金属材料的超塑性研究

1、1 金属材料的超塑性研究金属材料的超塑性研究 赵克飞赵克飞 （河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄050018） 摘 要：摘 要：超塑性金属材料是材料科学发展的一个主要分支，本文从超塑性的基本概念 出发，在力学特征方面，对超塑性材料和一般塑性材料进行了比较。并对金属材料有关的超 塑性分类、变形机理、影响因素及加工方法进行了分析和扼要的叙述，同时本文对金属材料 的超塑性的应用进行了概，并对金属超塑性的研究和运用进行了展望。 关键词：关键词：金属材料；超塑性；力学特征；变形机理；加工 中图分类号：中图分类号：TG14文献标志码：文献标志码：A 一、金属超塑性的概念一、金属超塑性的概念 普通的

2、金属材料在拉伸时试样会产生缩颈， 最后在缩颈出断裂。 即使是塑性很好的金属 材料，断裂时所得的延伸率也不绝不会超过 100%。但是有些金属材料，在特定条件下拉伸 时，在没有局部缩颈或断裂情况下，其延伸率很容易超过 100%，甚至高达 2000%，这种性能 通常称为金属材料的超塑性。所谓特定的条件包括： 金属材料的内在条件，如一定的成分，特有的显微组织存在及转变能力（相变，再结 晶及固溶度变化等）。 外在条件，如变形温度及变形速度等。在某些特定条件下，有的超塑性合金的延伸率 极容易就达到 100%，甚至达到 10002000%，而无缩颈（或缩颈较小），也不断裂。所需的 拉力却很小。 除金属材料外

3、，非金属材料，例如陶瓷材料 1 也会产生超塑性。 二、超塑性材料和一般塑性材料的力学特征比较二、超塑性材料和一般塑性材料的力学特征比较 关于超塑性材料和非超塑性材料可以用拉伸试验中表现的行为及结果进行比较。不过， 除拉伸载荷外， 超塑性也会在其他形式的载荷， 例如， 压缩， 扭转及反复载荷的作用下产生。 1.一般的塑性材料的拉伸：1.一般的塑性材料的拉伸： 一般的塑性材料进行拉伸试验时，和超塑性材料相比较，主要有两个不同点：第一，拉 伸到塑性变形阶段时，随着变形过程的进行，相伴出现加工硬化。第二，当伸长达到一定长 度时，试棒在局部区域形成缩颈，最后呈杯锥断口而断裂。 其公称应力-应变曲线如图

4、1（A）中所示。第一阶段为弹性变形阶段，表现为直线。第 二阶段为塑性变形阶段，表现为曲线。在塑性变形阶段内，一方面由于加工硬化的结果，试 棒的塑形降低。另一方面，由于试棒的截面减小，从而使有效应力增高。塑性变形阶段内曲 线的形状由这两种现象的综合效果所决定。在应力的峰值以前，属于稳定的塑性变形，试样 的截面积是均匀减小的。超过应立峰值以后，属于不稳定的塑性变形，试样在局部区内，变 得很细，形成细颈最后已断裂而告终。 2 将应力和应变分别用真应力和真应变来代替，两者之间的关系 2 可以由下式表示： n k.(1-1) 其中：-真应力； -真应变； k-强度系数 n-加工硬化指数 图 1.一般的塑

5、性材料的应力-应变关系图 1.一般的塑性材料的应力-应变关系 一般金属及合金的 k 及 n 的值如表 1 中所列。 将（1-1）式写成下面的对数形式： log= n log+ log k .(1-2) 作 log- log关系图，得到一根斜率为 n 的直线（图 1 B）。由于 n 值（ n1，n2及 n3.）的不同，可以得到一系列的这种直线。加工硬化的程度随着 n 值的减小而降低。 当 n=0 时，加工硬化效果消失。 3 2.超塑性材料的拉伸：2.超塑性材料的拉伸： 超塑性材料进行拉伸变形时，其情况敲好相反： 第一，一般不出现加工硬化现象，并在超塑性变形后也无晶粒破碎、拉长以及亚结构、 位错增

6、加等现象，所以（1-1）、（1-2）式中的 n=0 时，= K。应力将在这种应力极限值 的作用下发生超塑性流动，此时 log- log的关系如图 1（B）中虚线所示，应力与应变 之间不再存在依赖关系，处于这种状态的材料是理想的塑性材料。 第二，一般试样不出现细颈，在整个拉伸过程中，试样的变形都是均匀而稳定的。 三、超塑性的种类三、超塑性的种类 根据超塑性变形时所表现出的“大延伸、无颈缩、小应力、易成型”的特征，我们把凡 是具有上述特点的金属变形认为是超塑性变形。 关于超塑性的分类 53 ，现在还没有统一的认识，按温度和形态可以分为： 1.细晶超塑性（即恒温超塑性）。即在一定的恒温条件下，而且在

7、应变速率和晶粒度都 满足要求的条件下所实现的超塑性。 这类超塑性的产生必须具备以下几个必要的条件： a.金属须具有均匀微细的等轴粒，且在超塑性的温度下不易粗化长大，即热稳定性好。 b.变形温度应大于 0.5Tm（Tm为绝对熔化温度），一般为 0.5-0.7Tm，且保持恒定。 c.应变速率低，比普通的塑性加工应变速率至少小一个数量级，由于细晶超塑性是在恒 温下产生，没有相变等一类组织结构上的转变，所以又称之为静态超塑性。 细晶超塑性是目前研究和应用较多的一种， 其优点是恒温下易于操作， 故大量用于超塑 性成型；但也有其缺点，因为晶粒的超细化、等轴化及稳定化要受到材料的限制，并非所有 合金都能达到

8、此目的，如共晶白口铸铁至少在目前是不可能的。 2.相变超塑性（即变温超塑性） 相变超塑性不同于细晶超塑性， 它是在一个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型转变等而获得很大的延伸变形。 产生相变超塑性必须具备三个条 件： a.金属或合金具有固态结构转变能力 b.应力作用和在转变温度上下循环加热和冷却 相变超塑性的过程， 实际上是使具有固态结构转变能力的金属或合金在应力和转变温度 上下循环加热和冷却的双重作用下诱发它产生反复的结构变化， 使金属原子发生剧烈的运动 而产生的超塑性。相变超塑性的主要控制因素是温度幅度（T = T上-T下）和温度循环速 率（T/t），相变超

9、塑性的总延伸率与温度循环周期次数有关，循环次数愈高，总延伸 率愈大。 由于相变超塑性是在一个变动频繁的温度范围内依靠反复的结构变化引起， 故又称 为动态超塑性。 四、常用的超塑性材料加工方法四、常用的超塑性材料加工方法 通过超塑性研究的进一步深入和发展，目前已有下列加工方法 6 已得到应用： 冷处理-快速加热至双相区快速变形法，它适用于普通低合金钢和非奥氏体不锈钢。 冷轧-双相区拉拔法，它适用于各种碳钢的热拉拔。 反复快速加热-临界区断续拉拔法，它适用于各种丝材的拉拔，如无模拉拔。 4 轧后快冷-快速加热恒温变形法，它适用于高合金难变形钢，如热强钢的轧制、锻压 等。 淬火至马氏体区-形变热处理

10、法，它适用于工具钢、轴承钢和结构钢的温加工。 粉末热压成型-临界区热变形发，它适用于各种碳钢尤其高碳钢的热加工。 固相压接焊接法，它适用于普通钢、不锈钢和灰口铁的大塑变焊接，据说可节电 50-60%。 此外还有其他方法如吹胀成型、注射成型、真空成型、拉伸成型以及热压印制模等。 五、影响超塑性变形的因素五、影响超塑性变形的因素 影响超塑性变形的因素很多，其中主要的有应变速率、变形温度、晶粒尺寸及形状等。 1.应变速率的影响1.应变速率的影响 超塑性材料在应变之后有一段很长的均匀变形，随着应变增加，应力缓慢降低，试样截 面逐渐减小，在变形温度不变的前提下，超塑性的拉伸特性和应变速率密切相关。用不同

11、的 应变速率对超塑性材料进行拉伸，则其流动应力随应变速率增大而增大，尤其在 II 区，应 力随应变速率变化较快，超塑性变形发生在该区域，即 m0.3。见图 2。 图 2. 超塑性流动曲线示意0.5T图 2. 超塑性流动曲线示意0.5Tm 2.变形温度的影响2.变形温度的影响 变形温度对超塑性的影响非常明显， 当低于或超过某一温度范围时， 就不出现超塑性现 象。超塑性变形温度大约在 0.5Tm左右，但对于不同的金属和合金会有所差别。 3.晶粒尺寸和形状的影响3.晶粒尺寸和形状的影响 细晶超塑性首要条件是要求晶粒度小，等轴、热稳定性好，晶粒度越小，m 值则越大， 应变速率则越大。晶粒尺寸通常在 0

12、.5m-10m 之间，同时要求超塑性变形过程中材 料据有优良的热稳定性， 这是因为变形是在一定的强度范围内进行的， 如果出现晶粒的长大， m 值则下降，失去超塑性。 5 图 3. 晶粒度对超塑性流动曲线的影响图 3. 晶粒度对超塑性流动曲线的影响 另外，晶粒的形状对 m 值的影响也很大，片状的共晶和共析组织就不显示超塑性，m 值很小。 六、超塑性变形机理六、超塑性变形机理 金属超塑性具有无缩颈的巨大延伸率的特点， 非一般的塑性变形机理所能解释。 随着超 塑性合金的发现，引起了许多学者的兴趣，并作了大量研究工作，提出了各种各样的假说和 理论 87 。基本上有：“溶解-沉淀理论”、“亚稳态理论”、

13、“晶界的滑移”、“晶界的 移动”、“晶体的回转”、“扩散蠕变”、“位错的上升和运动”、变形中再结晶以及晶界 非物质移动等。Naziri 提出用几种理论同时起作用来解释。以上的假说，都只是在一定的 条件下，一定的程度上解释了超塑性变形的原理，而且还都是探讨性的多。 目前由阿希贝（Ashby）和弗拉尔（Verrall）提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理（简 称 A-V 机理）被认为能较好地解释超塑性变形过程，该理论 9 认为，在晶界滑移的同时伴 随有扩散蠕变，对晶界滑移起协调作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。 图图 4.晶界滑动和扩散蠕变联合机理平面模型晶界滑动和扩散蠕变联合机理平面模型

14、 图 4 示出 A-V 机理的模型。一组晶粒在拉应力作用下，由于晶界滑移和原子扩散（包 括晶内扩散和晶界扩散），一方面使晶粒由起始状态演变成图中所示的中间状态，从而使晶 界面积和系统的自由能增加；另一方面，随着中间状态向最终状态的转变，晶界面积逐渐减 小。这样，外部给予的能量消耗在晶界面积的变化过程中，结果横向晶粒相互靠近、接触， 纵向晶粒彼此分离、拉开，而所有晶粒仍保持等轴状原样，只是发生了“转动换位”。 6 七、超塑性的应用七、超塑性的应用 由于超塑性变形处于半粘性状态，在低的流动应力下容易流动，填充性良好，所以适合 于形状复杂的零件的成形以及难变形脆性金属和合金的成形。而且由于相变超塑性

15、的开发， 它正在被应用于焊接、热处理、切削加工等机械工程各部门 103 、 。 正是因为超塑性金属材料既具有塑料般的成型性， 又具有可贵的金属性的双重特性， 从 七十年代开始超塑性材料在工业上得到了越来越广泛的应用。 金属材料在超塑性状态下具有 异常高的延展性，因此可以实现大变形量一次加工成型，便与制造形状极为复杂，表面质量 和精度要求高的零件， 而且成型应力小， 材料利用率大大提高， 生产成本大幅度降低， 节能、 省工、省料 5 。 八、结语八、结语 近年来金属超塑性的研究有了很大的发展，范围很广阔。从冶金方面看来已从共晶、共 析合金发展到非共晶非共析合金。 从两相组织发展到单相或多相组织。

16、 从低熔点合金发展到 高熔点合金。从有色金属发展到钢材。从金属工艺学上看来，热处理、锻压等都是使材料达 到超塑性的中间手段。从复杂零件的加工成形来看，潜力极大。当然，金属材料超塑性的研 究和运用仍处在初始阶段，机理上的研究还不充分，许多问题还需继续探讨分析。 参考文献:参考文献: 1 叶建东,陈楷,A.DominguezRodriguez.陶瓷材料的超塑性J.无机材料学报.1998(03) 2 刘勤.金属材料的超塑性一般介绍J.机械工程材料.1979(01) 3 金属材料超塑性研究综述J.广东机械.1981（01） 4 俞汉清，陈金德，王仲仁.金属塑性成型原理.北京：机械工业出版社.1999 5 俞巍巍.金属材料