超塑材料.doc

可编辑修改 2 超塑性材料 2 1 概念 2 1 1 定义 2 1 2 特征 2 1 3 常见超塑性材料 2 1 4 影响因素 2 2 流变力学 2 3 流变机理 2 4 研究发展方向 可编辑修改 2 1 概念 2 1 1 定义 超塑性是指具备特定内在条件的材料在特定的外在条件下显示出的异常高塑性 一般金属拉伸变形时的断裂延伸率不超过百分之一百 而超塑性材料在超塑性拉伸变 形时其断裂延伸率则可达百分之几百 甚至几千 Zn 22Al 超塑变形前后的尺寸对比 2 1 2 特征 超塑成型制品 超塑性具有大延伸 小应力 无回弹 易成形等显著特点 特别适合用于难加工 材料以及形状复杂零部件的精密制造 可编辑修改 对于超塑性现象表现出很大兴趣的原因之一是由于工艺上应用了此现象 并获得 了初步成效 超塑性成形 Superplastic Forming SPF 是一种固态下的近终形 成形技术 它可以一次性地制备出几何形状非常复杂的制品 具有成形压力低 模具 寿命长 制品精度高 结构重量轻等显著特点 在难加工材料以及大型复杂结构件的 加工生产中具有其它加工方法无法比拟的优点 2 1 3 常见超塑性材料 迄今为止 已在多种金属系统和工业化合金中实现了超塑性 表列出了其中一些 材料的特征参数 一些超塑性材料的特征参数 材料 wt 变形温度 T K 初始应变速 率 0 s 1 断裂延伸率 m值 Zn 22Al 共析合金 5381 67 10 3 1000 0 3 Al 33Cu 共晶合金 72310 5 10 4 10000 7 LY12 CZ 7631 67 10 43460 6 7475Al 液氮温度轧制 78910 4 10 3 1000 0 5 Ti 6Al 4V1073 127310 4 10 310000 85 挤压铸造 SiCW LY12 金属基复合材料 8231 1 10 13500 33 Ti3Al Nb 金属间化合物 12238 10 58000 54 3Y TZP 陶瓷材料 18235 10 48000 5 2 1 4 影响因素 流变力学 原始组织结构及其演变 微细化 10 m 等轴化和稳定化的 三化 组织 特定的温度 应变速率 可编辑修改 2 2 流变力学 1964 年 Backofen 等对超塑性变形提出如下本构方程 m K 式中 m为应变速率敏感性指数 为流变应力 为应变速率 K为材料常数 作者指出 超塑性材料之所以具有大的延伸率 主要是由于材料具有较高的m值 在拉伸变形过程中 当材料产生局部颈缩时 高m值产生很高的抗颈缩能力 使得 局部颈缩难以向心部发展 从而获得大延伸的效果 1967 年 Hart 等对一般塑性变形提出如下本构方程及微分方程 m n K ln m ln 式中 为应变 n为应变硬化指数 为应变硬化系数 代表沿着试样拉伸方 向上的微分 与 Backofen 方程不同的是 Hart 方程除考虑了应变速率 硬化效应之 外 还考虑了大多数变形过程中都会出现的应变硬化效应 早期的研究认为 断裂应变 f或断裂延伸率 f与m值之间存在着定量关系 Ghosh 和 Ayres 从 k m方程出发 假设试样的最终断裂系表面几何缺陷颈缩发展所 致 给出的一个包含起始几何缺陷因子f 的如下关系式 当 f 取 0 005 0 01 时 和模型材料的实验结果吻合较好 f mln 1 1 f 1 m 近期的研究表明 对于大多数工业化的超塑性材料 上述颈缩断裂不是唯一的方 式 m值只表示了获得高塑性的可能性 而不是塑性的绝对值 Lian 和 Suery 从 Hart 方程出发 考虑了内部孔洞的发展对断裂的影响 假设孔洞发展遵循塑性控制的 机理 即 CV CV0exp 给出如下关系式 式中 N颈缩处应变 当 f 取 0 005 0 01 时 分析结果和许多实验结果吻合较好 exp m n m d 1 f 1 mexp N m N n m d N 可编辑修改 2 3 流变机理 从超塑性出现至今 研究者们对超塑性变形机制进行了坚持不懈的大量研究 提 出了许许多多种理论 但由于超塑性材料的多样性 高温研究的困难性以及超塑性变 形过程的复杂性 至今尚没有哪一种理论能够解释众多的超塑性现象 在高温变形环境下 空位及原子的扩散 位错的运动 晶界的滑动 GBS 都 可能发生 都会产生变形 一般将高温变形按应变速率分为低 中 高三个区 超塑 性变形在中应变速率区 总结大量的研究结果表明 低应变速率区变形的主要机制是 空位及原子的扩散即扩散蠕变 高应变速率区变形的主要机制是位错运动 而中应变 速率区即超塑性变形区其主要变形机制是晶界滑动 晶界滑动是超塑性变形的主要机制 但晶界滑动能否顺利进行以及晶界滑动过程 中晶粒之间的协调性需要通过持续不断的协调过程 如位错的运动 原子和空位的扩 散 晶界的迁移 GBM 晶粒的旋转等来完成 已提出的机制模型中一般仅能考虑一 种或两种协调过程 并与晶界滑动相联系 简要地总结众多的已提出的机制模型 可 以给出一个一般的反映超塑性变形本构关系的Arrhenius 型方程 n0 p G dkT DG A bb RT Q expDD 0 式中 A为无量纲归一化常数 G为剪切模量 b 为位错柏氏矢量 K为波尔 茨曼常数 T为绝对温度 d 为晶粒尺寸 P为逆晶粒度指数 1 3 为流变应力 n 1 m 为应力指数 D 为扩散系数 Q为协调机制激活能 D0为频率因子 R为 气体常数 表列出了其中的一些广为接受的机制模型 超塑性机制模型 预测 Ashby Verrall 模型A 20 m 1 P 2 D DV 扩散 蠕变 Coble 模型 A 60 m 1 P 3 D Dgb Ball 和 Hutchison 模 型 A 12 m 0 5 P 2 D Dgb Mukherjee 模型 A 2 m 0 5 P 2 D Dgb Gifkin 模型 A 64 m 0 5 P 2 D Dgb 位错 运动 协调 晶界 滑动 Langdon 归一化模型 d 10 m A 10 m 0 5 P 2 D Dgb d 10 m A 1000 m 1 3 P 1 D DV 可编辑修改 晶界扩散位错运动协调晶界 滑动模型 2 4 研究发展方向 低温高应变速率超塑性 目前超塑性成形技术已经在飞机制造业中得到了广泛的应用 如 制造飞机机身 肋骨 之类的复杂大型零部件 如果不借助金属的超塑性 你将不得不切割出许 许多多不同形状的零部件 完成大量的加工工作 金属的超塑性使你可以用一次成型 的方法制造出同样的零件 但其在其它制造业中普及的速度却十分缓慢 问题在 于 1 目前工业化的超塑性材料如铝合金 钛合金的应变速率太低 10 5s 1 10 3s 1 超塑性成形是一个缓慢的过程 生产效率较低 生产成本较高 2 超塑性成形所需的温度较高 解决这一瓶颈问题的关键在于细化