而可使界面两侧的原子达到很近的距离，加上接合过程中伴随有塑性变形，有利于界面接合。虽然焊接过程中伴随有高温的产生，但由于复合在很短的时间内完成，能很好地抑制活性金属之间的化学反应。,爆炸焊接的原理如上图。基板平放在沙土堆上，覆层板通过软质支撑呈一定角度（13 ）支撑在基板上方，覆层板与基板之间的间隔（利于形成冲击）大约与覆层板的厚度相等即可。炸药均匀堆放在覆层板上面，通过引爆在起爆端的雷管，利用爆炸的巨大冲击力以及爆炸位置的迅速和连续传播，在很短的时间（通常为零点几秒）内即可完成整个焊接复合过程。,3.5.3 挤压复合,采用挤压法可成形的金属复合材料分为两大类： 一类为分散（弥散）强化型复合材料，即通常所说的金属基复合材料，一般采用粉末冶金或铸造的方法制坯后进行热挤压，以达到固化、赋予复合材料各种断面形状、提高材料致密度和性能等目的； 另一类为层状复合材料，如各种铝包钢线、双金属管等包覆材料，复合板、夹层板等层状复合材料，以及其他特殊类型的复合材料。,几种典型的挤压成形层状复合材料,1 复合坯挤压法,复合坯料挤压法的原理：挤压前将成形内外层用的两个空心坯组装成一个复合坯，然后进行挤压。为了提高界面接合强度，需将内外层坯料的接触界面清洗干净。同时，为了防止坯料加热过程中产生氧化而影响界面的接合，需要在复合坯组装后采用焊接或包套的方法对坯料两端端面上内外层之间的缝隙进行密封。,复合坯料挤压法的最大的优点是：挤压时的延伸变形将使界面上产生较大比例的新生表面，同时模孔附近挤压变形区内的高温、高压条件非常有利于界面原子的扩散，从而达到冶金接合。,该法的缺点是： （1）由于挤压时金属流动不均匀，容易造成挤压材沿长度方向内外层壁厚不均匀。 （2）当内外层坯料的变形抗力相差较大时，容易产生外形波浪、界面呈竹节状甚至较硬层产生破断的现象，因而金属的组合受到很大限制。,复合坯热挤压6063铝合金包覆AZ31B 镁合金棒,复合棒截面宏观图,复合棒截面金相图,Two-component composite billets were used for extrusion through a 500-ton horiaontal extruder,which the diameter of the extrusion chamber is 85mm. The outer sheath component of the composite billet was 6063 aluminum alloy, and the inner component was homogenized AZ31B magnesium alloy. The length of the composite billet was 200mm, outside diameter was 82mm, and the thickness of the sheath was 5mm. The temperature of billets, extrusion chamber, extrusions die and pressure dic was 653K.,Component distribution of magnesium and aluminum element near the bonding interface of composite bar.(a) as extruded, (b)(d) undergoing anneal at 573K for 1h, 673K for 1h and 673k for 4h respectively,The shear bonding strength of the bimetal composite bar,2 多坯料挤压法,常规的复合坯料挤压法成形的双金属管，其内外层壁厚均匀性差，同时由于内外层材料的变形抗力不能相差太大，因而材料的组合受到限制。多坯料挤压法能很好地克服常规复合坯料挤压法的缺点，适合于双金属管的成形。,采用多坯料挤压法成形双金属管具有以下优点： （1）直接采用圆形坯料进行挤压，可以省去制备复合坯料的工序； （2）制品的内外层壁厚尺寸均匀，无竹节、断层、起皮等缺陷产生； （3）内外层界面焊合质量好，达到金属学的接合； （4）坯料组合自由度大，即使是材料的变形抗力相差较大的内外层组合也能正常成形。 多坯料挤压法的缺点是，坯料加热、挤压装料等操作以及挤压工模具的结构较常规挤压法复杂。,3 包覆材料挤压,包覆材料可分为普通包覆材料（或称单芯包覆材）与多芯包覆材两大类。 最为常见的单芯包覆材有各种包覆线材，如电线、电缆，高强度导线或耐蚀导线，异型复合导电材料，以及一些特殊用途的包覆材料；,单芯包覆材料的成形主要采用挤压或挤压后再进行拉拔的方法。代表性的挤压单芯包覆法有如下几种： (1)复合坯料常规挤压法； (2)静液挤压法； (3)连续挤压法； (4)带张力挤压法； (5)多坯料挤压法。 其中前两种方法为采用复合坏料进行挤压的方法芯材同时产生塑性变形；后三种方法属于单纯包覆法，芯材不产生塑性变形。,典型的多芯包覆材料是低温超导多芯复合线。一般是由几百乃至上千根直径为十几至数十微米超导纤维复合在一起而成。 由于电场、磁场的作用致使超导导体移动而产生的摩擦热，电流与磁场分布变化所引起的超导导线发热，均有可能引起超导状态的破坏而成为常导体。为了防止这种现象的产生，需要采用电阻小、热传导性能良好的铜或铝进行包覆，以便在有局部发热时，其热量能被迅速逸散掉。为了确保上述散热效果，希望超导导体本身成为细小纤维，每一根纤维均能用铜或铝包覆起来，然后再将包覆纤维复合成多芯复合导线。,首先将电弧炉熔制的Nb-Ti铸坯挤压或轧制成圆棒状，对表面进行研磨、清洗后插入经过清洗的铜管内进行拉拔成形，制得六角形的铜包覆Nb-Ti用复合棒。然后将复合棒切断成一定尺寸长度，经矫直、表面研磨与清洗加工后，以紧密堆积方式排列于铜圆筒内，采用电子束焊接法将两端封闭，制成复合挤压坯。最大的复合挤压坯外径可达400mm，长1000mm,重400kg。采用静液挤压法将复合坯挤压成直径为5080mm的多心棒。为了尽可能地抑制铜与钛之间的反应，挤压温度一般选择在600以下。挤压多芯复合棒经反复的拉拔、退火处理拉制成所需断面尺寸的线材。,Nb-Ti多芯复合线的加工工艺过程,3.5.4 拉拔复合,拉拔复合主要用于两方面： （1）双金属挤压管的复合。 利用具有不同变形抗力的材料在塑性变形后会产生残余应力的特点而实现机械接合的一种方式，分缩管拉拔和扩管拉拔两种。,（2）对挤压法成形的双金属管、包覆棒材进一步加工，以获得细长尺寸制品。,3.6 金属等温成形,热变形的目的是降低材料的变形抗力、提高塑性有利于成形过程的稳定进行。 传统的热变形方法通常是将坯料从加热炉内移至冷模或预热的模具进行的。在多数情况下，热变形时的模具预热温度远低于坯料温度在成形过程中，由于坯料与模具之间的温差较大会使坯料温度急剧降低，导致材料变形抗力增加、塑性降低。尤其是对于小型制品或表面积与体积比很大的带窄筋、薄腹板的制品，薄壁处温度的降低非常快。 而在另外一些情况下，如铝及铝合金的热挤压，由于被加工材料的变形温度较低在高速挤压条件下，容易与挤压工模具形成一个绝热系统，因变形热效应而导致变形过程中坯料的温度上升，不仅引起制品断面上组织与性能的不均匀，甚至产生制品过热、扭曲、裂纹等缺陷。因此，正确地控制变形过程中坯料温度的变化，对于获得形状与尺寸精确、组织性能均匀的制品具有十分重