金属-塑性-变形-理论第15讲-超塑性现象课件.ppt
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- 金属 塑性 变形 理论 15 现象 课件
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1、张贵杰张贵杰Tel:13230587925E-Mail:河北联合大学金属材料及加工工程系河北联合大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十五讲第十五讲2022-8-72第七章 金属的塑性主要内容Main Content 塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素 超塑性现象2022-8-737.3 超塑性现象 纳米铜的室温超塑性2022-8-74 在不同温度下在不同温度下ZnAl22的拉伸变形的拉伸变形(250时延伸时延伸率率 )%10832022-8-75 Bi-44Sn挤压材料在慢挤压材料在慢速拉伸下出现异常大速拉伸下出现异常大的延伸率的延伸率()%19502022-8-7
2、6高温合金高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件的超塑性成形航天器件 2022-8-77双相不锈钢超塑性成形的航天器件双相不锈钢超塑性成形的航天器件 2022-8-78超塑成形的波形膨胀节用超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管钛合金波纹管 2022-8-79 超塑性的概念 超塑性的力学特征 超塑性的组织特征 超塑性的机理 超塑性的应用2022-8-710超塑性的概念 超塑性是指材料在一定的内部(组织)条件(如超塑性是指材料在一定的内部(组织)条件(如晶粒形状及尺寸、相变等)和外部(环境)条件晶粒形状及尺寸、相变等)和外部(环境)条件下(如温度、应变速率等),呈现出异常低的流下(如
3、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(例如大的延伸率)变抗力、异常高的流变性能(例如大的延伸率)的现象。的现象。一般说来,如果材料的延伸率超过一般说来,如果材料的延伸率超过100,就可,就可称为超塑性。凡具有能超过称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的材料,延伸率的材料,则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过延伸率最大可超过1000,有的甚至可达,有的甚至可达2000 2022-8-7112022-8-712超塑性的分类 组织超塑性或恒温超塑性。组织超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之根据材料的组
4、织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。为微细晶粒超塑性。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。温度:温度:Ts0.5Tm(Ts和和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度)的绝对温度)变形速度:变形速度:10-410-1/s。微细晶粒尺寸其范围在微细晶粒尺寸其范围在0.55m之间。一般来说,晶粒越细之间。一般来说,晶粒越细越有利于塑性的发展,但对有些材料来说(例如越有利于塑性的发展,但对有些材料来说(例如Ti合金)晶合金)晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的,
5、因此即使初始由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的,因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸,如果热稳定性差,在变形过程中晶组织具有微细晶粒尺寸,如果热稳定性差,在变形过程中晶粒迅速长大的话,仍不能获得良好的超塑性。粒迅速长大的话,仍不能获得良好的超塑性。2022-8-713 相变超塑性或变态超塑性相变超塑性或变态超塑性 这类超塑性,并不要求材料有超细晶粒,而是在一定的这类超塑性,并不要求材料有超细晶粒,而是在一定的温度和负荷条件下,经过多次的循环相变或同素异形转温度和负荷条件下,经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。变获得大延伸。如碳素钢和低合金钢,加以一定的负荷,同时于如碳素钢和低合金钢,加
6、以一定的负荷,同时于A1、3温温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却,每一次循环度上下施以反复的一定范围的加热和冷却,每一次循环发生(发生(ag)的两次转变,可以得到两次均匀延伸。)的两次转变,可以得到两次均匀延伸。D.Oelschlgel等用等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种等钢种试验表明,延伸率可达到试验表明,延伸率可达到500%以上。以上。变形的特点:初期时每一次循环的变形量比较小,而在变形的特点:初期时每一次循环的变形量比较小,而在一定次数之后,例如几十次之后,每一次循环可以得到一定次数之后,例如几十次之后,每一次循环可以得到逐步加大的变形,到断裂时,可以累积为
7、大延伸。逐步加大的变形,到断裂时,可以累积为大延伸。2022-8-714 有相变的金属材料,不但在扩散相变过程中具有很有相变的金属材料,不但在扩散相变过程中具有很大的塑性,淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火大的塑性,淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程,也可以过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程,也可以获得异常高的塑性。获得异常高的塑性。如果在马氏体开始转变点(如果在马氏体开始转变点(Ms)以上的一定温度区)以上的一定温度区间加工变形,可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变,间加工变形,可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变,在转变过程中也可以获得异常高的延伸,塑性大小在转变
8、过程中也可以获得异常高的延伸,塑性大小与转变量的多少,变形温度及变形速度有关。这种与转变量的多少,变形温度及变形速度有关。这种过程称为过程称为转变诱发塑性转变诱发塑性。即所谓。即所谓TRIP现象。现象。Fe-Ni合金,合金,Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。等合金都具有这种特性。2022-8-715 其它超塑性其它超塑性 在消除应力退火过程中,在应力作用下可以得到在消除应力退火过程中,在应力作用下可以得到超塑性。超塑性。Al-5%Si及及Al-4%Cu合金在溶解度曲线合金在溶解度曲线上 下 施 以 循 环 加 热 可 以 得 到 超 塑 性,根 据上 下 施 以 循 环 加 热 可 以 得
9、到 超 塑 性,根 据Johnson试验,在具有异向性热膨胀的材料如试验,在具有异向性热膨胀的材料如U,Zr等,加热时可有超塑性,称为异向超塑性。有等,加热时可有超塑性,称为异向超塑性。有人把人把a-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。2022-8-716超塑性的历史及发展超塑性的历史及发展 超塑性现象最早的报道是在超塑性现象最早的报道是在1920年,德国人罗申汉年,德国人罗申汉(N.Rosenhaim)等发现)等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时,合金在低速弯曲
10、时,可以弯曲近可以弯曲近180度。度。1934年,英国的年,英国的C.P.Pearson发现发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延的延伸率。伸率。1945年前苏联的年前苏联的A.A.Bochvar等发现等发现Zn-Al共析合金具有共析合金具有异常高的延伸率并提出异常高的延伸率并提出“超塑性超塑性”这一名词。这一名词。1964年,年,美国的美国的W.A.Backofen对对Zn-Al合金进行了系统的研究,合金进行了系统的研究,并提出了应变速率敏感性指数并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念,为超塑值这个新概念,为超塑性研究奠定了基础。上世纪
11、六十年代后期及七十年代,性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代,世界上形成了超塑性研究的高潮。世界上形成了超塑性研究的高潮。2022-8-717 特别引人注意的是,近几十年来金属超塑性已在工业生特别引人注意的是,近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的Zn合金、合金、Al合金、合金、Ti合金、合金、Cu合金以及黑色金属等正以它们优异合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点,在航空航天以及汽车的的变形性能和材质均匀等特点,在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂零部件生产
12、、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。形状构件的生产中起到了不可替代的作用。2022-8-718 近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三个方面:下三个方面:先进材料超塑性的研究,这主要是指金属基复合材料、先进材料超塑性的研究,这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发,因为这些材金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发,因为这些材料具有若干优异的性能,在高技术领域具有广泛的应用料具有若干优异的性能,在高技术领域具有广泛的应用前景。然而这些材料一般加工性能较差,开发这些材料前景。然
13、而这些材料一般加工性能较差,开发这些材料的超塑性对于其应用具有重要意义的超塑性对于其应用具有重要意义;高速超塑性的研究,提高超塑变形的速率,目的在于提高速超塑性的研究,提高超塑变形的速率,目的在于提高超塑成形的生产率高超塑成形的生产率;研究非理想超塑材料(例如供货态工业合金)的超塑性研究非理想超塑材料(例如供货态工业合金)的超塑性变形规律,探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求,而提变形规律,探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求,而提高成形件的质量,目的在于扩大超塑性技术的应用范围,高成形件的质量,目的在于扩大超塑性技术的应用范围,使其发挥更大的效益。使其发挥更大的效益。2022-8-719典型的超塑性
14、材料典型的超塑性材料 目前已知的超塑性金属及合金已有数百种,目前已知的超塑性金属及合金已有数百种,按基体区分,有按基体区分,有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。部分典型的超塑性合金见下表的合金。部分典型的超塑性合金见下表 2022-8-720合金成分(合金成分(Wt%)m延伸率延伸率(%)变形温度(变形温度()共析合金共析合金 Zn-22Al0.51500200300共晶合金共晶合金 Zn-5Al0.480.5300200360 Al-33Cu0.950
15、0440520Al-Si120450Cu-Ag0.53500675Mg-33Al0.852100350400Sn-38Pb0.59108020Bi-44Sn19502030Pb-Cd0.35800100m为应变速率敏感性指数为应变速率敏感性指数 2022-8-721Al基合金基合金 Al-6Cu-0.5Zr0.518002000390500Al-25.2Cu-5.2Si0.431310500Al-4.2Zn-1.55Mg0.9100530Al-10.72Zn-0.93Mg-0.42Zr0.91550550Al-8Zn-1Mg-0.5Zr1000Al-33Cu-7Mg0.72600420480A
16、l-Zn-Ca 267500Cu基合金基合金 Cu-9.5Al-4Fe0.64770800Cu-40Zn0.645156002022-8-722Fe-C合金(钢铁)合金(钢铁)Fe-0.8C 210250680Fe-(1.3,1.6,1.9)C 470530640GCr150.42540700Fe-1.5C-1.5Cr 1200650Fe-1.37C-1.04Mn-0.12V 817650AISI01(0.8C)0.51200650521600.61220650高级合金高级合金 901400900950Ti-6Al-4V0.85100080010002022-8-723高级合金高级合金 IN7
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