4双相不锈钢超塑性

四、双相不锈钢超塑性

1、超塑性概述

2、双相不锈钢材料

3、双相不锈钢的超塑性

4、双相不锈钢超塑性成形/扩散

连接技术

5、展望

1、超塑性概述

1.1超塑性

材料在特定条件下呈现出异常塑性的现象。

均匀延伸率：

◆有色金属：δ≥200%；

◆可锻造的黑色金属：δ≥100%；

◆脆性材料压缩：呈现出明显的塑性◆特定的条件：

内在条件：特有的显微组织及转变能力（相变、再结晶及固溶度变化等）；

外在条件：变形温度、变形速度2×10-3s-15×10-3s-1◆超塑性材料的特点是在低应力下显示出巨大的超塑性。利用高压、高速或者超声波的叠加也可能增大塑性。并非材料本身的塑性高压、高速、超声波叠加提高材料的塑性强制使变形能力增大的结果外界供给多余能量◆超塑性是材料本身的塑性组织、相变再结晶、固溶度变化等开发材料塑性的潜力变形温度变形速度外部因素内部因素相互协调保持合理平衡◆超塑性材料1.2超塑性的分类

◆微细晶粒超塑性

◆相变超塑性

◆其它超塑性

（1）微细晶粒超塑性

（恒温超塑性、结构超塑性）

组织细小

变形温度

应变速率（2）相变超塑性σσTt相变温度（3）其它超塑性

除微细晶粒超塑性、相变超塑性外，还有

短暂超塑性

相变诱发塑性

大晶粒超塑性

单相固溶体超塑性

有序列无序超塑性

单晶超塑性等十多种类型

但由于实现时技术较复杂，一般只限于实验室条件下的研究工作。

1.3超塑性的特点

◆超塑性材料具有较低的流动应力

◆比常规变形高一个数量级以上的伸长率◆良好的流动性

◆复制性◆晶界滑移变形的比例大幅度提高1.4超塑性的发展

◆金属及合金超塑性的发现应归功于皮尔逊（Pearson）的工作，他在1934年研究Pb-Sn和Bi-Sn合金的某些力学性质时，观察到其近乎无颈缩的延伸率达2000%。

◆至于通常所说的“超塑性”是1945年由前苏联学者包赤瓦尔（Боивор）等人首次引入的，随后又得到了前苏联学者的沿用

◆尤其是美国学者Underwood、Davies分别在1962年、1970年就这一学科做了详细评述之后，超塑性这一术语目前已成为冶金学的专门词汇。

◆目前，在国内外学者的共同努力下，超塑性材料及其成形技术的研究已经取得了重要的进展。

◆几十年来对金属超塑性进行了大量研究腹鳍纺纱槽筒发动机叶片火箭发动机部件飞机舱门火箭部件钛合金板材气压成形1.5典型的研究成果

（1）美国开发出了钛合金超塑成形和超塑成形/扩散连接新技术，此项技术对于航空结构加工生产是一次具有划时代意义的技术革命。（2）英国成立一系列超塑成形公司，研制成功了超塑铝合金系列，并为欧洲、日本航空公司超塑成形各类铝合金结构件。

（3）美国对高强度铝合金超塑预处理工艺研究成功，并用于生产。此项新工艺属于突破性成就。

（4）苏联编著的《金属的塑性和超塑性》一书出版。在苏联国内和国际上很有影响。

（5）美国学者提出了发表“晶粒转换”的拓扑学模型。其观点至今仍被引用。（6）澳大利亚学者发表了著名的“核-表层”机理模型。此模型能很好地解释了单相合金的超塑变形过程。

（7）澳大利亚学者发表了著名的“晶粒转出”模型。这是一个晶粒进行三维运动的模型，得到公认。当上层晶粒滑移时，会产生空隙，下层晶粒转出来填补空隙。晶界的迁移使转出的晶粒变圆，即晶界圆弧化。（8）美国完成了超高碳钢材料的锻、轧板材的工艺过程。这在工业史上是首创。

（9）加拿大学者提出了“自由晶界滑动”机理模型。解释了超塑拉伸获高延伸率的原因，并提出空洞参与变形的观点。

（10）前苏联学者提出了“晶内位错在晶界上相消”模型。尽管模型涉及尚未完全认识的晶界结构，但其观点是合理的，因而被人们接受。◆超塑性在Ni基、Ti基、Fe基和Al基合金中得到了应用；

◆在结构陶瓷（如Y2O3稳定的ZrO2）、功能陶瓷（如羟基磷灰石）、陶瓷复合材料（如Al2O3增强的Y2O3+ZrO2，SiC增强的Si3N4,Fe3C/Fe等）、金属间化合物（如硅镍化合物，镍铝化合物，钛铝化合物等）和金属基复合材料中也都发现了超塑性。2、双相不锈钢材料2.1双相不锈钢的特点与应用

◆双相不锈钢：固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般较少相的含量最少也需要达到30%双相不锈钢的特点与应用双相不锈钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢韧性焊接性能高强度耐氯化物应力腐蚀石油化工轻工食品造纸工业化肥工业能源环境医疗器械海水环境建筑装饰兼有◆双相不锈钢具有以下优点：

（1）含钼双相不锈钢在低应力下具有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。

（2）含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙孔蚀性能超过了奥氏体不锈钢。

（3）具有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能。

（4）综合力学性能好。有较好的强度和疲劳强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的两倍。

（5）具有良好的超塑性性能。

（6）双相不锈钢的超塑性成形性能优于钛合金、铝合金和镁合金等。钛合金双相不锈钢双相不锈钢的特点与应用

近年来，海洋经济越来越受到重视，海洋开发机械、船舶、桥梁和沿海城市建设凸显出重要地位，所用结构材料均对耐氯化物应力腐蚀性能提出了特殊要求，从而使双相不锈钢材料得到了广泛的重视湖北青山船厂建造的化学品船。载重18500t；使用了1200吨2205双相不锈钢

双相不锈钢不仅受到世界各国材料和制造学者的高度重视，更重要的是已经成为我国国民经济、国防建设的重要支撑，特别是近年来，东、南海主权等问题，对我国的潜艇、舰船等海洋军事装备提出了更高的要求，双相不锈钢也将会对我国海洋武器装备具有重要的支撑作用。◆在船舶上的应用2.2双相不锈钢的发展

双相不锈钢已发展了三代20世纪30年代第一代

含碳量较高◆焊接时失去相平衡◆沿晶界析出碳化物◆耐蚀性下降◆韧性下降◆一般用于铸锻件◆应用上受到限制第二代◆含氮◆超低碳◆含有钼、铜或硅等提高耐蚀性的元素20世纪70年代◆耐蚀性提高◆应用范围广第三代◆含碳量低(0.01-0.02%)

◆含高钼和高氮（Mo约4%，N约0.3%）

◆钢中铁素体含量40%-50%20世纪80年代◆具有优良的耐孔蚀性能◆苛刻介质条件氮元素的独特效果：氮元素的作用在焊接热影响区快速冷却时，促进了高温铁素体逆转变为足够的二次奥氏体，以维持必要的相平衡。提高接头的耐蚀性提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与富铬、钼的铁素体相取得平衡提高材料整体的耐孔蚀性能氮能减轻铬、镍等元素在两相中分布的差异降低腐蚀速度2.3.超塑性双相不锈钢的发展

◆1967年Hayden开发出了Fe-Cr-Ni系双相不锈钢超塑性材料，伸长率达到1000%

◆1984年日本学者前原开发的双相不锈钢超塑性材料的伸长率达到2500%（圆柱截面试样，标距4mm）。

◆国内：2mm厚板状试样：1800%

◆日本NAS-Murdock公司采用这种双相不锈钢超塑性材料成功地制造出了波音737客机用盥洗盆。该产品长1100mm，宽350mm深270mm，是目前最大的不锈钢超塑成形制品，代表了不锈钢超塑性成形的最高水平。◆

1988年前原与小沟又对双相不锈钢超塑性材料的扩散连接进行了研究。◆1999年，韩国高科技学院材料科学和工

程部的YoungS.Han和SoonH.Hong又

对双相不锈钢在850℃的低温区的超塑性

进行了研究：δ=700%（3.2×10-3/s）

◆

2001年，巴西D.Pulino-Sagradi,R.E.

MedranoandA.M.M.Nazar的研究成果

δ=900%（960℃，8×10-4/s）2.4典型的双相不锈钢材料3、双相不锈钢的超塑性

3.1双相不锈钢超塑性材料的制备

（1）其它超塑性材料的制备（2）双相不锈钢超塑性材料的制备高纯净冶炼热变形固溶处理冷变形N元素合金化纯净度组织控制析出相固溶组织控制◆连续铸轧、快速冷却可以制造厚度为50—200μm的超合金薄带。双相不锈钢带材◆喷射雾化沉积液态金属雾化介质粉末液态粉末（3）超塑性变形的的微观组织变化

◆热轧—固溶后的组织

横向组织纵向组织当双相不锈钢超塑性材料经1250℃加热30min水淬后，沿着试件的纵向得到的是拉长纤维组织。这是未消除的原始热轧态组织

◆双相不锈钢材料冷轧后的金相组织冷轧变形量：37.3%冷轧变形量：87.5%γ岛在冷轧过程中被进一步拉长，

并且，冷轧变形量越大，晶粒被拉得越细长。3.2超塑性拉伸试样及拉伸设备

（1）超塑性拉伸试样（2）超塑性拉伸设备

系统构成

测温及电控系统

水冷系统

卡具装置

炉体

系统主要参数

最高加热温度

炉膛尺寸

均温段

控温精度3.3变形条件对双相不锈钢超塑性影响（1）流动应力与位移曲线（2）变形温度对双相不锈钢超塑性的影响（3）应变速率对双相不锈钢超塑性的影响（4）恒应变速率变形国标：拉伸：2.5×10-4—2.5×10-3/s压缩：5×10-5—10-4/s◆恒应变速率与恒拉伸速度的比较（5）固溶温度对双相不锈钢超塑性的影响

（变形温度960℃）

（6）冷轧变形量对双相不锈钢超塑性的影响

（变形温度960℃）◆冷轧变形量:73%■冷轧变形量:37%初始应变速率:1.2×10-3s-1

（7）应变速率敏感性指数m

◆超塑性本构方程

超塑性变形的力学特征主要取决于它的变形特征。

◆当金属材料拉伸时，呈现无缩颈的超塑性变形，应变硬化可忽略不计，其变形时的流动应力主要依赖于应变速率的变化。式中：σ—超塑性流动应力；

—应变速率；

m—应变速率敏感性指数，称为m值.

当m≥0.3时，超塑性材料；

A—材料常数。◆描述超塑性流动特性的本构方程最常用的是著名的贝可芬(Backofen)方程:◆m值的物理意义是阻碍颈缩的发展，维持变形的均匀性。◆m值的测试（拉伸速度突变法）（8）σ相对双相不锈钢超塑性的影响

▲超塑性成形技术的发展方向：

低温超塑性高温超塑性

▲σ相对双相不锈钢低温超塑性的影响

在双相不锈钢低温超塑性（800--900℃）的变形过程中，正是σ相最容易析出的温度区域。

△σ相是一种脆性相，对双相不锈钢的塑性

有不利的影响；

△σ相在双相不锈钢的超塑性变形过程中

起着非常重要的作用。σ相动态析出γσδδγγσδδγbσδγγσδδγσ

a)960-850℃超塑变形后；b)850℃超塑变形后

σ相细小均匀分布σ相较粗大3.4双相不锈钢超塑性变形的微观组织变化

（1）冷变形后组织37.3%87.5%固溶组织冷变形组织（2）加热温度和保温时间对双相不锈钢材料的金相组织的影响保温时间：5min

加热温度：960℃

析出细小的奥氏体及σ相保温时间：10min保温时间：30min

加热温度：960℃

最大流变应力最大m值变形量：700%ε：30～50%ε：50～300%加工硬化达到最大晶粒的动态软化充分以大角度晶界为主以小角度晶界为主大角度的晶界增多均匀细小的等轴晶晶界滑移困难晶界发生滑移

（3）超塑性变形过程中的组织变化

A.变形初期；B.变形量为60%；C.变形量为150%变形温度：960℃

双相钢晶粒内出现了垂直于晶界的位错塞积→动态再结晶3.5超塑性加工技术

（1）气压胀形

超塑性温度：960℃，

应变速率：1×10-3s-1～3×10-3s-1，

材料厚度：1.0mm

最终成形压力：1.7Mpa

（2）拉深

dH普通成形：H/d≤0.75超塑性成形：H/d=15（3）无模拉丝可以制造棒材、管材、螺栓材料，也可以制造带有一定锥度的或者局部收缩比较细的棒材。（4）超塑性挤压、闭式模锻（5）粉末热压缩粉末混合压制超塑性条件下，热等静压◆可以实现在低温度、低压力条件成形难变形材料◆目前，世界各国都在致力于开发耐热强韧合金，在合金设计、雾化粉制作、超塑性成形技术等方面的研究工作。

高温合金涡轮盘高温合金涡轮盘等温成形模具结构水冷板绝缘材料垫板加热装置凸模凹模顶出装置（6）内部缺陷◆在超塑性成形时，有时也会产生内部缺陷，例如，超塑性胀形时在变形量达到200%以上的部位，以及复杂形状产品的成形时，在较细部位的变形速度会增大，因此容易产生孔洞。◆这种孔洞会影响到结构材料的疲劳、蠕变、应力松弛、耐腐蚀、耐磨等性能。◆孔洞形成的原因：

孔洞是空位在超塑性变形期间，向晶界汇流形成的；

孔洞的形成并不是纯扩散方式，而是由于超塑性变形时，晶界滑移不能充分相互协调而产生的。◆孔洞容易在晶界上形成孔洞随应变速率增大而增多；孔洞随晶粒长大而增多。◆避免孔洞的产生的措施

选择适当的应变速率及变形温度，将胀形时的局部变形量控制在200%以下。

细化晶粒，如果能使晶粒控制在10μm以下的话，产生孔洞的临界变形量就会增大。

在胀形时，附加反向压力是抑制孔洞产生的有效手段。

4、双相不锈钢超塑性胀形与扩散连接复合工艺（SPF/DB）

由于微细晶粒的超塑性是由于晶界的激活而产生的现象，因此，作为应用技术最多的是固相接合，特别是Ti合金的情况。由于可以完全接合，因此，超塑性成形与扩散接合是同时进行的。◆典型成形结构四层夹层结构SPF/DB过程◆目前该方法已被用于B-1、F14A、F1