超塑性的研究与发展PPT幻灯片课件.ppt

金属特种加工理论与技术,金属超塑性成形理论与技术（16课时）叶凌英材料加工工程系,2015年4月,1,课程内容,一、超塑性的研究与发展二、超塑性变形的力学特性三、超塑性变形的组织特性四、组织超塑性变形机理五、金属材料的超塑性,2,参考书目,NiehTG,WadsworthJ,SherbyOD.Superplasticityinmetalsandceramics,Cambridge:CambridgeUniversityPress,1997陈浦泉.组织超塑性，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，1988吴诗惇.金属超塑性变形理论，北京，国防工业出版社，1997文九巴，杨蕴林，杨永顺，陈拂晓，张柯柯，张耀宗.超塑性应用技术，北京，机械工业出版社，2005李云江，特种塑性成形，北京，机械工业出版社，2008,3,一、超塑性的研究与发展,4,内容提要,1超塑性的概念2超塑性研究的发展概况3超塑性的分类4超塑性成形的优点与问题5超塑成形应用实例,5,塑性：是金属的重要属性之一，它指的是金属在外力作用下，无损而永久地改变形状的能力1。超塑性：（1）金属和合金在特定组织结构和变形温度速度条件下，可以呈现异常高的塑性，延伸率可达百分之几百，甚至达百分之一千或二千以上，变形抗力也很小，这种现象称为超塑性1。（2）Superplasticityistheabilityofapolycrystallinematerialtoexhibit,inagenerallyisotropicmanner,veryhightensileelongationspriortofailure2.（3）超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生颈缩与断裂现象。当伸长率大于100%时，即可称为超塑性3。一般金属伸长率（）均小于100%，如黑色金不大于40%，有色金属不超过6080%，即使在高温下也难达到100%，而具有超塑性的金属在超塑性条件下可达100%以上，变形抗力还很小，如难变形材料Bi-44Sn及Ti-6Al-4V钛合金在超塑性条件下值分别为1900%和500%以上，常用铝合金达到200-2000%；普碳钢为150-200%，滚动轴承刚最大值约为500%，流动应力比常规变形的小到几分之一乃到几十分之一。1吴诗惇.金属超塑性变形理论，北京，国防工业出版社，19972NiehTG,WadsworthJ,SherbyOD.Superplasticityinmetalsandceramics,Cambridge:CambridgeUniversityPress,19973文九巴，杨蕴林，杨永顺，陈拂晓，张柯柯，张耀宗.超塑性应用技术，北京，机械工业出版社，2005,1超塑性的概念,6,1超塑性的概念,ICSAM：the1991InternationalConferenceonSuperplasticityinAdvancedMaterials(ICSAM-91)heldinOsaka,Japan,7,1超塑性的概念,8,2超塑性研究的发展概况,2.1Before1962,Ancientarsenicbronzescontainingupto10wt%arsenic,whichwereusedinTurkeyintheearlyBronzeAge,couldhavebeensuperplastic.Thisisbecausethematerialsaretwo-phasealloysthatmayhavedevelopedtherequiredstable,finegrainedstructureduringhand-forgingofintricateshapes.Furthermore,theancientsteelsofDamascus,inusefrom300B.C.tothelatenineteenthcentury,aresimilarincompositiontomodernultrahigh-carbonsteelsthathaverecentlybeendeveloped,inlargepart,fortheirsuperplasticcharacteristics.,9,2超塑性研究的发展概况,2.1Before1962,10,2超塑性研究的发展概况,2.1Before1962,In1934,Pearsondramaticallydemonstrated,usingaBi-Snsamplethathadbeendeformedtonearly2000%andthencoiled(asshowninFigure2.4),thatunusuallylargeelongationscouldbeachievedincertainfine-structured,two-phasematerials.,Jenkins,forexample,achievedelongationsof300to400%inCd-ZnandPb-Sneutecticsafterthermomechanicalprocessingin1928.,11,2超塑性研究的发展概况,2.1Before1962,WorkintheSovietUnionwasunderwaytospecificallyaddressthephenomenon,andBochvarandSviderskayacoinedthetermsverhplastichnost(ultrahighplasticity)intheir1945paperonsuperplasticalloys.ApparentlythetermsuperplasticitywasusedforthefirsttimeintheEnglishlanguageinChemicalAbstractsin1947,butfirstappearsina1959technicalpaperbyLozinskyandSimeonovaonthesubjectofSuperhighPlasticityofCommercialIronunderCyclicFluctuationsofTemperature.,12,2超塑性研究的发展概况,2.2From1962to1982,Althoughpapersonsuperplasticityoccasionallyappearedafter1945,themajorincreaseininterestcamein1962withareviewarticlebyUnderwoodonworkintheSovietUnion.Agraph(Figure2.6)wasincludedinthisreviewthatillustratedtheductilityofZn-Alalloysafterquenchingfrom375.Amaximumductilityof650%wasachievedat250fora20%Aland80%Znalloy(themonotectoidcomposition).Thisremarkableresult,achievedonasamplethatrequiredonlyaquenchingtreatment.,13,2超塑性研究的发展概况,2.2From1962to1982,By1968,justfouryearsaftertheBackofendemonstrationofsuperplasticforming,thefirstreviewpaperonthesubjectwaspublishedbyChaudhari,andinthenextyear,thefirstbookentiledSuperplasticityofMetalsandAlloyswaspublishedbyPresnyakov.Afterthat,monographsbyWestern,Soviet,andJapaneseresearcherswerepublished,aswerenumerousreviewarticles.,14,2超塑性研究的发展概况,2.3From1982topresent,A1982internationalconferenceentitledSuperplasticFormingofStructuralAlloysshowedhowgreattheinterestwasinthesubjectoffine-structuresuperplasticityfrombothacademicandcommercialviewpoints.-Thefeasibilityofthecommercialapplicationofsuperplasticitywasreviewedforalloysbasedontitanium,nickel,aluminum,andiron.ThesecondinternationalconferenceonsuperplasticitywasheldinGrenoble,France,inSeptember1985.ThethirdinternationalconferenceonsuperplasticityinadvancedmaterialswasheldinBlaine,Washington,UnitedStates,inAugust1988.ThefourthinternationalconferenceonsuperplasticitywasheldinOsaka,Japan,inJune1991.ThefifthinternationalconferenceonsuperplasticitywasheldinMoscow,Russia,inMay1994.ChinaandJapanhavebeenheldinBeijingin198537andinYokohamain1986;inthefirstChino-Japanesesymposium,32separatepaperswerepresentedwithconsiderableemphasisplacedonsuperplasticferrous-andaluminumbasedalloys.BoththeChineseandJapanesegovernmentsselectedsuperplasticityin1980forintensenationalresearchanddevelopmentstudies.Theyenvisionsuperplasticityasafuturetechnologyintothenextcentury.,15,2超塑性研究的发展概况,2.3From1982topresent,Theinitialworldrecordof4850%inaPb-62wt%Snalloywasexceededinacommercialaluminumbronze(Cu-10wt%Al-basedalloy)byavaluereportedfinallyas8000%,asshowninFigure2.9.,16,2超塑性研究的发展概况,2.3From1982topresent,17,2超塑性研究的发展概况,2.3From1982topresent,18,3超塑性的分类,3.1组织超塑性,组织超塑性是目前国内外研究最多的一种，一般提到超塑性，就是指这一类超塑性。实现组织超塑性应具备三个条件，即：晶粒度细小；变形温度恒定；应变速率缓慢。（1）晶粒度。材料在变形以前，必须晶粒细化或超细化、等轴化，具有可动的大角度晶界，并且在变形期间晶粒组织具有较好的热稳定性。金属材料一般要求晶粒尺寸小于10m，陶瓷材料晶粒尺寸需小于1m，但在个别情况下，如钛合金在粗晶状态下也能有超塑性。等轴化、可动性大角度晶界要求与超塑变形机理有关，因为超塑变形主要靠晶粒间的移动与转动，这就要求有数量多而又短的晶粒边界，只有微细、等轴和大角度晶粒才易满足晶界滑移和转动。当然，晶粒大小应该是均匀的。所谓稳定化是指在变形过程中，晶粒不会长大或长大较少，否则就会出现应变硬化，降低塑性。,19,3超塑性的分类,3.1组织超塑性,（2）变形温度。组织超塑性是在恒温下产生的，没有相变等组织结构上的转变，故也称为恒温超塑性或静态超塑性。一般是在材料的（0.50.7）Tm（Tm：材料的熔化温度，以热力学温度表示）温度下呈现超塑性。在此温度下，金属内部组织处于不稳定状态，原子热运动增加，变形易于进行。（3）应变速率。超塑性变形应变速率要慢，因为原子扩散及材料蠕变成形需要足够的时间，超塑性变形的最佳应变速率为10-510-2s-1。这样的成形速度比传统的加工工艺慢很多，是超塑性成形的缺点。提高变形温度或减小晶粒尺寸可以提高超塑性变形的应变速率，如通过机械合金化或大塑性变形等其它方式制备超细晶材料，可以获得高应变速率超塑性，应变速率可以提高到10-1101s-1。如机械合金化合金IN9021在应变速率为50s-1的条件下延伸率仍可达到1250%，等通道角挤压制备的Al-Mg-Sc合金在110-1s-1的应变速率下，延伸率可达960%。高应变速率超塑性实际上是组织超塑性的延伸，它可以大大节约成形时间，有的文献也将其单独列为一类超塑性。,20,3超塑性的分类,3.2相变超塑性,相变超塑性是材料在变动频繁的温度环境下受到应力作用时经过多次循环相变或同素异形转变而得到的很大的变形，相变超塑性又称变温超塑性或动态超塑性。和组织超塑性相比，这类超塑性不要求材料有超细晶粒组织，但要求材料应具有固态相变，需要在应力作用下，同时在相变温度范围内循环地进行加热和冷却。材料在每一次的加热和冷却过程中发生同素异形转变，如和的相互转变、和的互相转变等。在应力作用下每次转变循环得到一次跳跃式的均匀变形，多次循环即可得到累积的大变形量。材料具有相变超塑性应具备三个条件：（1）金属及合金具有固态结构转变能力；（2）需要有应力作用；（3）在相变温度上下循环加热和冷却，诱发其发生反复的结构变化，使金属原子发生剧烈运动而出现超塑性。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，故使用上受到限制，研究还不够成熟。相变超塑性除在具有相变点的碳钢、Fe-Ni合金钢和铸铁、不锈钢中具有外，在铀、钛、锆等合金中也具有。,21,3超塑性的分类,3.3其他超塑性,短暂超塑性。一些不具有固态相变，但晶体结构各向异性明显的材料，经过反复加热、冷却循环能获得大的延伸率或在一定条件下快速变形时，也能显示超塑性，这种在短暂时间内产生的超塑性称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，并在晶粒长大之前的短暂时间内快速施加外力才能显示出超塑性。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超塑性的关键。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。当高密度电流通过正在塑形变形的金属时，因电流而产生的大量定向漂移电子会对金属中的位错施加一个额外的力，帮助位错越过前进中的障碍，从而降低变形抗力，提高变形能力，使金属产生超塑性。,22,4超塑性成形的优点与问题,4.1超塑性成形的优点,（1）材料塑性特别高。金属材料在超塑性状态下，可以承受大变形而不破坏。对于形状复杂的零件，可以实现一次成形而不需要预成形工序，因此可以减少工时，缩短生产周期，为难变形材料的塑性加工开辟了良好的途径。在航空航天工业中，对于难加工的钛合金、镁合金零件，采用超塑成形，更能显示其优越性。（2）变形抗力小。超塑性成形时所需所需设备吨位小，甚至只用气压即可成形。一般超塑模锻所需设备吨位约为常规模锻设备吨位的1/51/10，可大大节省能源。（3）可以一次精密成形。超塑成形流动和充型性好，在恒温保压状态下，可以充满模具型腔尖角部位，获得轮廓清晰的零件，并且可以一次成形出形状复杂的零件。可以采用无毛边闭式模锻或挤压成形，可不留机械加工余量或仅留微小余量。,23,4超塑性成形的优点与问题,4.1超塑性成形的优点,（4）可用于模具制造。可利用锌基合金、铝合金、铜合金和模具钢的超塑性，来制造注塑模、吹塑模、热固塑料模和冲模、锻模以及压铸模等。利用标准尺寸的凸模来挤压出凹模，不需机械加工。不但可制造形状复杂的模具，而且可以再次挤压来修理凹模，达到多次使用，节约模具材料的目的。（5）成形零件质量好。超塑性成形零件不存在由于硬化引起的回弹导致的零件成形后的变形问题，故零件尺寸稳定，对钛合金等零件更能显示其优点。,24,4超塑性成形的优点与问题,4.1超塑性成形的问题,（1）生产率低。（2）超塑成形的空洞化降低零件使用性能。（3）超塑成形压力机对速度、温度、气氛等环境要求高。,25,在国外，铝锂合金的超塑性研究始于1980年，在1982年的范宝罗国际航空展览会上首次由英国超塑性成形金属公司演示了铝锂合金的超塑性现象，并展示了所研制的超塑性零件。铝锂合金超塑成形构件从80年代中、后期开始在飞机上小批量试用，应用范围逐步扩大，应用的机种很多。,5超塑性成形应用实例,26,机身框架、机翼翼肋,方向舵,进气道唇口,欧洲多国联合研制的歼击机(EFA)的主要结构使用了A1Li合金，其上使用的超塑性成形铝锂合金使成本节约了68，构件减轻了23。,英国用8090合金超塑性成形制造了EAP战斗机起落架舱门，零件数由原来的96个减至11个，质量减轻达20。,发动机通道门、飞机检修舱门及一些壁板件,麦道公司于1990年3月试飞考验的SPFA1Li合金(8090)F15B鹰战斗机的整流罩，是一个形状像机翼前缘的双曲度零件，长3.66m，宽40.6cm，深30.5cm，它替代了由2个板金件和1个铸件装配成的构件。,电子设备盖扳,5超塑性成形应用实例,27,在国内，航天工业总公司703研究所、哈尔滨工业大学曾对A1Li合金的超塑性进行过研究并制出了圆盘试验件。625所对铝锂合金的SPF工艺进行了大量的开拓性工作，取得了一些成果。1995年，625、621所和东北大学制定了超塑性2091A1Li合金板材技术标准，掌握了国产铝理合金SPF技术及相关的热处理及表面处理方法，尤其是采用适量背压的方法有效地抑制了SPF过程中的空洞问题。并用2091SPF工艺成功地制造了国产某型号歼击机前机身酒精箱口盖内蒙皮零件，有效地解决了原来采用LYl2落压成形时破裂、起皱、粗晶等