金属的超塑性发表评论(0)编辑词条

　　金属的超塑性(superplasticity   of   metal)

　　金属材料在某些显微组织、温度和变形速度条件下表现出延伸率比通常变形条件下高出许多倍的行为。

1946年苏联学者博奇瓦尔(A．A．BoqBap)等人，首次将一种出现异常高塑性的现象称为超塑性，但直到60年代这一名词才流行起来，并引起了众多材料科学工作者的广泛研究。然而至今尚未有能从物理本质上确切说明超塑性的定义。

判断一种金属材料是否具有超塑性，并没有一个好的准则。有些学者(如戴维斯，G．J．Davies)将延伸率为80%～2000%以上的材料都归为超塑性材料。一般则是将可获得百分之几百伸长量的材料视为超塑性材料。

　　一般将金属的超塑性分为两大类：(1)结构超塑性。这类超塑性的特点是首先要使金属材料具有晶粒尺寸为5μm以下的稳定的超细晶粒结构，然后在一定的变形温度(≥0．5T熔)、变形速度(应变速率为1×10-1～10-4 s -1)下拉伸时，其延伸率即可达到200%～2000%。

　　(2)动态超塑性。这类超塑性不要求金属具有超细晶粒，但要求金属具有相变或同素异形转变；在载荷作用下，将金属在相变或同素异形转变温度附近反复加热冷却，经过一定次数循环后，即可获得很高的延伸率，因此也称为相变超塑性或环境超塑性。

结构超塑性的特点结构超塑性的变形力学特点可归纳为大延伸、无缩颈、低应力和易成形。

　　(1)大延伸。超塑性金属的特点之一是宏观均匀变形能力极好，抗局部变形能力极大，或者说对缩颈的传播能力很强。拉伸试验的断面收缩率接近100%，延伸金jin率可达百分之几百，甚至达百分之二干。

　　(2)无缩颈。超塑性材料的无缩颈是指断口部位的断面收缩率ψ 几乎可达100%。这说明缩颈部位存在应变速率硬化效应，即缩颈部位由于应变速率高而出现了强化，其余未强化的部位继续变形，而使缩颈向外传播，因之可获得特别大的宏观均匀变形。

　　(3)低应力。超塑性材料变形过程中的流变抗力很低，只有非超塑性状态下的几分之一或十几分之一，甚至几十分之一，其应力一应变速率曲线呈“S”形，如图1所示。

　　(4)易成形。超塑性变形过程中，基本没有或只有微弱的加工硬化现象。超塑性金属材料的流动性、填充性均极佳，易于进行多种形式的塑性成形，例如，体积成形、板材和管材的气压成形、无模拉丝、无模成形等等，这为金属塑性成形技术开辟了一条新途径。

　　在微观组织结构上，超塑性变形与一般塑性变形也有很大差别。如从表象上看，超塑性金属变形后，试样表面平滑、无起皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等。金相组织上，变形前的等轴细晶粒超塑性变形后，仍然为等轴晶粒，看不到晶粒被拉长。变形前的柱状晶粒经超塑性变形后变成等轴晶粒，原来具有的带状组织也能在变形后得到减弱甚至消失。

　　结构超塑性变形机制

    模型对于结构超塑性的宏观变形力学特点和微观结构特点，经典的金属塑性变形机制以及位错滑移理论难于作出合理的解释。许多研究工作表明，超塑性变形时，晶界行为，诸如晶粒转动、晶界滑动、晶粒易位等起着主导作用，因此变形机制十分复杂，非某种单一机制可以说明。至今已提出多种超塑性变形机制的假说，如由阿什比(M．F．Ashby)和维罗尔(R．A．Verrall)根据超塑性变形时晶界滑动和变形后仍为等轴晶粒现象而提出的晶界滑动和扩散蠕变的联合机制模型(图2)。

　　图2中一组晶粒在应力σ作用下，一方面沿晶界的滑动和扩散使晶粒由起始态(图2a)演变成中间态(图2b)，使晶界面积增大，系统的自由能增加；另一方面，随着中间态向最终态(图2c)的转变，晶界面积逐渐减少，于是外部给予的能量消耗于晶界面积的变化过程中。变形结果使晶粒沿应力方向上有很大延伸变形，而变形后仍保持等轴晶粒。当应变速率较高时，上述晶粒转变机构使晶粒拉长受阻，而产生以位错蠕变为主的机构；在中等应变速率情况下，以上两种机构并存，形成了变形机构综合图的中间区域。(见图3)对锌一铝共析合金等超塑性金属的研究表明，其变形行为与晶界滑动和扩散蠕变联合机制的作用情况十分相符。应用    金属在超塑性状态下具有极好的成形性和低的流变应力，所以超塑性成形技术已越来越广泛地应用于工业生产上(见超塑性材料加工)。已报导有两百余种金属及合金具有超塑性行为。很多这类金属材料已用于工业性生产，如锌一铝共析合金，Al—6Cu—0.5Zr和Al—8Zn—1Mg—0.5Zr等铝合金，Ti—6Al—4V两相合金，以及不少碳钢和不锈钢等。锌—铝合金、铝基超塑性合金，广泛用来制造仪器和机器零件等。高温合金、钛合金等可用超塑性成形技术制造涡轮盘、叶片等零件。用超塑性成形技术可大大降低所用设备的吨位和减轻工件重量。超塑性成形的叶片，叶面可不需要再进行机加工。飞机上的某种钛合金部件，原来由几十个零件组成，用超塑性成形便可一次完成，大大减轻构件重量和节省大量加工和装配工时。但是超塑性成形需要恒温条件，对高温成形应有防氧化措施，成形速度低，模具需耐高温等。这些缺点使超塑性成形仅适用于一定的场合和范围。
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