超塑性锻造

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第596页（2777字）

8．1．4．1 超塑性锻造原理及特点

1．超塑性锻造原理

超塑性一般是指金属在一定温度范围内及一定组织条件下，以很低的应变速率进行变形时，所呈现的变形抗力小、应变特大的特性．作为超塑性的指标有：伸长率δ、抗拉强度σb和应变速率敏感系数m．通常把δ>200%、m>0．3作为超塑性标志，也有把δ>100%、m=0．4～0．8作为超塑性标志的．从热加工的观点看，超塑性是在一定的内部因素和外部条件的配合下，某些金属材料表现出的非同寻常的塑性．

超塑性锻造就是利用某些金属或合金在一定条件下所具有的超塑性来获得形状复杂和尺寸较精确的锻件的一种少无切削加工和精密成形的新工艺．

2．超塑性锻造的特点超塑性锻造的特点是：

(1)金属变形抗力校超塑性变形进入稳定阶段后，几乎不存在变形强化，金属材料的流动应力非常校因此可用小吨位的设备成形大锻件．由于变形抗力校模具磨损校延长了模具的寿命．

(2)应变速率比较低，锻件精度高超塑性拉伸时，随着应变速率的增加，流动应力急剧上升，即流动应力对应变速率的变化非常敏感．因此超塑性锻造变形速度缓慢，变形温度稳定，锻件基本上没有残余应力，因而尺寸精度高，不产生翘曲．

(3)可以一次成形形状复杂的锻件．在超塑性状态下，金属的流动性极好，可以一次成形形状复杂的锻件，特别适合于形状复杂的不对称零件及薄壁高肋锻件的一次成形．

(4)超塑性锻件的组织性能好．超塑性锻造的变形程度大，变形温度低，因此锻件始终保持均匀、细小的晶粒，零件的强度、塑性指标很好．另外超塑性锻件为等轴晶粒组织，各向同性，所以具有较高的抗应力腐蚀性能．

8．1．4．2 超塑性材料

常用的一些超塑性结构合金和高温合金分别见表8-13和表8-14．

表8-13 常用的一些超塑性结构合金

表8-14 超塑性高温合金

8．1．4．3 超塑性模锻的种类

1．微细晶超塑性模锻

超塑性变形不仅有滑移、孪晶等一般的塑性变形，而且还有晶界作用．数量较多而短的晶粒边界有利于超塑性变形的进行．

微细晶超塑性模锻的三个基本条件是：

(1)毛坯须经热处理，使晶粒超细化、等轴化．超细晶的尺寸为0．5～5μm，一般不超过10μm．

(2)变形温度应为(0．5～0．7)T_m，其中T_m为材料的绝对熔化温度．

(3)应变速率低，一般在(10^－4～10^－2)l／s之间．

2．相变超塑性模锻

具有相变的金属及合金可以通过相变实现超塑性．在一定温度范围内和一定载荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变，可获得超塑性．利用材料的这种特性进行的超塑性模锻称为相变超塑性模锻．

相变超塑性的必要条件是：

(1)合金或金属具有固态结构转变能力．

(2)应力作用和在转变温度区间循环加热和冷却，从而诱发其产生反复的结构变化，使原子发生剧烈运动而出现超塑性．

在相变超塑性模锻时，要控制好工艺参数，使合金的再结晶和相变同时发生，在再结晶的原始相的晶界上形成新相，阻碍晶粒长大．

8．1．4．4 超塑性变形的力学特征

1．超塑性的力学方程式

超塑性的力学方程式为：

式中 σ——流动应力，MPa；

k——材料系数；

ε——应变速率；

m——应变速率敏感性指数．

2．应变速率敏感性指数m

m值的物理意义是阻碍缩颈的发展，维持变形过程的均匀性在出现缩颈部位的应变速率增大时，流动应力也增大，从而制约缩颈的发展．

测定m值的方法很多，在此简单介绍白柯芬(Backoften)速度突变法，如图8-12所示．试样拉伸时，夹头以速度υ1拉伸达到D点稳定后，速度突然增加到v₂(通常增加2～3倍)，相应的载荷也由P_B升至P_A．假定在所试验的应变速率范围内m值随ε的变化很慢，则

式中，P_A是拉伸速度为v₂时的载荷，P_B则是在同样应变时v₁速度下的载荷．

图8-12 拉伸速度突变时载荷与时间的示意图

8．1．4．5 常见材料的超塑性处理工艺

常见材料的超塑性处理工艺见表8-15．

表8-15 常用材料的超塑性处理工艺