超塑性合金

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1、超塑性合金超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸，相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。超塑性現(xiàn)象最早的報(bào)道是在1920年，ROSENHAIN等發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速彎曲時(shí)，可以彎曲近180º。最初發(fā)現(xiàn)的超塑性合金是鋅與２２％鋁的合金。１９２８年英國物理學(xué)家森金斯下了一個(gè)定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳?，而且其?yīng)變速度為每秒１０毫米時(shí)產(chǎn)生３００％以上的延伸率，均屬超塑性現(xiàn)象。１９４５年蘇聯(lián)包奇瓦爾等針對(duì)這一

2、現(xiàn)象提出了“超塑性”這一術(shù)語，并在許許多多有色金屬共晶體及共析體合金中，發(fā)現(xiàn)了不少的延展性特別顯著的特異現(xiàn)象。超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會(huì)斷裂。在通常情況下，金屬的延伸率不超過９０％，而超塑性材料的最大延伸率可高達(dá)１０００％～２０００％，個(gè)別的達(dá)到６０００％。金屬只有在特定條件下才顯示出超塑性。在一定的變形溫度范圍內(nèi)進(jìn)行低速加工時(shí)可能出現(xiàn)超塑性。１９２０年，德國人羅森漢在鋅－鋁－銅三元共晶合金的研究中，發(fā)現(xiàn)這種合金經(jīng)冷軋后具

3、有暫時(shí)的高塑性。最初發(fā)展的超塑性合金是一種簡(jiǎn)單的合金，如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的19.5倍，然而這些材料的強(qiáng)度太低，不能制造機(jī)器零件，所以并沒有引起人們的重視。60年代以后，研究者發(fā)現(xiàn)許多有實(shí)用價(jià)值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性，于是前蘇聯(lián)、美國和西歐一些國家對(duì)超塑性理論和加工發(fā)生了興趣。特別在航空航天上，面對(duì)極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形，而利用超塑性加工卻獲得了成功。到了70年代，各種材料的超塑性成型已發(fā)展成流行的新工藝，全世界都在追尋金屬的超塑性，并已發(fā)現(xiàn)１７０多種合金材料具有超塑性?！?/p>

4、現(xiàn)在超塑性合金已有一個(gè)長長的清單，最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有10～15個(gè)牌號(hào)，它們的延伸率在200～2000％之間。如鋁鋅共晶合金為1000％，鋁銅共晶合金為1150％，純鋁高達(dá)6000％，碳和不銹鋼在150～800％之間，鈦合金在450～1000％之間。下表列出了已獲得實(shí)用的幾個(gè)典型超塑性合金的成分和主要用途。。近年來，超塑性主要的研究前沿是“先進(jìn)材料的超塑性開發(fā)”，所謂先進(jìn)材料是指金屬基復(fù)合材料、金屬屬化合物、陶瓷等，由于它們具有某些優(yōu)異的性能（例如強(qiáng)度、高溫性能等），得到很大發(fā)展。然而這些材料卻有其共同的不足之處――難于加工

5、成形，開發(fā)這些材料的超塑性具有重要意義。近年來其中一些材料的超塑性已經(jīng)達(dá)到很高的指標(biāo)，然而這些材料超塑性的應(yīng)用尚有一定的距離超塑性既是一門科學(xué)，又是一種工藝技術(shù)。利用它可以在小噸位設(shè)備上實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜、其他塑性加工工藝難以或不能進(jìn)行的零件的精密成形。??在超塑性材料學(xué)方面，上述經(jīng)典的超塑性理論對(duì)于“超塑性材料”規(guī)定的“均勻、穩(wěn)定、等軸、細(xì)晶”的苛刻條件對(duì)超塑性的應(yīng)用有很大的限制。人們從為數(shù)甚少的“天然”超塑性材料（例如Pb-Sn及Zn-Al合金等）開始，進(jìn)而研制“專門”的超塑性材料（例如Al-Cu-Zr合金等），其應(yīng)用范圍很小。70年代起

6、人們注意開發(fā)工業(yè)牌號(hào)合金的超塑性、基于上述組織條件，在超塑性變形或成形前要對(duì)材料進(jìn)行細(xì)化晶粒的預(yù)處理，包括熱處理和形變熱處理，有些處理工藝相當(dāng)繁雜，消耗了能源、人力和材料。在研究中發(fā)現(xiàn)。許多工業(yè)合金在供貨狀態(tài)下雖然不能完全滿足均勻等軸細(xì)晶的組織條件，但是也具有良好的超塑性（Ti-6Al-4V就是其中的一個(gè)典型）。這樣不用或少用細(xì)化處理工藝，可以大大提高起塑性技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。然而，供貨態(tài)工業(yè)合金往往不能完全滿足超塑性材料的組織條件，或是晶粒較粗大，或是不等軸、或是分布不均勻，因此其在超塑性變形中會(huì)產(chǎn)生一系列的問題（例如變形不均勻、各向異性等

7、）。這樣，研究非理想超塑性材料的超塑性變形特征，掌握缺陷形成的機(jī)理并通過控制變形參數(shù)抑制缺陷的產(chǎn)生，用低成本的材料超塑性成形出高質(zhì)量的零件，形成了一個(gè)重要的研究方向。這方面的研究是符合中國國情的。此外，從社會(huì)生產(chǎn)的角度出發(fā)，以往材料生產(chǎn)廠、零件成形制造廠、機(jī)械裝配廠、設(shè)備使用廠彼此脫節(jié)的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。應(yīng)該形成一個(gè)完整的體系－從材料冶煉制造起就統(tǒng)籌考慮到零件的成形、裝配和使用，各個(gè)環(huán)節(jié)之間彼此呼應(yīng)相互調(diào)節(jié)。這樣對(duì)于提高整個(gè)生產(chǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益會(huì)產(chǎn)生難以估量的效果。在超塑性技術(shù)的應(yīng)用中，已經(jīng)有了這樣一些先例，超塑性狀態(tài)已成為某些工業(yè)合金的若干

8、種供貨狀態(tài)之一，這對(duì)于超塑性技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)于成形零件的質(zhì)量保證，對(duì)于生產(chǎn)的規(guī)?；绦蚧鸬街匾耐苿?dòng)作用。金屬超塑性可以分為幾類，主要是以下兩種：①細(xì)晶超塑性（又稱組織超塑性或恒溫超塑性），其內(nèi)在條件是