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1、塑性成型原理第七节超塑性,上节主要内容回顾,（1）影响金属塑性的因素？（2）提高金属塑性的途径？,碳含量对碳钢力学性能的影响（退火状态）,碳钢的塑性随温度变化图,塑性成型原理第七节超塑性,上节主要内容回顾,（1）影响金属塑性的因素？（2）提高金属塑性的途径？,包套镦粗,用摔子拔长,塑性成型原理第七节超塑性,上节主要内容补充,基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法,塑性成型原理第七节超塑性,思考,（1）超塑性变形的宏观特征（2）超塑性的力学特征和组织特征（3）应变敏感性指数（m）物理意义,2.5 金属的超塑性,塑性成型原理第七节超塑性,Ti3Al合金加载温度920，变形速度510-5/s，应
2、力35MPa,奇特的塑性变形现象,1920年 德国人N.Rosenhaim,塑性成型原理第七节超塑性,（一）超塑性的概念与特征,1945年，前苏联包赤伐尔（包奇瓦尔）针对这一现象，正式提出“超塑性”术语。,1928年，英国物理学家森金斯：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，其应变速度为每秒10毫米时产生300以上的延伸率。,金属和合金具有超常的均匀变形能力，其延伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。,1.概念,塑性成型原理第七节超塑性,（1）大延伸：拉伸试验，Zn-22%Al，250 ，5mm/min， 延伸率3120%（变形稳定性极好）； （2）小应力：Zn-22%Al Ti-6Al-4
3、V GCr15 （3）无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象， 截面收缩率100%；,2MPa,1.5MPa,30MPa,2.超塑性变形宏观特征,塑性成型原理第七节超塑性,铜的应力-应变曲线,颈缩,无颈缩,塑性成型原理第七节超塑性,（1）大延伸：拉伸试验，Zn-22%Al，250 ，5mm/min， 延伸率3120%； （2）小应力：Zn-22%Al Ti-6Al-4V GCr15 （3）无缩颈：截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象， 截面收缩率100%； （4）易成型：无加工硬化现象，流动性和填充性好。,2MPa,1.5MPa,30MPa,2.超塑性变形的特征,塑性成型原理第七节超
4、塑性,（1）延伸率（有色金属200%，黑色金属100%， 脆性金属超过 原来几倍）； （2）晶界滑移引起的应变占总应变的30%以上；（3）应变速率敏感性系数m0.3 。,3.如何判断是否呈现超塑性,塑性成型原理第七节超塑性,（二）超塑性的种类,1.恒温超塑性（第一类超塑性）,特点：晶粒超细化（0.5-5m），等轴化 组织热稳定性 一定温度范围（T=0.5Tm） 一定变形速率（ ）,钛合金和铝合金晶粒几十微米,机制: 晶粒移动和转动,10-410-1m/s,塑性成型原理第七节超塑性,2. 相变超塑性（变温/第二类/动态） 组织特点：相变 同素异构转变 控制因素：温度幅度 温度循环率,机制: 靠同
5、素异构转变诱发材料的高塑性，在应力作用下每次相变将得到一次跳跃式均匀变形，在相变温度附近的多次热循环即可累积得到大的变形量,塑性成型原理第七节超塑性,3. 其它超塑性 短暂超塑性 相变诱发超塑性 高应变率超塑性 电致超塑性,塑性成型原理第七节超塑性,碳钢和轴承钢的延伸率与温度循环次数n之间的关系（试验温度幅度：538-816度定负荷：17.5MPa）,球墨铸铁相变超塑性与温度循环的关系（试验温度：700-800度，循环速度：5度/分，定负荷：1-12MPa，2-8MPa）,塑性成型原理第七节超塑性,低碳钢应力应变曲线,超塑性材料的应力-应变曲线,（三）超塑性的力学和组织特征,1.变形力学特征,
6、塑性成型原理第七节超塑性,由试验发现，超塑性变形表现对变形速率极其敏感。,为1，牛顿黏性流动公式， K是黏性系数； 为0.020.2,普通金属； 为0.30.9，超塑性材料。,真实流动应力； 决定与实验条件的材料常数； 应变速率； 应变速率敏感指数。,应变速率敏感性指数m是什么？,塑性成型原理第七节超塑性,真实流动应力与应变速率之间关系的S曲线,，,塑性成型原理第七节超塑性,真实流动应力与应变速率之间关系的S曲线,，,Al-Mg共晶合金（变形温度：350 ，晶粒直径：10.6m）,塑性成型原理第七节超塑性,体积不变：,塑性成型原理第七节超塑性,m值的物理意义,越大， 随着 增大而急剧增大,反映
7、了抑制局部出现缩颈的能力,塑性成型原理第七节超塑性,均匀变形,第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也阻碍第二相的长大。,变形过程中晶粒长大的速度要慢，充分的热变形持续时间。,2.组织特征,晶粒极细,等轴晶,（1）,（0.5-5m）,（2）,双相,（共析或共晶）,热稳定性,（3）,塑性成型原理第七节超塑性,（1）高温超塑性,铝合金超塑性,细晶铝合金0.8Tm（473 ）,（2）低温超塑性,细晶铝合金0.5Tm（194 ）,搅拌摩擦焊（FSW）原理,塑性成型原理第七节超塑性,搅拌摩擦加工,铝合金超塑性,（1）高温超塑性,细晶铝合金0.8Tm（473 ）,（2）低温超塑性,细晶铝合金0.5Tm（1
8、94 ）,塑性成型原理第七节超塑性,金属间化合物Ni3Al超塑性组织变化,塑性成型原理第七节超塑性,超塑性变形机理（细晶超塑性） “主要是晶界滑动、扩散蠕变、动态回复和动态再结晶作用”,晶界滑动、扩散蠕变模型,（四）超塑性变形机理,体积扩散线,晶界扩散线,塑性成型原理第七节超塑性,变形温度,（五）影响细晶超塑性的因素,温度对 - 和 m- 曲线影响示意图,Zn-22%Al合金的延伸率和m值与变形温度的关系,T=0.5Tm,流变应力低超塑性变形区域宽M峰值增加延伸率提高,塑性成型原理第七节超塑性,晶粒尺寸和形状的影响,d10微米,流变应力低超塑性变形区域宽m峰值增加,Al-Cu共晶合金520度时
9、晶粒尺寸对流动应力即m值的影响,塑性成型原理第七节超塑性,应变速率的影响,=10-410-1 min-1,两相组织的影响,两相分布愈均匀，两相的体积比愈接近于1，热稳定性愈好,塑性成型原理第七节超塑性,组织变化,（六）超塑性变形时组织变化和性能影响,晶粒：显微组织：产生空洞：,晶粒没有被拉长，仍保持等轴晶状态，晶粒度部分长大；,几乎没有位错、亚结构，织构不发达；,由于晶界的滑动、转动及晶粒回转，在晶界或相界处形成空隙和裂纹，仅存在于试样的表面。,塑性成型原理第七节超塑性,力学性能影响,不产生各向异性，具有较高的抗应力腐蚀性能 （细小等轴晶粒、无织构） 没有残余应力 （温度稳定、变形缓慢、不存在
10、弹性畸变能） 产生加工软化现象 （Zn-Al共析合金，硬度随着压缩率增加而降低） 具有微细双相混合组织，较高的抗疲劳强度 （高铬高镍超塑性不锈钢）,塑性成型原理第七节超塑性,（七）超塑性的应用,1.无模拉伸,2.气胀成形 3.压焊加工,塑性成型原理第七节超塑性,SPF应用实例,塑性成型原理第七节超塑性,美国机种采用SPF、SPF/DB构件的技术经济效益,引自-北京航空工程制造研究所,塑性成型原理第七节超塑性,欧洲机种采用SPF、SPF/DB构件的应用情况,引自-北京航空工程制造研究所,塑性成型原理第七节超塑性,2.1（1）滑移和孪生的异同点？（2）多晶体的变形特点？（3）什么是加工硬化现象？（4）冷加工对组织和性能的影响？,2.2（1）热加工对金属组织、性能影响？（2）冷、热加工的区别？（3）冷加工流线与热加工流线区别？（4）板材经热加工后均为各向同性？（5）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。,中期复习,塑性成型原理第七节超塑性,2.3（1）什么是塑性？（2）塑性与柔软性的区别是什么？,2.4（1）冷脆、红脆、氢脆？（2）影响金属塑性的因素？（3）提高金属塑性的途径？（4）静水压力对提高金属塑性的良好影响,中期复习,2.5（1）超塑性变形的宏观特征（2）超塑性的力学特征和组织特征（3）应变敏感性指数（m）物理意义,