超塑性成形概述

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第574页（2731字）

9．1．1．1 什么叫超塑性?

所谓超塑性，指金属在单向拉伸中能显示很高的延伸率而不断裂．“很高”的含义是：延伸率可达百分之几百到百分之几千的塑性指标．一般金属的拉伸延伸率最多不过100%，如黑色金属最高不过30%～40%，有色金属不超过60%～70%．

9．1．1．2 超塑性产生的条件

(1)内部组织条件 内部组织指超塑合金的晶粒应是微细化的，粒度尺寸约在10μm(也有认为是5μm)以内，形状应为等轴．

(2)外部变形条件金属材料必须在大于其熔化温度(T_m)一半以上的变形温度(T_s)范围和在一定的应变速率(ε)范围内的变形速度．即

变形温度条件：Ts≥0．5T_m

变形速度条件：ε=10^－4～10^－2s^－1

当满足上述条件(1)和(2)时，可获得超塑性．如Sn-Bi共晶合金通过拉伸实验获得195%之延伸率．

9．1．1．3 超塑性种类

金属超塑性基本分为两类：相变超塑性与组织超塑性．组织超塑性又称为微细晶粒超塑性、恒温超塑性、静态超塑性，目前易得到．

9．1．1．4 组织超塑性机理

到目前为止，虽然已经提出多个超塑性变形机理模型，而且这些模型也都能说明一些问题，但同时也都存在一定缺陷，所以，对超塑性变形机理，至今仍没有一个统一的认识．比较公认的看法是：晶界滑动是超塑性的主要变形机制；其次还可能有扩散蠕变和晶内位错滑移两种变形机理．因此，金属超塑性变形应是一种复合变形机制作用的结果，这与常规合金材料的塑性变形机理完全不同．

9．1．1．5 超塑合金种类

超塑合金包括锌铝合金、钛合金、铝合金、铜合金及钢等．其中大部分是作为结构材料用，少部分作为模具型腔．

9．1．1．6 组织超塑性的力学特征

超塑性合金在拉伸中有很高的流动稳定性，基本上没有加工硬化现象．拉伸试样经过长时间的均匀变形，其截面不断变校最终拉成细颈面断裂．

在给定的应变下，任何合金的流动应力都是加工硬化指数n和外力应变速度ε的函数，即

a=kε^mεⁿ (9-1)

在超塑性拉伸变形中，一般不出现加工硬化，即n=0．故式(9-1)应成为

σ=kε^m (9-2)

式中：k——材料系数，与变形温度、显微组织和结构缺陷有关；

m——流动应力的应变速率敏感性指数．

式(9-2)是表征合金超塑性的流动应力与应变速率之间关

系的基本方程式．对式(9-2)取对数，有

lga=lgk+mlgε (9-3)

微分后得

m值是超塑性变形的重要参数，它表征合金变形时能抑制颈缩扩展的能力大校故称m为流动应力对应变速率的敏感性指数．

9．1．1．6 超塑性成形技术特点

(1)所需设备能量低，模具寿命长，工序少，成本低，质量好，材料利用率高；

(2)成形后零件基本保证强度设计指标要求，成形零件的组织中无各向异性，不存在弹性残余应力，从而使零件尺寸稳定、不变形．

目前，这项技术特别适用于单件及小批量生产．在生产中获得应用的超塑合金有锌合金、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及少数的碳钢和合金钢．

9．1．1．7 超塑成形技术分类

超塑成形技术可分为超塑性挤压(含等温模锻)成形、超塑气压(或气胀)成形及扩散焊接．

超塑性挤压可成形零件和模具型腔，超塑性气压可以成形壳体、球体(空心)等零件．扩散连接是在合金的超塑性温度下通过原子的扩散来完成同种合金或异种合金的两块或两块以上板材(或棒材)的连接．

9．1．1．8 超塑成形技术应用

超塑成形技术主要应用在下述几个方面．

(1)航空、航天领域 超塑成形镁合金翼板和舵板；超塑成形带有密排轴向叶片(叶片间距1．8mm)的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体高压球罐．

(2)制造模具领域 用铝合金、铜合金和模具钢的超塑成形塑料模具及冲模、锻模、压铸模等．超塑成形制模具的意义在于：克服了一般方法制型腔复杂模具成本高、周期长的缺点．

(3)仪器仪表电子工业领域 利用铝合金、铜合金和锌铝合金超塑成形200多种形状复杂零件，如铝合金抛物面天线等．

(4)工艺美术领域 利用超塑气胀成形技术完成各种形态复杂的带有浮雕的金属工艺品．

(5)复杂结构件成形 应用超塑成形与扩散连接综合工艺完成各种复杂结构件的成形．