02第二节 超塑性合金.ppt

第二节 超塑性合金（Superplastic Alloys） 一、超塑性现象 及尺寸、相变等)和外部(环境)条件下(如温度、应变速率等)，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(例如大的延伸率)的现象。 这种情况下，金属会表现出象麦芽糖一样的粘滞现象，可以伸长十倍、二十倍甚至上百倍，既不出现颈缩，也不发生断裂。 这种超塑性发现于20年代，最早是作为耐热合金的一种反常塑性研究的，目的在于防止这种反常塑性。第二次世界大战后，苏联系统地研究了这个问题，发现多数合金在高温下有异常伸长现象，从而引起人们的注意。 超塑性现象最早的报道是在1920年，ROSENHAIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180o。 1928年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒10毫米时产生300％以上的延伸率，均属超塑性现象。 1934年，C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000％的延伸率。 1945年前苏联的 A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。 1964年，美国的 W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念。 60年代后期及70年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。 并已发现170多种合金材料具有超塑性。中国目前在超塑性研究领域已是位于美国、俄罗斯、日本之后的四强之一。 所谓超塑性是指合金在一定条件下（包括温度、加热条件、变形速度、合金组织等）所表现的具有极大伸长率和很小变形抗力的现象。但定量地说，伸长率达到什么程度才算超塑性，还没有统一标准。从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑性温度Ts。 二、超塑性机理 根据金属学特征可将超塑性分为细晶超塑性和相变超塑性两大类。 1、细晶超塑性 细晶超塑性也称等温超塑性或第一类超塑性，是研究得最早和最多的一类超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有这一类超塑性的合金。 产生细晶超塑性的必要条件是：⑴ 温度要高，Ts≥0.5T熔。⑵ 变形速率要小， 细晶超塑性合金要求有稳定的超细晶粒组织。稳定是指在塑性加工过程中晶粒尺寸不发生明显变化。细晶组织在热力学上是不稳定的，为了保持细晶组织的稳定，必须在高温下有两相共存或弥散分布粒子存在。两相共存时，晶粒长大需原子长距离扩散，因而长大速度小，而弥散粒子则对晶界有钉扎作用。因而细晶超塑性合金多选择共晶或共析成分合金或有第二相析出的合金，而且要求两相尺寸（对共晶或共析合金）强度都十分接近。 细晶超塑性合金的两种组织 Al-Ca-Zn共晶合金组织 第二相粒子对晶界的钉扎 陶瓷的细晶超塑性 m值越小, dA/dt对A变化越敏感, 颈缩倾向越大；当m接近于1时，A的变化对dA/dt影响很小, 不容易因颈缩而产生断裂, 因而?变大. 晶粒尺寸的影响：在变形温度及变形速度不变的条件下，随晶粒尺寸减少，变形抗力下降，伸长率增加，变形速 晶粒尺寸对应力-应变速度曲线的影响 晶粒尺寸对NiAl塑性的影响 304不锈钢细晶超塑性组织(TEM) 左：晶粒平均直径190nm，700℃超塑性变形速度上限为0.9×10-2/s 右：晶粒平均直径100nm，700℃超塑性变形速度上限为1.8×10-2/s 镁基合金m值与温度和应变速率的关系（d~10?m） 关于细晶超塑性的微观机制，虽然已进行了大量研究，但目前尚无定论。比较流行的观点认为，超塑性变形主要是通过晶界滑动和晶粒的转动造成的。主要证据是在超塑性流动中晶粒仍然保持等轴状， Pb-Sn共晶合金经SPF后刻痕的位移 晶界的滑动和晶粒的转动可通过下图所示阿西比（Ashby）机制来完成。经过由(a)到(c)的过程,可以完成?=0.55的真应变。 在这个过程中，不仅要发生晶界的相对滑动，而且要发生由物质转移所造成的晶粒协调变形。 无论是晶界滑动还是晶粒的协调变形，都是由体扩散和晶界扩散来完成的。由于扩散距离是晶粒尺寸数量级的，所以晶粒越细越有利于上述机制的完成。 晶界滑动的计算机模型 Al-Zn-Mg-Cu合金超塑性变形时的组织变化(发生连续再结晶) 2、相变超塑性 相变超塑性是指合金受小应力作用时，在其相变温度上下反复加热冷却获得极大延伸率的现象，又称动态超塑性或第二类超塑性。相变超塑性并不需要超细晶粒，但合金必须具有固态相变。原则上说，具有固态相变的合金都有可能发生相变超塑性。如纯金属及合金中的同素异构转变、碳钢及合金钢中的珠光体转变，甚至铸铁中的奥氏体-珠光体转变都也可能导致动态超塑性。相变超塑性与固态相变过程中密度变化产生的内应力有关。 Ti-6Al-4V合金的