神奇的材料——超塑合金<%=id%>

　　人们在制造机械零件及各类制品时，有两个较为普遍的要求，第一是希望制品耐磨耐用、支持力强；第二是希望制造过程简单容易、省时省力。这两者往往是相互矛盾的，硬而强的东西制造起来往往工序繁多、费时费力。例如要将金属材料如铝、铜、钢铁轧制成管、棒、板、带等材料，就需几千吨以至几万吨的压力机，几千千瓦至上万千瓦的轧机，愈是强度大硬度高的材料，生产起来就愈费劲，这些设备笨重庞大，能耗高得惊人。一些形状复杂精度要求高的零件还需车、铣、刨、磨等很多道工序的机械加工，又进一步耗能，而且造成大量废料，这些机床大都很复杂昂贵。人们在研究和选择金属材料时，首先就是从上述两方面考虑，第一是它的强度、硬度，这是从使用角度考虑，第二是它的塑性、柔软性，这是从制造角度考虑。所谓塑性，是指金属在外力作用下能稳定地发生永久变形而不破坏完整性的能力，表征的数据为延伸率（符号为δ，单位为百分数）。金属的柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力（符号为б，单位为Mpa）的大小来衡量。塑性大的材料可通过变形加工成各种适用型材，加工时所需功率大小则与其变形抗力有关。例如普通铸铁由于它的塑性很低，延伸率不足1%，只能铸造，不能进行轧制、挤压、拉伸，所以它不能以型材供应。钢的延伸率要大很多，例如常用的A3钢的延伸率在20%以上，不论轧制、挤压、拉伸均可，但它并不柔软，其变形抗力在900℃的高温下仍在200Mpa之上，因此一般轧钢机的动力装置均在几千千瓦以上。为了提高金属的塑性，人们从材料的冶炼、提纯、变形加工到热处理等各个环节进行了研究改进，但所得成效有限，黑色金属的延伸率一般不大于40%，有色金属（如铜、锌、铝）一般不大于60%，而变形抗力则居高不下，未有什么进展。超塑合金的出现，呈现了一个飞跃，它既有一般金属所具有的强度和硬度，又在一定条件下具有超乎常规金属的塑性，延伸率为普通金属的10倍至100倍，最高的可达5000%以上，在拉伸试验机上拉到尽头还不断。下图为一种超塑材料Bi-44%Sn在拉伸前后的试样长度对比。而它的变形抗力却异乎寻常的低，只有常规金属的几十分之一到百分之一，例如Zn-22%A1的变形抗力仅为2Mpa或更低，用很小的力量就可挤压或吹制成各种复杂形状的制品，使压力加工设备的吨位大大减小，甚至可像吹糖人似的在模子中吹出各种中空制件。

图1-1  Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸
率现象（δ=1950%），左为拉伸前的试样。

　　超塑现象的研究最早出现在1920年，德国人罗申汉（N.Rosenhaim）对冷轧后的A1-Zn-Cn三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的现象。其后，英国、苏联等国的学者都对其进行了研究。二战后，苏联著名的金属学家包赤瓦尔（A•A•EouBap）对此进行了系统的研究，用ZnA1共析合金在高温拉伸试验中得到了异常大的延伸率，并首次应用了“超塑性”这个词汇，1964年美国学者贝克芬（W•A•Backofen）对超塑性力学特性进行了分析研究，提出了变形应力б与应变速率ε的关系方程式

б=kεm

　　式中k为与材料有关的常数，m为应变速率敏感性指数，它与材料有关，是评价金属超塑性的一个指标，并提出了测定材料m值的方法，奠定了超塑性的力学基础。
上世纪六十年代以后，美、苏、英、法、日、加、印等国都投入了相当的力量研究超塑现象，研究的重点在两个方面，一方面是深入研究超塑变形时的组织、机构、变形机理；另一方面着重开展超塑材料在生产实践中的应用。目前几乎所有的金属材料如锌、铝、铜、铅、锡、镍、钛、镁、钨、锆等有色金属及碳钢、合金钢、不锈钢等钢铁材料中都发现有超塑现象，很多材料都在生产中获得了应用。

　　材料超塑现象的出现是有条件的，既要有材料本身的内在因素，也要有变形时的环境条件。

　　首先材料本身最好是两相组织的共析或共晶合金，经过一定的处理后其结晶应是等轴、球形、细晶粒组织，晶粒尺寸一般不大于10µm（1µm=10-3mm）即d≤10µm，愈细愈好。这些材料原是指为实现超塑性而专门研制的合金，如锌合金中的Zn-22%A1、Zn-5%A1，铝合金中的A1-6%Cu-Zr合金。随着对超塑性特点认识

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　　超塑变形的工艺环境主要有二条：

　　其一为变形温度，超塑变形一般要求材料的温度保持在Tc≥0.5TM

　　式中：Tc为实现超塑变形的临界温度°K
　　　　　TM为该材料的熔化温度°K
　　　　　上述温标均为绝对温度（°K）即摄氏温度℃加273°。

　　这是一个大体的温度界限，各个材料的最佳超塑变形温度要通过一系列实验求得。

　　其二为变形速率，超塑变形的最大特点是它必须在一定的应变速率（ε）范围内进行，各种材料都有各自的应变速率与δ、m、б的关系曲线。即

　　δ-ε：最大延伸率与应变速率关系曲线

　　m-ε：应变速率敏感性指数与应变速率关系曲线

　　б-ε：变形抗力与应变速率关系曲线

　　根据这些曲线选择最适宜的应变速率，一般的说，ε值大体在10-2S-1——10-4S-1之间，此值要比常规的变形速度低很多，这是超塑变形最大的不足之处，它限制了生产率的提高，从而也限制了超塑合金的应用范围，它只适合于在中小批量生产中使用；如新产品的试制、旅游工艺品生产、某些军工产品生产等。1908年，英国里兰德汽车公司生产了工业用Zn-22%A1共析合金，用该合金薄板在低应力作用下超塑成型汽车门和冰箱门等的内衬，轰动一时。1970年汤姆生等人也是用Zn-22%A1合金用不大的气体压力（1.98N/MM2）吹胀成具有凸肚和花纹的调味品瓶子。由于锌合金在性能上的限制，其后超塑合金的发展扩展向铝合金、钛合金、铜合金及碳钢、不锈钢等领域，并在电子、仪表、纺织、机械、汽车、航空航天及工艺制品等行业中获得了应用，尤其在航空上用得更多，美国在战斗机、轰炸机上广泛使用超塑成型的铝合金、钛合金零件，在B-1B重型轰炸机上用量达11，550磅，为其铝、钛结构件重量的15%。

　　我国从上世纪七十年代开始进行超塑技术的研究，在超塑性机理及在锌合金、铝合金、钛合金、铜合金领域的开发研制方面均取得了成果，并有不少成果用之于生产实际。例如纺织工业中落纱机用的槽筒形状复杂而不规则，国内用塑胶生产，寿命很短而且其磨擦静电作用影响纱线质量，国外用铸铝、铸铁或不锈钢制作，工序多、重量大、价格高。我国研制成功用Zn-5%A1合金超塑成形，形状精确、壁薄质轻、工序简便，价格很低，在纺织工业获得广泛应用，取代了进口产品。通讯卫星地面接收站的抛物面体，曲面形状精度要求很高，用板材冷冲压不但冲压力要很大，而且由于材料反弹，制品与模具形状不一，要求多次矫正修改才能接近理论值：采用超塑成型，压力大大减小，制品与模具形面非常接近误差很小，一次成型，效果很好。人造卫星上使用的钛合金燃料箱为中空球体，壁厚0.75-1.5mm，采用常规方法几乎无法成形，采用超塑成形，很顺利制成。

　　近年来随着技术的进步，超塑技术向更深更高的层次发展。

　　为了克服超塑成型时应变速率较低而影响生产率的问题，从1985年开始，学者们致力于高应变速率超塑技术的研究，目前已有应变速率达10-1S-1者，甚至达到100S-1者，已接近常规金属加工变形时的应变速率，这是目前超塑技术研究发展的一个重点。

　　超塑材料的特点之一在于要求材料要具备细晶粒，一般要求晶粒直径在10µm以下，研究表明，纳米级（nm即10-6 mm）的超细晶粒材料能极大地改善材料性能和提高其应变速率。如何控制和获得纳米级细晶粒的结构，也是超塑技术发展的一个热点。

　　金属基复合材料、陶瓷材料和金属间互化物近年来在高新技术领域获得了特别的青睐，因为它们普遍的有重量轻、强度大、耐高温、抗磨损等一系列优点，但它们也有一个共同的特点，即很难加工，冷热加工都很难，这使它们的推广应用受到了限制。1984年获得了在铝基合金中加入硅碳化物晶须增强体的细晶复合材料，在10-1S-1的高应变速率下得到延伸率达300%的超塑性。1986年出现的细晶粒（0.3μm）钇稳定四方晶氧化锆（YTZP）在1450℃的高温下其延伸率达到了120%—800%。此后研究工作迅速向其它材料领域如氧化铝、磷灰石、硅氧化物、铁碳化物等发展。1987年对金属互化物如钛铝化物、镍硅化物的研究也获得了可观的超塑性

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　　超塑合金这个新生的材料正以其神奇的性能逐步走向工业生产的各个领域。

original link
http://www.bjkp.gov.cn/bjkpzc/kjqy/clkx/36509.shtml

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