基于超塑性变形的工程金属材料应用研究
【摘 要】 本文对工程用金属材料中超塑性变形的含义、类型、超塑性变形的特点以及应用进行了深入思考，补充了前沿研究成果，有助于超塑性金属的广泛应用
【关键词】 金属学；超塑性；变形特点；应用
近年来，随着材料科学和工业技术的发展，超塑性的研究也取得了新的进展。工程用金属材料室温下的伸长率6,黑色金属一般不超过40%,有色金属一般不超过60%,即便在高温状态下也难达到100%。然而在一些特定条件下,如一定的化学成分、特定的显微组织(≤10um细等轴品粒,变形中保持稳定不显 著长大)、特定的变形温度(0.5~0.7Tm)和应变速率(0.01~0.001mm/(mis)等,材料会表现出异乎寻常的高塑性状态,即所谓超常的塑性变形行为,具有均匀变形能力,其伸长率可达百分之几百(6﹥200%)、甚至百分之几千,这就是超塑性。下面分别予以简介超塑性变形特点和类型以及应用。
一 、超塑性变形的特点
与一般的变形情况相比,超塑性变形表现为以下几个特点:
（一）大伸长率
单向拉伸时伸长率(6值)非常高,可高达百分之几千,变形稳定性好,材料成形性能得到大大改善,使形状复杂或难以成形的材料变得容易成形。
（二）宏观均匀变形、无缩颈
一般材料变形能力差的原因是宏观均匀变形能力差,容易颈缩导致早期断裂。而超塑性材料的宏观 均匀变形能力极好,拉伸过程中能够抑制颈缩的发生。因此,超塑性变形时断面均匀缩小,断面收缩率可接近100%,几乎无缩颈发生。
（三）低流动应力、易成形
超塑性变形具有非常低的流动应力,仅几个或几十个MPa(例如,Zn-22Al合金只有2MPa,轴承钢GCr15只有30MPa),对成形设备吨位要求很低。超塑性变形过程中基本没有或只发生很小的应变硬化现象,流动性和充填性极好,因而极易成形,能加工出复杂精确的零件。又由于超塑性成形是宏观均匀变形、所以变形后的制品表面光滑,没有起皱、微裂、滑移痕迹等现象。
（四）对应变速率的敏感性
超塑性变形对应变速率很敏感,只在一定速度范围内才表现出超塑性。超塑性变形的重要力学特征是流动应力对变形速率极其敏感。用贝克芬(W. ABackofen,美国学者,1964年提出)公式表征：
g=Kεm(10-1)
其中,为流动应力(真实应力),K为决定于试验条件的材料常数,ε为应变速率,m为应变速率敏感指数,m值大,流动应力会随应变速率增大而急速增大。m是表征超塑性的重要指标。m=1时,上式成为牛顿黏性流动定律公式,K就是黏
系数。普通金属m=0.02~0.2,超塑性金属7m=0.3~1.0。m值越大,伸长率越大。
（五）组织维持等轴细晶无变化、晶界变形作用大
在金相组织 上,当原始材料是等轴细晶组织时,变形后几乎仍是等轴细晶组织,看不到品粒被拉长。
从变形机制 上,超塑性变形的晶界行为起主要作用,如晶粒转动、晶界滑动、晶粒换位等,与一般的滑移、孪生等塑性变形行为有明显区别。
二、超塑性变形的类型
根据超塑性变形的特点,可将超塑性分为细晶超塑性、相变超塑性两大类。
（一）细晶超塑性
细晶超塑性是在一定的恒定温度(0.5~0.7Tm)、应变速率(107~10 mm/(mm·s))、晶粒度(超细化(细晶或超细晶≤10m)、等轴化、稳定化(成形期间保持稳定))条件下,在整个变形过程中,表现出低应力水平、无缩颈、大延伸状态、流动应力对变形速率极其敏感,即呈现出超塑性。由于这种超塑性需要先使材料经过必要的组织结构准备,又是在特定恒温条件下出现的,因此又称结构超塑性或恒温超塑性。细品超塑性的优点是恒温下易操作,故研究和应用较多,大量用于超塑性成形。但因为晶粒的超细化、等轴化、稳定化受材料限制,并非所有合金都能达到。细品超塑性的主要影响因素:应变速率、变形温度、组织(晶粒大小、品粒形状)等。这些因素大都直接影响m值的大小。
（二）相变超塑性
相变超塑性不要求有超细晶粒组织，但要求材料有固态相变或同素异构转变特性。在一定外力作用下,使材料在一定相变温度附近循环加热和冷却，经过一定的循环次数以后，就可能诱发产生反复的组织结构变化,使原子发生剧烈运动而呈现超塑性,宏观上获得很大的伸长率。由于这种超塑性是在一个温度变动频繁的温度范围内,依靠结构的反复变化,不断使材料组织从一种状态转变到另一种状态而获得的,故又称为 动态超塑性或环境超塑性
相变超塑性的主要影响因素:温度幅度△T=T+-T下、热循环速度△AT/t、温度循环次数7等。每一温度循环后均发生一次相变并获得依次跳跃式均匀延伸,经多次循环后即可累积很大的延伸变形量。温度循环次数越多,总伸长率越大。如图1-1所示。
图1-1 碳钢和轴承钢伸长率#与温度循环次数n之间的关系
三、超塑性变形的应用
（一）低温下纳米纯金属的超塑变形
1999年，美国加州大学的A.K.Mukherjee等人在纳米Ni，纳米Al合金及纳米Ni3Al中实现了低温超塑性。他们发现纳米Ni在350℃时即可发生超塑性变形。
2000年中科院金属研究所卢柯等人在纳米Cu中实现了室温下的超塑延展变形。冷轧纳米晶金属可以大大简化轧制工艺流程，而不再需要进行反复的变形-退火-变形的操作。对变形后的纳米金属进行适当的热处理，能够容易地控制显微组织，从而使最终产品获得新的性能。这种新颖的超塑变形工艺将在微加工、纳米技术和电子领域得到应用。
（二）高应变速率超塑性
高应变速率超塑性是指材料在10-2-10-1S-1的高应变速率下维持大延伸率的现象，对于提高超塑成形的生产率有重要意义。陶瓷材料有很多优异性能，如密度低、熔点高、强度大、耐腐蚀等，在航空航天等高技术领域有广泛应用前景。开发陶瓷材料的超塑性可以大大促进其应用。
目前，常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。根据超塑性特点，可以超塑性加工使金属成形的应用范围扩大，并能减少加工费用和最大限度地节约原材料，已在航空航天、仪表、电子、轻工和机械等各个工业部门得到有效的应用。
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