第6章超塑性及超塑变形机理

第6章超塑性及超塑变形机理6.1超塑性的概念6．1．1超塑性及其宏观变形特征关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。当伸长率100％时，即可称为超塑性。实际上，有的超塑材料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。也有人用应变速率敏感性指数m值来定义超塑性，当材料的m值大于0．3时，材料即具有超塑性。超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力。在上述内在条件满足一定要求的情况下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。1)大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。2)小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。3)无缩颈一般具有一定塑性变形能力的材料在拉伸变形过程中，当出现早期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续发展，导致提前断裂。超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度敏感，有所谓“应变速率硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。因此，超塑材料变形时虽然也会有缩颈形成，但由于缩颈部位变形速度增加而发生强化，从而使变形在其余未强化部分继续进行，这样能获得巨大的宏观均匀变形而不发生断裂。超塑性的缩颈是指宏观的变形结果，最终断裂时断口部位的截面尺寸与均匀变形部位相差很小。例如Zn·22％Al合金超塑拉伸试验时最终断口部位可细如发丝；即断面收缩率几乎达到100%。4)易成形超塑材料在变形过程中呈现极好的稳定流动性，变形抗力很小且没有明显的加工硬化现象，压力加工时的流动性和填充性很好，可进行诸如体积成形，气胀成形，无模拉拔等多种形式的塑性成形加工。6．1．2超塑性分类按照实现超塑性的条件和变形特点的不同，目前一般将超塑性分为以下几类。1）组织超塑性组织超塑性又称为恒温超塑性或微细晶粒超塑性或结构超塑性，它是目前国内外研究最多的一种。组织超塑性要求材料具有均匀的、细小的等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10m，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓稳定性好；其次要求变形韫度T0.5Tm，(Tm为材料熔点温度，以热力学温度表示)，并且在变形时温度保持恒定；应变速率s/10~1014.，要比材料常规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、共析型合金大多具有超塑性，许多两相合金及准单相合金中相当一部分也可呈现超塑性。一般说来、晶粒越细小越有利于超塑性变形，但有些材料如钛合金及某些金属间化合物，其晶粒尺寸达几十微米时仍具有超塑性。组织超塑性除了对材料的组织有一定要求外，它对应变速率和变形温度也很敏感，只是在一定的变形速度和变形温度范周内才能表现出最好的超塑性。根据金属超塑性变形的基本关系表达式mK.则m值可根据实验和式(1-1)、m、的关系曲线在对数坐标上呈现“S”形，S曲线的斜率即为m值。在图1.1中、可将S摘线分为三个区(即图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)，Ⅰ区相当于蠕变类型低应变速率区，它是在极慢速度下变形的。随着值的增加而缓慢上升，近似于蠕变曲线。Ⅲ区相当于一般塑性加工的高应变速率区，值的变化近似于一般拉伸曲线。在I、Ⅲ区，m值均很低。超塑性范围是在Ⅱ区，m值在该区的变化最大，并随着的增大而急剧增高，达最大值后又迅速下降，因而出现了峰值(S曲线Ⅱ区上斜率最大处)。在超塑性变形中应变速率敏感性指数m值表示材料抵抗缩颈发展的能力，m值越大，抗缩颈发展的能力越好，则伸长率越大。2)相变超塑性相变超塑性又称变温超塑性或动态超塑性。这类超塑性不要求材料有超细晶粒，但要求材料应具有固态相变，这样在外载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发材料产生反复的组织结构变化而获得大的伸长率。例如碳素钢和低合金钢，在一定载荷作用下，同时于Al温度上下施以反复的加热和冷却，每循环一次，则发生了的两次转变，可以得到二次跳跃式的均匀延伸，这样多次的循环即可得到累积的大伸长率。又如共析钢在538—815℃之间，经过21次热循环，可得到490％的伸长率。相变超塑性的影响因素有：材质M，作用应力，最高和最低加热温度(即热循环幅度)、热循环速度(即加热-冷却的速度)以及循环次数等，由于相变超塑性是在相变温度上下进行反复的升温与降温而产生的，因此，是影响相变超塑性的最重要因素。相变超塑性不要求微细等轴晶粒，但是要求变形温度频繁变化，给实际应用带来困难，故实际应用受到限制。3）其他超塑性某些不具有固态相变但晶体结构各向异性明显的材料，经过反复加热、冷却循环也能获得大的伸长率。而某些材料在特定条件下快速变形时，也能显示超塑性。例如标距25mm的热轧低碳钢棒快速加热到两相区，保温5—10s并快速拉伸，其伸长率可达到100％-300％。这种在短暂时间内产生的超塑性称为短暂超塑性或临时超塑性。短暂超塑性是在再结晶及组织转变时的极不稳定的显微组织状态下生成等轴超细晶粒，并在晶粒长大之前的短暂时间快速施加外力才能显示出超塑性。从本质上来说，短暂性超塑性是微细晶粒超的一种，控制微细的等轴晶粒出现的时机是实现短暂性超塑性的关键。某些材料在相变过程中伴随着相变可以产生较大的塑性，这种现象称为相变诱发超塑性。如Fe-28．7％Ni-O．26％C合金在—11℃进行拉伸，使准稳定奥氏体向马氏体转变，伸长率高达110％。利用相变诱发超塑性，可使材料在成形期间具有足够高的塑性，成形后又具有高的强度和硬度，因此，相变诱发超塑性对高强度材料具有重要的意义。高应变速率超塑性指的是材料在高的应变速率条件下变形时呈现出的超塑性现象。高应变速率超塑性与金属在高应变速率条件下变形时产生的动态再结晶有关，高应变速率超塑性对金属在高速率加工成形具有重要意义。电致超塑性(electro-plasticeffect)是材料在电场或电流作用下所表现出的超塑性现象。当高密度电流通过正在塑性变形的金属时，因电流而产生的大量定向漂移电子会对金属中的位错施加一个额外的力，帮助位错越过它前进中的障碍，从而降低变形抗方，提高变形肋厂使金属产生超塑性。例如7475铝合金在沿拉伸方向施加电流，在480℃时获得710％的拉伸伸长率，比常规超塑性变形温度降低50℃，其M值也比无电流作用时明显提高。研究表明，电致超塑性的根本原因是电流或电场对物质迁移的影响，包括空位、位错、间隙原子等。6．2实现超塑性的条件6．2．1概述超塑性是相对常规塑性而言的，是在一定条件下常规塑性得以明显改善而产生异常高的塑性的现象。原则上所有材料在一定条件下都具有超塑性，只是有些材料的超塑性条件不易实现，超塑性指标较低而没有工业应用价值，有些材料则相反，这些材料通常被称为超塑性材料。超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒尺寸、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶转变等)能力，外在条件包括变形温度、加热方式(恒温或温度循环)及应变速率等。材料的超塑性通常指的是微细晶粒超塑性(恒温超塑性或组织超塑性)，它要求材料具有微细而稳定的等轴晶粒组织，即所谓晶粒的微细化、等轴化及稳定化。超塑性变形温度通常在0．5Tm~TmK的范围内，应变速率一般为10-5~10-1／s实现组织超塑性的组织条件，概括起来有以下几个方面1)组织超细化晶粒尺寸应小于10m，一般为0.5~5m。但也有例外，如钛合金(=500m)、金属间化合物Fe3A1(=100m)等。这些合金粗大晶粒时也会出现超塑性。2)晶粒等轴化等轴晶粒有利于晶界在切应力作用下产生晶界滑动。在变形过程中被拉长的晶粒只有通过再结晶变为等轴晶粒时，才能在变形中发生大量的晶界滑动。3)晶粒稳定性在超塑合金中应有第二相存在，因为第二相能在合金的变形过程中有效地控制基体晶粒的长大。准单相合金因为在晶界存在有极少量的第二相粒子或夹杂物、杂质等，对晶界有钉扎作用，因而较单相合金有更好的晶粒稳定性。4)对组织中第二相的要求超塑合金中的第二相强度和硬度应与基体相处于相同的量级上。如果第二相强度和硬度高于基体相，那么在变形应力的作用下在两相界面上易产生孔洞，导致过早断裂。两相强度差越大，超塑性效应越差。若第二相强度和硬度高于基体相时，应使第二相在基体中以更微细化的尺寸呈弥散状的均匀分布；虽然这种粒子也会在基体相的界面土产生显微孔洞，但在连续的变形中，这种孔洞会被粒子周围的各种回复机制所抑制，不致于酿成较大孔洞。5)对基体晶粒晶界的要求超塑合金的基体相晶界应具有大角晶界性质。因为大角晶界在切应力作用下很容易发生晶界滑动，而小角晶界不易发生滑动。晶界还应具有易迁移质，当晶界滑动在三角晶界或晶界上的各种障碍处产生应力集中时，晶界迁移能使应力集中松弛。晶界迁移在超塑变形过程中始终存在，它能维持晶粒在变形中的等轴性。6)对应变速率敏感性的要求超塑合金必须具有高的应变速率敏感性，应变速率敏感性指数(m)在0．3-0．9范围。m值较高是微细晶粒组织所固有的特性，所以m值能间接反映对组织的要求。6．2，2组织超细化处理组织超细化处理是实现工业用材超塑性的预处理，基本方法有以下四种，这些方法可以单独或相互结合使用。(1)相变细化晶粒法此工艺最早是由R．A．Grange提出的。它是通过循环的升温、降温过程，使材料反复发生固态相变而得到微细化晶粒。在每次相变过程中，每个母相晶粒晶界上都会产生多个新相的晶核，从而使晶粒不断得到细化，细化程度可以达到亚微米的晶粒尺寸，但当晶粒达到亚微米尺寸时，再增加循环的次数，细化效果就不明显了。这种细化工艺是钢超塑预处理常用的方法。如图2．1是工业用CrWMn钢超细化处理的工艺，该工艺利用盐浴炉快速加热循环淬火，可使晶粒尺寸细化到2m以下。表2-1为淬火加热温度、循环淬火次数对该钢奥氏体晶粒尺寸的影响。用同样的方法也可以实现热模具钢3Cr2W8V的组织超细化，结果见表2-2。利用循环相变实现晶粒超细化的方法工艺简便，原则上适用于一切具有同素异构转变的材料，很容易在生产中推广。不同材料的最佳的循环相变温度和循环次数可通过试验确定。(2)双相合金形变细化晶粒法对许多双相合金如Pb-Sn共晶合金、A1-Cu共晶合金、Zn-A1共晶合金，/双相黄铜、AI-Ni合金等，可以在超塑性变形温度范围内进行较大变形量的变形，如轧制或挤压，然后再进行退火处理使晶粒再结晶细化，或在热变形过程中利用动态再结晶细化晶粒。此方法的关键是变形量较大的不均匀形变会使形变组织发生再结晶，并经过充分扩散而变为微细的等轴晶粒。如果变形量不足，则再结晶也不可能形成超塑性要求的微细等轴晶粒组织。硬铝合金也可采用大变形量热变形细化晶粒，如对供货状态（退火态）2A12(LYl2)合金可不经过任何热处理直接在450℃挤压，挤压后在480-485℃，应变速率为8．9×10-4／s条件下，超塑性伸长率达600％以上，m值为0.35-0.42研究表明，在大变形量热挤压过程中产生了动态再结晶，使组织得到超细化。形变细化晶粒采用冷变形时要达到足够的变形量，而且要进行交叉轧制；以防止形变织构的生成和第二相分布的方向性。轧后的合金要在0.5-0.8Tm的温度下进行再结晶退火。如A1-Cu