[科普中國]-超塑性合金

介紹

金屬的超塑性現(xiàn)象，是英國物理學家森金斯在1928年發(fā)現(xiàn)的，他給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬在適當?shù)臏囟认拢ù蠹s相當于金屬熔點溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應變速度10毫米秒時產(chǎn)生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。

最初發(fā)展的超塑性合金是一種簡單的合金，如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的19.5倍，然而這些材料的強度太低，不能制造機器零件，所以并沒有引起人們的重視。

60年代以后，研究者發(fā)現(xiàn)許多有實用價值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性，于是前蘇聯(lián)、美國和西歐一些國家對超塑性理論和加工發(fā)生了興趣。特別在航空航天上，面對極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形，而利用超塑性加工卻獲得了成功。到了70年代，各種材料的超塑性成型已發(fā)展成流行的新工藝。

超塑性合金已有一個長長的清單，最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有10～15個牌號，它們的延伸率在200～2000%之間。如鋁鋅共晶合金為1000%，鋁銅共晶合金為1150%，純鋁高達6000%，碳和不銹鋼在150～800%之間，鈦合金在450～1000%之間。

在通常情況下，金屬的延伸率不超過90%，而超塑性材料的最大延伸率可高達1000%～2 000%，個別的達到6000%。金屬只有在特定條件下才顯示出超塑性。在一定的變形溫度范圍內(nèi)進行低速加工時可能出現(xiàn)超塑性。產(chǎn)生超塑性的合金，晶粒一般為微細晶粒，這種超塑性叫作微晶超塑性。有些金屬受熱達到某個溫度區(qū)域時，會出現(xiàn)一些異常的變化，若使這種金屬在內(nèi)部結(jié)構發(fā)生變化的溫度范圍上下波動，同時又對金屬施力，就會使金屬呈現(xiàn)相變超塑性。

超塑性合金的化學成分與性能（1）常用的模具用非鐵超塑合金化學成分見表1。

表1幾種模具用非鐵超塑合金的化學成分1

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（2） 常用的模具用超塑合金的力學性能見表2。

表2幾種模具用超塑合金的力學性能

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超塑性成形工藝的類型超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。

超塑性氣脹成形

超塑性氣脹成形是用氣體的壓力使板坯料 （也有管坯料或其他形狀坯 料） 成形為殼型件，如儀表殼、拋物面天線、球形容器、美術浮雕等。美 國Superform公司在超塑性氣脹成形及其應用方面達到了較高水平，常年 批量生產(chǎn)超塑性氣脹成形的殼型零件，其整個生產(chǎn)過程都實現(xiàn)了計算機控 制，成形的零件在航空、航天、火車、汽車、建筑等行業(yè)都得到應用。

超塑性體積成形

超塑性體積成形包括不同的方式 （例如鍛模、擠壓模等），主要是利用 了材料在超塑性條件下流變抗力低，流動性好等特點。一般情況下，超塑 性體積成形中模具與成形件處于相同的溫度，因此它也屬于等溫成形的范 疇，只是超塑性成形中對于材料、對于應變速率及溫度有更嚴格的要求。 俄羅斯超塑性研究所首創(chuàng)的回轉(zhuǎn)等溫超塑性成形的工藝和設備在成形某些 軸對稱零件時具有其他工藝不可比擬的優(yōu)越性。這種方法利用自由運動的 輥壓輪對坯料施加載荷使其變形，使整體變形變?yōu)榫植孔冃?，降低了載荷， 擴大了超塑性工藝的應用范圍。采用這樣的方法成形出了鈦合金、鎳基高 溫合金的大型盤件以及汽車輪轂等用其他工藝難于成形的零件。

實現(xiàn)超塑性的主要條件金屬超塑性有組織超塑性和相變超塑性兩種。

1）組織超塑性。組織超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變 速率，這時合金本身還要具有極為細小的等軸晶粒 （直徑5μm以下），這 種超塑性稱為超細晶粒超塑性。非鐵金屬超塑合金是屬于組織超塑性。組 織超細化是組織超塑性的關鍵。超塑合金要經(jīng)過超塑處理，在超塑成形后 要進行強化處理以延長模具的使用壽命。非鐵金屬超塑合金的缺點是制成 的模具工作零件強度較低。超塑合金作為模具材料的主要用途是做型腔模的型腔。

2） 相變超塑性。有一些鋼，在一定的溫度下組織中的相發(fā)生轉(zhuǎn)變，在 相變點附近加工也能完成超塑性，稱為相變超塑性。產(chǎn)生超塑性的相變過 程，無論是擴散性的或者是非擴散性具有可逆性的，都可以在外部低的應 力作用下，通過溫度循環(huán)而使金屬的延伸率或變形量受積累而增高到甚至 驚人的程度。因此，純金屬的同素異構轉(zhuǎn)變、合金或鋼中的珠光體相變， 貝氏體相變以及具有可逆性的馬氏體相變等都可以通過溫度循環(huán)產(chǎn)生超塑性。2

應用情況超塑加工具有很大的實用價值，只要很小的壓力就能獲得形狀非常復雜的制作。試想一下，金屬變成了飴糖狀，從而具有了可吹塑和可擠壓的柔軟性能，因此過去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工藝被沿用過來，用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很小，只相當于正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一，從而節(jié)省了能源和設備。使用超塑性加工制造零件的另一優(yōu)點是可以一次成型，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節(jié)約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時，只需要具備一種陰?；蜿柲＜纯桑?jié)省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長，由普通熱模鍛的幾秒增至幾分鐘。

超塑性的鉛合金已經(jīng)商品化，如英國的Supral 100（A—6Cu—0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（AL—5Ca—5Zn）。鋁板可在300～600℃時利用超塑性成型為復雜形狀，所用模具費用降低至普通壓力加工模具費用的十分之一，因此它具有和薄鋼板、鋁壓鑄件及塑料模壓件相競爭的能力。

據(jù)推測，最近超塑性成形工藝將在航天、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用，所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不銹鋼和高溫合金等

現(xiàn)在超塑性合金已有一個長長的清單，最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有10～15個牌號，它們的延伸率在200～2000%之間。如鋁鋅共晶合金為1000%，鋁銅共晶合金為1150%，純鋁高達6000%，碳和不銹鋼在150～800%之間，鈦合金在450～1000%之間。3