超塑性材料

现代材料学（报告）

学生姓名：孙志伟

学号：S15030390

专业班级：动力工程及工程热物理化研15-2

前言

材料是工程科学的重要基础，一切科学研究都以材料为载体。现如今材料学已经成为热门学科。材料学也是一门复杂的课程，其覆盖面很广。现代材料学以传统材料学为基础，重点介绍了代表材料科学研究和应用前沿的各种新材料，阐述了材料科学的基本概念、研究方法以及各种新材料的发展和应用等。

通过课堂老师的讲解，我对现代材料也有了深入的认识。感谢老师在课堂上的精心讲解。

材料的超塑性是我的研究方向，因此本文主要讲述了材料的超塑性及其应用。

目录

一、超塑性的发展 ........................................................................................................................... 1

二、超塑性分类 ............................................................................................................................... 2

三、超塑性变形的组织结构变化 ................................................................................................... 2

四、超塑性变形机理 ....................................................................................................................... 3

五、超塑成形优缺点 ....................................................................................................................... 6

六、超塑性在塑性加工工程中的应用 ........................................................................................... 7

七、铝合金超塑性应用概述 ........................................................................................................... 8

一、超塑性的发展

超塑性是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。通常，当延伸率 δ>100%或应变速率敏感性指数 m>0.3 时，即认为材料具有超塑性。

上个世纪20、30年代，人们在对金属变形的研究中，发现某些金属在一定的条件下具有大大超过一般塑性的特异性能,引起人们广泛的兴趣和重视。最早发现金属超塑性的是德国W.Rosenhain等人在研究Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度仍未出现裂纹。将其进行拉伸，也发现材料的塑性与加载速度密切相关的类似现象。此后在1924年，Sauveur发现在接近相变温度区域内的扭曲量特别大。在1934年英国人C.E.Pearson进行慢速拉伸，试棒的长度几乎可达到原始长度的20倍，引起人们的强烈反响，但可能由于第二次世界大战原因被搁置下来，这个时期也是超塑性发展的萌芽时期。

直到1945年，前苏联的A.A.Bochvar和Z.A.Ssviderskaia又对该异常现象进行系统研究，并首次提出“超塑性”这一术语。1962年美国的E.E.underwood从冶金学的角度分析实现超塑性的可能性、条件和基本原理，对各国学者在超塑性方面的研究成果做了全面的介绍。1964年美国麻省理工学院W.A.Backofen等人对超塑性进行分析和研究，引入了与变形应力有关的应变速率敏感性指数m，提出了应力ζ与应变速率ε的关系。从1948年到1967年这一阶段是对超塑性机理的研究的兴盛时期。晶界滑移机理、晶内滑移机理、扩散蠕变机理、及再结晶机理等都是这一阶段提出来的。这阶段也是超塑性发展的奠基时期。

从60年代末到70年代初，超塑性研究进入了发展时期，1968年，英国Leyland汽车公司生产了工业用Zn-22%Al共析合金，利用超塑性成形制成了小轿车上盖和汽车车门内板，开创了超塑性应用先例。1970 年美国的T.H.Thomsen等使用Zn-22%Al共析合金管吹制成具有鼓胀凸肚及精细花纹的花瓶，说明超塑性合金适于制造形状复杂的精密零件。由此将超塑性成形技术引入精密零件成形领域。70年代初，美国的C.H.Hamilton等人将超塑成形工艺与扩散连接工艺相结合，制造出了形状复杂的钛合金整体结构件，从而带来了钛合金制造工艺上的技术性革命。这个时期，世界各国都在寻求超塑性金属材料，目前超塑性金属和合金已经发展到200种以上。美国航空与航天工业的几个发展计划表明，超塑性成形与扩散连接工艺相结合，能制造复杂的钛合金零件。这些计划还表明与采用普通钛合金结构相比交，节约成本 50％，减轻重量 30％。在英国，也应用了铝锂合金、钛合金在飞机构件上。日本对超塑性的研究开始较晚是60年代中期开始的，比美国少晚，但发展速度很快，在应用方面做了大量的工作，后来居上，

大有超过西方国家之趋势。我国对超塑性的研究开始较晚，60年代中期才开始有学者收集资料并进行研究分析，在超塑性的研究和应用方面有了较大的进展，基本与国际同步。

目前超塑性材料研究范围更是广泛，已经从金属间化合物、金属复合材料、陶瓷材料等金属材料的范畴到非金属材料。这些新型超塑性材料具有特殊的优越性能和应用价值，这些材料为今后的工业应用提供了一条方便、经济、有效的途径。高应变速率的超塑性，是目前超塑性研究的热点和未来研究的重要方向之一。国外的研究表明，通过机械合金化、非结晶粉墨固化和物理雾化沉淀等方法减少晶粒尺寸，可获得高应变速率条件下的超塑性，这方面的研究日本处于领先水平。

二、超塑性分类

对超塑性的分类，目前，按照材料变形特点和所处状态，可以分为组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性三类。

1) 组织超塑性又称细晶超塑性或恒温超塑性。需要满足三个条件：晶粒度细小、变形温度恒定、应变速率缓慢。一般超塑性多属这一类。晶粒细小指的是材料具有微细等轴晶粒，并且在超塑性变形温度下晶粒不易长大，即所谓的热稳定性好。变形温度恒定 指塑性变形是在恒定温度下产生的，没有相变等组织结构的转变。应变速率缓慢要求超塑性变形时，应变速率要缓慢因为原子扩散蠕变成形需要足够的时间。一般ε=10-4—10-3S-1，与普通金属拉伸实验时应变速率相比至少低一个数量级。

2) 相变超塑性 即变温超塑性或动态超塑性，要求材料在变动频繁的温度环境下受应力作用时，经多次循环相变或同素异形转变而得到的很大变形。同样也需要满足三个条件：a.金属及合金具有固态结构转变能力；b.应力作用；c.相变温度上下循环加热和冷却，诱发它产生反复的结构变化，使金属原子发生剧烈运动而出现超塑性。相变超塑性在温控技术方面比组织超塑性要困难的多。

3) 其它超塑性包括短暂超塑性和相变诱发超塑性等。a.短暂超塑性又称临时超塑性，指金属材料在一定的条件下出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织并显示出的超塑性，在此短暂的时间内进行快速的施加外力，才能显示出来，就是短暂超塑性变形，可以在热加工期间产生，也可以在冷变形后的再结晶退火过程中产生。b.相变诱发超塑性指在相转变温度点以上的一定温度区间加工变形，在转变的过程中可以得到异常高的延伸率的现象。

三、超塑性变形的组织结构变化

超塑性材料变形时产生组织结构变化，研究超塑性材料变形时的组织结构变化，可以预估超塑性变形后材料力学性能可能产生的变化，这为进一步阐明变形

规律以及各种因素的影响提供依据。不但为变形机理的研究提供实验数据，并且为制备超塑合金和合金的超塑成形提供依据。在超塑性变形时，材料内部产生了下面一些变化：

（1）晶粒的粗化与等轴化 在超塑变形时，晶粒会随着变形程度的增加而不断长大，在不大的变形量下会发生等轴化。在密排六方晶格的超塑性材料发生超塑变形时，发生晶粒长大的同时，还顺着拉伸方向拉长，存在着晶内滑移现象。

（2） 晶粒相互位置的变化 超塑变形时，晶粒不仅沿晶界产生滑动，而且晶粒也产生了转动。人们还发现，超塑性变形时晶粒还发生换位，其中包括挟开（两个原来相邻的晶粒被两旁的另外两个晶粒挟开，）和转出（从下层转出一个晶粒挤在原来的几个相邻晶粒之间）。

（3） 位错密度的变化 金属晶体内部可动位错密度比未变形时高出许多。但是在最佳应变速率拉伸时，一般不产生由位错所构成的亚晶界。

（4） 动态再结晶 动态再结晶是合金超塑性变形中比较普遍存在的组织效应。具有原始纤维组织的合金在拉伸变形中容易通过再结晶使显微组织变为等轴细晶组织。

（5）孔洞 超塑变形过程中一般都会产生孔洞，孔洞通常产生于晶界和相界处，并且随变形的进行而发展。

四、超塑性变形机理

材料的超塑性变形之所以会出现与常规超塑性有明显不同的变形特征，是因为其变形机理与常规塑性变形不同所致。在变形机制上看，一般金属变形主要发生在晶粒的内部，如滑移和孪晶等，其原子的相对位移量不易超过两个原子的间距，因而延伸率不大。对于超塑性变形来说，晶界行为起了主要作用，如晶粒转动、晶界滑移、晶粒换位等，因而延伸率比较大。了解超塑性现象的本质，能够达到控制超塑性的目的。超塑性变形机理指超塑性流变期间材料内部原子或原子群的运动过程和方式。关于超塑性机理的文献很多，有很多理论、模型和假说，但由于所具有的材料不同，实验条件上的差异，往往得出不同的机理。目前尚未建立一种统一的完整的理论。下面介绍一些有代表性的超塑性变形机理。超塑扩散机理、晶界滑动机理、动态再结晶机理。

扩散蠕变理论认为，高温应变下位错密度很小，能动性也差，因而位错运动不可能成为超塑性变形的主要形式，材料内部存在大量的过饱和空位，因而连续变形可以由空位在外加应力场中做定向的运动来实现。而空位运动导致原子向相反方向的扩散迁移。扩散蠕变又分为晶内扩散和晶界扩散两种。

晶内扩散Nabarro-Herring提出的模型，该模型认为，在拉应力场作用下，在横向晶界上形成空位比在侧向晶界上形成空位更有利，因而这两类晶界上产生

的空位浓度不同，这种浓度差会导致横向晶界的空位不断流向纵向晶界，而原子则向相反的方向流动，结果晶粒被拉长，变窄。晶界运动一般分为滑动和移动两种。滑动为晶粒沿晶界滑动，移动为相邻晶粒间相互侵噬而产生的晶界迁移。实际变形是这两者交替进行的。下面主要介绍有扩散蠕变调节的晶界位错运动调节滑动理论。扩散调节理论认为，当进行扩散蠕变时，晶界滑动可以看作是调节过程，反之，晶界滑动时，扩散蠕变起调节作用。超塑性成形的主要形式是晶界滑动，同时晶内、晶界滑动发生或协调进行。晶界扩散Coble型：该模型认为，在晶粒附近形成空位的自由能和空位在该处运动的激活能明显地比晶粒内部低，空位沿晶界的扩散，原子沿相反的的方向运动。

1 扩散蠕变调节的晶界滑动理论。

晶界不是平滑的，存在大大小小的坎，当外力作用时，这些坎分为两种类型：一为压缩型坎简称压坎；一为张开型坎简称张坎，如图1.2,这个模型可帮助直观地了解晶界滑动扩散蠕变控制晶界滑移的一种具体的物理机制。在压坎附近，由于受压，空位浓度大大减少，在张坎附近，空位浓度增加。张坎和压坎附近的这种空位浓度差，就迫使空位从张坎沿着晶界向压坎扩散。与此同时发生的等效过程是原子从压坎沿晶界向张坎扩散流动，以充填或弥合由晶界滑动在张坎造成的空隙，并在压坎上让出空间使晶界滑动得以继续进行。

图1 晶粒在有坎的晶界上滑动的示意图

2.晶内—晶界扩散共同调节的晶界滑动模型

图2 Ashby-Verrall 模型由一组二维的四个六方晶粒组成。在拉伸应力ζ作用下，有初态a过度到中间态b，最后达到终态c。在此过程中上下两晶粒被左右所挟开，改变了相邻的关系，晶粒的取向也发生了变化，但晶粒仍保持其等轴性。c态表示由初态a过渡到中间态 b 时晶内和晶界的扩散过程。

（a）初始态 （b）中间态 （c）扩散 （d）终态

图 2 Ashby-Verrall 晶粒换位机制示意图

3 位错运动调节的晶界滑动机理

位错运动调节晶界滑动的理论认为：超塑变形过程是位错运动和晶界滑动协调变形，促使晶粒发生转动或换位，晶界滑动起主要作用，位错是协调晶界滑动的微观行为。该理论模型很多，其中较著名的是Ball-Hutchison模型和Mukherjee模型。

Ball-Hutchison模型如图3认为：晶粒群沿晶界相对滑动，遇到障碍晶粒时，滑动被阻止，导致位错塞积在相邻晶界处，同时产生应力集中。当应力达到一定程度时，促使塞积在前端的位错沿晶界攀移而消失，则内应力得到松弛，造成晶界滑动再次发生。位错的攀移运动制约着应变速率。

图3 Ball-Hutchison 模型

Mukherjee则认为：晶界滑动不是以晶粒群为单位进行的，而是在单个晶粒之间进行，位错产生在晶界的凸台或隆起区域，如图4所示。此后，他又对模型进行了修改，认为晶界滑动速度不仅受横穿晶粒的位错运动所控制，而且还受制于在晶界上攀移和滑动的位错运动。晶界滑动和位错攀移的共同作用导致晶粒的重新排列。

图4 Mukherjee模型

关于超塑性的变形机理，除上述介绍的一些机理和模型外，还有人提出了“心部－表层”机理、晶粒转出机理、动态再结晶机理、三维晶界自由滑动模型等，但由于超塑性变形的复杂性，到目前为止还没有建立起一种统一的能解释所有超塑性变形行为的理论。而随着对超塑性变形机理的研究日趋深入，逐渐明确了利用晶界滑移、扩散蠕变和晶内位错滑移三种变形机理的综合机理能较好地解释绝大多数合金的超塑性流动行为。近年来，有关超塑性变形理论获得了进一步发展。其中以Miguellagos等人提出的超塑性变形的两相理论以及由K.Higashi等人提出的高温高应变速率超塑性变形的液膜理论较为引人注目。

五、超塑成形优缺点

超塑成形具有以下优点:

（1）材料塑性特别高金属材料在超塑性状态下，可以承受大的变形而不被破坏。对于形状复杂的零件，可以实现一次变形而不需要预成形工序，因此减少工时，缩短生产周期，为难变形材料的塑性加工开辟了良好的途径。

（2） 变形抗力小超塑变形时，进入稳定阶段后，不存在或很少有应变硬化，金属变形抗力小，超塑成形时所需设备吨位也小，甚至只用气压就可成形。一般超塑模锻的设备吨位为常规模锻吨位的 1/5—1/10，大大节省能源。

（3）可以一次精密成形 超塑性成形时，不但金属的变形抗力小，而且流动性和充型性好，在恒温状态下保压，由于有蠕变机理作用，可以充满模具型腔尖角部位，获得零件轮廓清晰，并且可以一次成形复杂零件。可以采用闭式模锻，可不留加工余量，提高生产效率，大大节省材料，降低生产成本。

（4） 模具寿命长 由于超塑性成形时，载荷低、速率慢、不受冲击，故模具的寿命长。

（5） 可用于模具制造等 利用标准尺寸的凸模来挤压出的凹模，不需要机械加工，就可以制造复杂的模具而且可以再次挤压来修理模具，多次使用模具。

当然，超塑性成形目前也存在一些缺点和问题，如生产效率低、超塑成形出现空洞化而影响零件的使用性能等，但随着研究的深入，这些问题就可以逐渐解决或减轻。

目前国内外研究得最多的是结构超塑性，其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10μm(微米)，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T＞0.5Tm(Tm为材料熔点温度，以绝对温度表示)，并且在变形时保持恒定温度，第三个条件是应变速率ε比较低，一般ε＝10-4－10-1/s，要比普通金属拉伸试验时应变速率至少低一个数量级。目前已发现共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在许多的二相合金中相当一部分呈现超塑性。一般说来，晶粒越细越有利于超塑性变形，但对有些材料来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。

六、超塑性在塑性加工工程中的应用

超塑性在塑性加工中工程中已获得较广泛应用。由于材料在超塑性状态下，具有很高的塑性，且不产生加工硬化，所以能成形出复杂的零件，可使原来需要多道工序才能成形的零件一次成形，亦可使原来因为工艺上的需要，分部设计的组合零件改为整体零件。

金属材料在超塑性状态下，所具有的优良的塑性和极低的变形抗力，使其可像塑料一样能进行气胀成形，包括真空成形和吹塑成形，或将两种并用。也可超塑性拉深成形，特别是超塑性差温拉深，比常规拉深的拉深比（毛坯直径与凸模直径之比）要大很多。超塑性体积成形应用也较多，如超塑性用于挤压成形称为超塑性挤压成形，可以成形零件和模具型腔；模锻时采用超塑性称为超塑性模锻。各成形工艺简介如下：

1) 气胀成形这是最早利用超塑性的工艺,目前应用最广。材料在超塑状态下变形抵抗力较低, 塑性极好, 可像玻璃和塑料一样用气吹成型,常用于生产薄壁壳体部件, 其最大的特点是工艺和设备都很简单。如抛物线状的天线、仪表壳体及美术浮雕等适于此方法生产制造。

2) 超塑性拉延由于超塑材料有极高的塑性,因此,可将金属板材一次深拉延成筒形零件。该方法可成型高径比很大的筒形件(d＞10),成型后的薄壁均匀,还可在模腔中再次胀成瓶状部件。

3) 超塑性等温模锻 此方法充分利用了超塑性材料变形抵抗力低、塑性好的特点,在不改变常规模具和设备的条件下,成型载荷大为降低,而且材料的填充性能好,对形状复杂的材料成型有非常好的适应性,该方法被广泛用于冷冲压模具的成型。

4) 超塑成形/扩散焊接(SPF/ DB) 这种方法是充分发挥超塑性材料特点的

一种组合技术。材料本身在超塑状态下能高速扩散,超塑成形的同时,也将多个部件扩散焊接成一个整体,使得结构的重量减轻、强度提高、导热性也增强了,所以被认为是航天、航空工业中最有潜力的新型技术。

七、铝合金超塑性应用概述

铝及其合金具有比重小，导热导电性能好，耐腐蚀等优点，是广泛应用的材料。在已发现的超塑性合金中，铝合金占了1/3以上。铝合金的超塑性研究在超塑性研究领域中占有及其重要的地位。

1960年，美国的David发现Al-33%Cu共晶合金在500℃时可得到200%的延伸率，这是最早实现超塑性的铝合金。其后其他的一些共晶合金，如Al-Si，Al-Cu-Mg等合金在一定的条件下也获得了超塑性。70年代日本的松木和英国的Stowell等开发出了主要的Al-Cu系铝合金，促进了超塑性铝合金的发展。

近十几年来，铝合金的超塑性研究有了新的进展。一些新型的铝合金通过添加稀土元素或者Sc、Zr、Ti等元素，大大提高了合金的超塑性。如Al-Mg-Li-Zr、Al-Zn-Mg-Zr等合金不但能在一定条件下呈现较高的超塑性，而且具有良好的综合力学性能。Al-Zn-Mg合金是铝基超塑性合金的工业常规材料，在航空工业中应用较多，在合金中添加稀土元素或者过度元素Zr，细化了晶粒，提高了合金的超塑性，最大延伸率可达1014%。Al-Mg-Li-Zr合金是一种中强度轻合金，具有较好的抗腐蚀性能和优良的焊接性能，按照常规的形变热处理细化晶粒的方法，可以获得950%的延伸率，m值达到0.78。

研究铝合金超塑性的目的在于利用材料的超塑性成形零件或构件，特别是形状复杂的零部件，如曲面、浮凸等。

由于材料在出现超塑性现象时，塑性极好，变形能力很强，因此可以制造出形状复杂的零件；材料在超塑性状态下变形抗力低，因此可以采用低廉或轻型的成形设备；超塑性合金的显微组织很细，晶粒均匀，因此获得的产品力学性能较好，这些优点使得超塑成形在工业上倍受青睐。虽然在过去的三十年对很多合金系统进行了超塑性的研究，但仅有少量的合金在商业上得到广泛应用。2004、7475和5083等铝合金是目前最主要的应用铝合金，其中 2004和7475主要应用于航空工业，5083主要用于交通领域、建筑（如镶板等）等。

例如：5083铝合金具有较高的强度，良好的塑性、抗腐蚀性及加工性等优点，是广泛应用于超塑成形的铝合金之一，已成为轨道交通工业超塑成形的热门材料。近年来，国内外研究学者对AA5083的超塑性展开了大量的研究，主要集中在如何提高材料的超塑性方面。对5083铝合金的超塑性研究发现，细晶是获得优异超塑性的必需条件。热机处理（TMP）和等通道转角挤压（ECAP）是获得细晶结构的典型途径。AA5083的超塑性不仅依赖于合金的晶粒尺寸，而且与晶

粒的稳定性密切相关。通过添加Cr，Mn，Zr和Sc等元素可起到稳定晶粒尺寸的作用。R. Kaibyshev等对添加0.2% Zr和1.6%Mn改良后的AA5083研究发现，该合金在超塑成形时晶粒的稳定性有明显提高，并且的最大延伸率达到了1150%。随着超细晶材料制备技术的发展，AA5083低温高应变速率超塑性的研究也取得了一定的进展。Kyung-Tae Park等通过等通道转角挤压（ECAP）技术制备了晶粒尺寸为0.3μm的超细晶5083铝合金，并添加微量的Sc元素改良该合金，使该合金实现了高应变速率超塑性，并指出高应变速率超塑性现象是动态再结晶和晶粒大小在成形中得到良好保持共同作用的结果。

总之，超塑性铝合金是具有广泛用途的新型材料。随着高应变速率超塑性变形研究以及塑性加工技术的不断深入，将给超塑铝合金的发展带来巨大的推动力，给社会生产带来更大的经济效益。