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1、超塑性合金（super plastic alloy）,超塑性成型（super plastic forming）,金属或两种以上金属组成的合金，通常是坚硬的，有大 的强度，做成各种构件很坚固，不容易破坏，这当然是一种 优点；但是，强度越大的材料，要做成某种形状，成形也就 越困难，这时强度大变成了缺点，给加工成形造成困难。 那么，有没有既柔软又坚硬的材料呢?,长期以来，人们幻想着有一种材料，加工成形时，像麦芽糖似的，用一点力就能把它拉长，柔软可塑，而加工成形后，又像钢铁一样坚硬牢固。,今天“幻想已经成为现实，人们在实验中发现了超塑性合金材料，大体上是这样一种理想的材料。,高强度材料可以满足一些耐受
2、性要求较高的部件制造，但加工难度相应也增大了。长期以来，人们一直希望能够很容易地对高强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。随着超塑性合金的出现，这种想象成为了现实。,金属的超塑性试验,金属一般都是坚硬的，并不那么驯顺，要使它在普通条 件下产生永久变形，那可真是“谈何容易，现在，在金属超塑 性实验室里，一台万能电子拉力试验机正在对一根锌铝合金 试样进行拉伸试验，当试验温度保持在250左右时，只用 了每平方毫米0.4一0.5公斤的拉力，就使这根锌铝合金试样 慢慢地伸长一倍、两倍，直到伸长至原来的17倍以上时才 被拉断。,这根锌铝合金试样在250时，变得简直象口香凋以的柔顺听话
3、。这就是金属的超塑性试验。,超塑性出现的温度：超塑性温度Ts0.5Tm。超塑性的形变条件是形变速率低，超塑性合金的拉伸实验，伸长率很高但是没有加工硬化，拉伸行为属于粘滞流体。,最初发现的超塑性合金是锌与铝的合金。年，德国人罗森汉在锌铝铜三元共晶合金的研究中，发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。超塑性锌合金的形成条件为，温度，压力.兆帕.兆帕。,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毫米时产生以上的延伸率，均属超塑性现象。年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延
4、展性特别显著的特异现象。,最初发现的超塑性合金是一些简单的二元合金，如锡铅、铋锡等，一根 铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍。然而，这些材料的强度太低，不能制造机 器零件，所以并没有引起人们的重视。,20世纪60年代以后，研究者发现许多有价值的锌、铝、铜合金也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和超塑性加工发生了兴趣。特别是在航空和航天工业中，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工获得了成功。到了70年代，各种材料的超塑性成形已发展成流行的新工艺。,现在超塑性合金已有一个长长的清单（年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现多种合
5、金材料具有超塑性。 最常用的铝、铜、铁、镍合金均有10-15个牌号，它们的延伸率在200%-2000%之间，如铝锌共晶合金为1000%，铝铜合金为1150%，纯铝高达6000%。碳钢和不锈钢在150-800%之间，钛合金在450-1000%之间。,目前的应用也主要是将这种特殊性质用于结构材料的塑性成形。但是还有不少是开发利用这种合金的固相粘结作用、减振能力和消音性能，某些超塑性合金可以兼备结构和功能材料的性质。,在通常情况下，金属的延伸率不超过，而超塑性材料的最伸 率可高达 ，个别的达到。金属只有 在特定条件下才显示出超塑性。在一定的变形温度范围内进行低速加工 时可能出现超塑性。在两种特定的条
6、件下，会出现合金的超塑行为。,1、大家都熟悉，水是液体（液相），当温度降到0时，会结成冰，冰是固体（固相）。水从液体变为固体称为相变。在一些金属在受热达到一定的温度范围时，金属内部会产生异常的变化，如纯铁加热到910左右时，内部原子排列的方式会发生变化，从一种（铁）转变成另一种铁（铁），称为相变。如果我们使温度在910附近上下波动，同时对铁块施加作用力，如拉伸、挤压、扭曲等作用力，此时铁块会变得像麦芽糖一样，呈现相变超塑性行为，铸铁通常称为生铁，家家户户使用的铁锅就是这种材料。铸铁就具有这种超塑性行为.大家知道，铸铁质硬而脆，加压力进行加工成形十分困难。后来发现铸铁有超塑性行为，所以工厂里利用
7、超塑性行为来加铸铁，当然是一个理想的方法。,相变超塑性：合金必须有固态相变。给合金施加一定的拉伸负荷，然后将其在相变温度上下反复加热冷却多次，便可以得到加大的伸长率，这就是相变超塑性或动态超塑性。另一种是使奥氏体状态的合金在变形过程中连续发生马氏体相变，以导致很大的塑性，即相变诱导塑性（TRIP）,2、还有一种超塑性行为，产生在具有微细晶粒的有色金属和合金中。 即合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径5微米以下）。这种超塑 性成为超细晶粒超塑性。,超塑性合金其晶粒直径一般在0.25m，尽管变形量很大，但晶粒形状不变，仍为细小的等轴晶粒，试样形状的改变只是晶粒位置发生了变化，变形发生在晶粒的界
8、面上，在应力作用下通过短程扩散的晶界滑动而变换了晶粒的排列。晶界滑动是微晶超塑性重要的变形机制。,加工硬化：,10钢50%量,10钢70%量,10钢500度回复,10钢700度再结晶,施加一拉伸应力 ，则横向必受一压应 力，在这些应力作用下 通过晶界滑动，晶粒转 动，换位中间态原子的 体扩散和晶界扩散（主 要是晶界扩散），晶粒 由初始态经中间态变为 最终态。结果晶粒的位 置发生了变化，但晶粒 形状没有变，整个试样 沿轴向伸长了。,（a）为初始态,（b）为中间态,（c）为终态,（d）为换位中间态的扩散调节箭头为扩散渠道，阴影区为移动物质的体积。,超塑性合金（super plastic alloy
9、）,第一个实用的超塑性合金是锌-22%铝合金，这种合金最初是在英国 实现商品化的，后来进人世界市场，特别是占有了发达国家的市场，其 中包括美国、日本和加拿大等。 锌一铝合金形成超塑性的条件：温度范围250270，压力范围为 0.391.37兆帕，这样的条件在工厂里很容易实现。普通金属要进行 压力加工成形，压力范围高达20004000兆帕。而超塑性锌铝合金成 形所需要的压力只有普通金属的几千分之一而且一次整体成形所需的时 间很短，对小部件只要12分钟，对复杂部件也只要5一6分钟。 锌一铝合金的超塑性行为给我们带来的好处，不仅仅是加工成形压 力低和节省加工时间，此外还有加工成形温度低，模具费用低.
10、因为在超 塑性状态合金成了“麦芽糖”，柔软得很，所以模具的材料可以用比较便宜 的容易加工的铝合金或铜合金就可以了，不必用昂贵的难加工的硬质合 金：这样模具的费用自然就便宜多了。,1、锌一铝合金,2、铝-铜合金,铝与33%的铜形成的合金是又一团“麦芽糖”，在500时，可以有大 于2000%的超塑性延伸率，任你改变它的形状，因此，可以加工成各种 复杂的构形。后来又发现一种新型的铝合金，铝一钙一锌合金具有超塑 性。这种新型铝合金的优点是强度高、比重轻、抗腐蚀.这种材料可以用 在要求强度高、形状复杂、重量轻的部件上。,3、镍基合金 以金属镍为基体再加入铬、铁、铝等金属形成的镍基合金是一种耐热合金，具有
11、高温下仍有很高的强度的优点；但是，很难进行锻造加工成形。经过科学家的不断实验找到了这种合金在一定条件下也具有超塑性。于是很快，在工业上得到应用，利用超塑性进行精密锻造，锻造压力小，一次成形，节约材料，减少工时，成品均匀性好，已经利用于蒸汽轮机的制造，效果令人满意。,4、钛合金,钛合金是目前最重要的航空、航天和导弹材料。例如美国的P14战 斗机，大部分部件都是钛合金材料。作为飞机材料首先要求强度要大， 经得住负荷，耐使用，同时要求材料的比重要小，做成的部件重量轻， 还要求有良好的抗腐蚀特性，以便抵拒风吹、日晒、雨淋。而钦合金正 好满足上述要求，所以成为航空、航天和导弹的首选材料。 但是钛合金很难
12、加工，用一般塑性变形方法制造飞机上复杂形状的 部件，十分困难。在困难面前工程技术人员执著寻找新的途径，希望既 利用具有巨大优越性的钦合金材料，又有方便的加工方法。,近年来，已在实验中找到了解决的办法，就是走超塑性的路。已经 研制成功超塑性钦合金，一种称为钛-铝-钒的合金，最大延伸率可达 2000%。而过去一般塑性加工最大延伸率只有30%。 超塑性钦合金在680一790温度范围内加热，成形压力为140一 2.10兆帕，加工时间只要8分钟，可以看出，加工压力低，成形时间短是 其特点。,这项技术与普通加工技术相比，有许多好处：使飞机部件的重量减轻了约30%，对航空和航天器来说这是十分重要的，可以大幅
13、度减小启动的动力；其次是航空航天器的制造成本可以降低一半；其三，简化工序，一次成形，甚至像吹玻璃器皿一样，吹塑成形：如人造卫星上的球形燃料箱，用钦合金制造，用普通方法无法成形，采用超塑性钦合金材料，可以通过吹塑一次成形，既快速又保证质量；其四，产品质量十分优秀：例如航空航天器上某些部件要压接在一起，一般方法需要高温高压情况下压接，制造很困难。采用超塑性压接，只要很小的压力，而且可以压接得很好，甚至用X射线也发现不了压接的焊缝，真是十分高超的技术。所以，超塑性钦合金在航空、航天工业上的应用，是十分重要的事情，是一次重大技术革新，将产生巨大的效益。,超塑性成型（super plastic form
14、ing）,（1）超塑性加工有很大的实用价值。只要 很小的压力，就能获得形状非常复杂的零件。 试想一下，金属变成了饴糖状，从而而具有 了可吹塑、可挤压的柔软性格，因此过去只 能用于玻漓和塑料的真空成形、吹塑成形等 工艺被沿用过来，用以对付难变形的金属。 而这时所需的力很小，只相当于正常压力加 工时的几分之一到几十分之一。这就给金属 的压力加工技术带来了一场革命性的变革： 设备的尺寸大为缩小、重量大为减经、加工 过程中的能耗、工耗大为降低，零件加工中 的切屑和废料减少了，也不污染环境。材料 的利用率大为提高。,Zn22Al合金平板加工制品，“金属气球”，意为可以象气球那样变形到任意程度，对于深冲压
15、、内缘翻边等工艺十分有意义。,由于超塑性变形时没有弹性变形，成型后不出现回弹，表面粗糙度好，尺寸精度高，所以可利用标准尺寸的零件，超塑性挤压出模具型腔的方法制造塑料模、冲模、熔模压型、压铸模、锻模等。使模具制造工艺大大简化。 超塑性合金流动填充性好，形状复杂的零件可一次精密成型，不留或仅留微量的加工余量，既简化了复杂零件的制造工艺。,（2）使用超塑性加工零件的另一优点是可以一次成形，省掉了机械加工、 铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄 板时，只需要具备一种阴模或阳模即可、节省一半模具费用。超塑性加 工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻压的几秒增至几分钟。,如美国利用
16、普通锻造法制造飞机隔架，需要锻出158.8千克的毛坯后，再经过机械加工，才能制成最后的构件。若利用超塑性合金，只需要22.7千克材料即可制成。可以看到每件可以节省136千克材料。若要生产500架飞机，则只这一个部件就可以节约大约150万美元。又如在制造B一1喷气式飞机的舱门、尾舱、骨架时，原工艺需要100个零部件，经过各种方法连接组装而成;若用超塑性钦合金，可以一次整体成形，既简易，又使尾架仓的重量减轻1/3，成本降低55%。,Loading: The blank is loaded in the form die. The hot press heats the die and the bl
17、ank to the material super-plastic temperature.,Forming: Once the temperature is reached, it is accurately controlled, while the gas pressure slowly inflate the blank.,Forming: The gas keeps inflating the part to fit the die. The material at the super-plastic temperature can allow up to 500% elongati
18、on,Release: At the end of the forming cycle, the part perfectly conforms with the die, even in its smallest details.,无模拉伸，利用感应线圈加热棒材的局部，使达到超塑性状态，并 通过拉拔速度和线圈移动速度的调整来获得各种减面率。 超塑性合金在加工中，表面保持平滑，很适合于制造极薄板和极薄 管。又由于变形抗力低，适合制造各种模具，尤其是塑料模具（要求表 面光洁和尺寸精确）,管材无模拉伸工艺原理,超塑性合金的其他应用： 固相粘结能力的利用，超细晶粒（1um）远小于普通粗糙度金属表 面
19、的微小凸起（10um），所以，当它和另一金属压合时，超塑性合金的 晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空隙，使两种材料的粘结力达到提高。 可以轧合多层材料，包覆材料和各种复合材料。轧合多层材料可以制备 多种优良性能，如结构强度刚度、减振能力、共振点移动、韧脆转折温 度、耐腐蚀性机耐热性。在粉末冶金和陶瓷材料中加入超塑性合金粉末 可以提高材料的密度和塑性。,减振能力应用，合金在超塑性温度下使振动迅速衰减。可以将其直 接制成零件以满足在不同温度下的减振需要。室温下可以选用：锡铅 或锌铝合金。,其它使用，利用动态超塑性可以使铸铁等难加工材料弯曲120，将铁素体晶粒由50um细化到10um，铸铁焊接后在超塑性温度保温，减少应力防治开裂。,